基于案例的跨河水準(zhǔn)測量分析研究

魯遠(yuǎn)杰

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006）

跨河測準(zhǔn)對水工跨河工程的設(shè)計、施工和運營安全監(jiān)控具有基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)決策參考作用，是工程重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文基于案例工程實用場地，采用實地實驗測量及數(shù)據(jù)比對分析的方式，對水工跨河測準(zhǔn)課題開展分析研究。

1 案例工程概況

某水電工程系具有日調(diào)節(jié)能力的徑流引水調(diào)節(jié)式中型水電工程，屬混凝土重力壩類型?？値烊?12.1×l04m3，常規(guī)蓄水位1117.5 m。裝配水輪混流發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定38 MW，總裝機(jī)計76 MW。按洪水30 年一遇設(shè)計工程防沖消能標(biāo)準(zhǔn)，工程防泄洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以百年一遇的洪峰標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

由擋水建筑、泄水建筑和取水建筑綜合構(gòu)成工程樞紐首部。其中擋水建筑基本呈直線序列沿壩體軸線有序配置。工程取水口布置于右岸非溢流壩段的中上游部位，配備有砂土攔阻結(jié)構(gòu)和進(jìn)水控制閘。在左岸的非溢流壩段的上游區(qū)域，設(shè)計筑建有庫區(qū)擋墻。工程的非溢流壩段的最大高度14.55 m，建基面最低點高程在1103.51 m。工程的泄洪沖沙閘所在壩段的壩高最大值約18.3 m，建基面最低點高程約在1103.05 m。泄洪沖沙閘段壩長為90 m。工程的右岸非溢流壩段基本長度值為14.75 m，工程左岸的非溢流壩段區(qū)域基本長度為8.68 m[1]。

為了把握工程運行狀態(tài)和及時發(fā)現(xiàn)異常情況，采取措施保障閘壩正常安全運行，工程管理部門依據(jù)測控網(wǎng)所提供的高度和坐標(biāo)，堅持實施工程外部形變持續(xù)監(jiān)測。因為大壩地處具有500 m 海拔的山區(qū)，GPS 信號應(yīng)用經(jīng)常受到一定程度局限。因為坐落于左右兩岸的混凝土壩均仍屬較窄壩體范疇，一般跨河測準(zhǔn)很難在前后視距等同布配標(biāo)準(zhǔn)下標(biāo)準(zhǔn)立桿或者架站測量，并且水準(zhǔn)點很難躲避高大建筑物的遮擋，難以實現(xiàn)長距離通視觀測條件。因此，測控網(wǎng)核校工作在本工程測量中尤其成為技術(shù)重點和現(xiàn)實應(yīng)用課題。為實現(xiàn)精準(zhǔn)測控，本研究選取工程“人工湖小橋”作為跨河測量段落，選取A、B 兩點作為水準(zhǔn)點，其水平距離值取跟對岸須給與核校的測控網(wǎng)兩點的距離取值大體等同。兩點的水平距離與需要核校的對岸兩點的距離大概等同。

2 三種方法跨河測準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)的整理分析

2.1 一般的（前后視距相等）測準(zhǔn)法布測所得數(shù)據(jù)

沿測準(zhǔn)點A 所在的混凝土路，經(jīng)過小橋到對岸B 測準(zhǔn)點，以前后視距等同的方式布設(shè)測準(zhǔn)線路，其布測簡圖見圖1，測得成果數(shù)據(jù)整理具體見表1。

圖1 一般測準(zhǔn)法布測簡圖

表1 一般跨河測準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)表

基于視距前后等同的段落非閉合段落一般測準(zhǔn)高差值往返不符數(shù)據(jù)見表2。

表2 段落非閉合一般測準(zhǔn)高差值往返不符數(shù)據(jù)表

每公里的一般測準(zhǔn)偶然中誤差MΔ計算公式：MΔ=公式中n 為測量區(qū)段數(shù)；R 系測量區(qū)段的長度（km）；Δ 為測量區(qū)段往返測高差的不符值（mm）。參考表2中的測量數(shù)據(jù)，基于上述公式可以推算出一般測準(zhǔn)的偶然公里中誤差值是0.44 mm，此與《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》公里中誤差1.00 mm 的標(biāo)準(zhǔn)相符合。表明水準(zhǔn)測量在非閉合各測段均達(dá)到國家二等以上水準(zhǔn)精度[2]。

基于視距前后等同的段落閉合段落一般測準(zhǔn)高差值往返不符數(shù)據(jù)表見表3。

表3 往返測水準(zhǔn)閉合段落高差值不符統(tǒng)計表

每公里的一般測準(zhǔn)全中誤差MW計算公式：公式中N 是水準(zhǔn)環(huán)數(shù)；F 系水準(zhǔn)環(huán)線的周長，km；W 為經(jīng)改正的環(huán)線閉合差，mm。參考表3 往返測水準(zhǔn)閉合段落高差值不符統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于上述公式可以推算出一般測準(zhǔn)的全中公里誤差值為0.78 mm，此誤差值跟國家一等和二等測準(zhǔn)規(guī)范的全中公里誤差≤2.00 mm 基本相符合。這樣的測算結(jié)果表明，全閉合段落一般測準(zhǔn)的準(zhǔn)確性基本達(dá)到了國家二等以上的測準(zhǔn)精度，一般測準(zhǔn)的外業(yè)觀測精度基本是可靠的。

2.2 改進(jìn)的（前后視距不等）測準(zhǔn)法布測所得數(shù)據(jù)

前述測準(zhǔn)線路是基于前后視距等同的方式布設(shè)，改進(jìn)的測準(zhǔn)線路布設(shè)方式是以前后視距不等的方式來確定測準(zhǔn)線路，所得測量成果見表4。

表4 改進(jìn)一般跨河測準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)表

基于視距前后不等布配條件的非閉合段落往返測準(zhǔn)高差不符值統(tǒng)計見表5。

表5 非閉合段落往返測準(zhǔn)高差不符值統(tǒng)計表

參考表5 中的非閉合段落往返測準(zhǔn)高差不符值統(tǒng)計，根據(jù)上節(jié)每公里的一般測偶然中誤差計算公式，可以推算出一般測準(zhǔn)的公里偶然中誤差值是0.76 mm，這個結(jié)果跟國家一、二等測準(zhǔn)規(guī)范的公里中誤差值≤1.00 mm 的標(biāo)準(zhǔn)屬于符合范疇。表明水準(zhǔn)測量在非閉合各測段均達(dá)到國家二等以上水準(zhǔn)精度[3]。

基于視距前后不等布配條件的閉合段落往返測準(zhǔn)高差不符值統(tǒng)計見表6。

表6 閉合段落往返測準(zhǔn)高差不符值統(tǒng)計表

參考表6 中的閉合段落往返測準(zhǔn)高差不符值，根據(jù)上節(jié)的每公里一般測準(zhǔn)全中誤差計算公式，可以推算出一般測準(zhǔn)的偶然全中公里誤差值是1.52 mm，這個結(jié)果跟國家一、二等測準(zhǔn)規(guī)范的公里中誤差值≤2.00 mm 的標(biāo)準(zhǔn)屬于符合范疇。表明全閉合段落水準(zhǔn)測量達(dá)到國家二等以上的測量精度水準(zhǔn)，意味外業(yè)測量結(jié)果是精度可靠的。

2.3 全站儀三角高度法布測所得數(shù)據(jù)

圖2 全站儀三角法高度布測例圖

測得成果數(shù)據(jù)整理具體見表7。

表7 基于全站儀三角法的跨河高度測準(zhǔn)數(shù)據(jù)表

（1）基于全站儀三角法的跨河高度測準(zhǔn)精度統(tǒng)計，具體見表8。

表8 三角法的跨河高度測準(zhǔn)精度統(tǒng)計表

（2）本研究所應(yīng)用的外業(yè)驗算相對簡單，即在觀測段落段的高差得到合格驗算后，跨河測準(zhǔn)借助全站儀三角高度法實施，借助所測得的高差基本數(shù)據(jù)，通過公式推算出閉合環(huán)線的水準(zhǔn)差W1值。

W1=hAD+hDB+hBC+hCA=0.04843-0.60957-0.39795+0.96011=1.02 mm

以借助電子水準(zhǔn)儀測知的同岸近距高差替代借助全站儀直接測知的高差，并推算其閉合環(huán)線水準(zhǔn)差W2值。

滿足國家二等以上水準(zhǔn)精度。此法所測得的測點A、B 間高差可以作為一般改進(jìn)水準(zhǔn)測量方法的精度比對參照。

3 三種方法跨河測準(zhǔn)結(jié)果的比對分析

將三種跨河測準(zhǔn)法所得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行總體比對，得到數(shù)據(jù)列見表9。

表9 三種觀測方法數(shù)據(jù)比對一覽

一般水準(zhǔn)法是精度相對高的一種經(jīng)典測量方法，是高精度水準(zhǔn)測定和國家控測網(wǎng)復(fù)測常用的基本方法。分析視距前后不等狀態(tài)的改進(jìn)一般水準(zhǔn)法的精度和可靠性時，把一般水準(zhǔn)法測值當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對分析。與標(biāo)準(zhǔn)值相比，A、B 兩點經(jīng)改進(jìn)一般水準(zhǔn)法所測得的高差存在0.60 mm 的互差，但其值小于基于一等水準(zhǔn)測量所得的1.21 mm 限差。與標(biāo)準(zhǔn)值相比，A、B 兩點經(jīng)全站儀三角高度法所測得的高差存在2.17 mm 的互差，但其值介于基于一二等水準(zhǔn)測量所得的限差之間[4]。由此可知：在跨河測準(zhǔn)精度上，改進(jìn)一般水準(zhǔn)法要稍強(qiáng)于全站儀三角高度法。分析原因主要有以下幾點：

（1）全站儀三角法誤差控制要求較多，控制難度相對大。最難于把控的一項誤差來自大氣折光影響誤差。盡管科技工作者不斷推進(jìn)克服大氣折光誤差影響的諸多方法，但時下還未能給出一個普遍認(rèn)同適用的基本計算公式。沒有經(jīng)典的大氣折光應(yīng)用常數(shù)，這直接影響到全站儀三角法的測量精度實現(xiàn)。

（2）跨河測準(zhǔn)采用視距前后不等的測點布配方法，能夠一定程度消除了儀器i 角以及地球曲率對誤差控制的影響，此與一般跨河測準(zhǔn)所能消除的誤差影響差不多。通過視距前后不等的測點布配方法控制誤差可以實現(xiàn)一般跨河測準(zhǔn)的精度，可見，基于視距前后不等的測點布配方法的改進(jìn)一般跨河測準(zhǔn)，其精度完全能夠達(dá)到一般跨河測準(zhǔn)的精度。

（3）盡管可以選用對向觀測或是往返觀測，對于源自地球曲率或大氣折光的影響，全站儀三角法只能降低影響，而無法完全消除影響。全站儀三角法的環(huán)境影響誤差顯然不可能低于改進(jìn)一般跨河測準(zhǔn)法源自環(huán)境的誤差影響。

（4）測邊誤差影響全站儀三角法測量精度，盡管現(xiàn)代科技比如測距儀，讓測邊誤差越來越小，但終歸不能完全克服測邊誤差。實際操作中，只能加增對向觀測和測回，以平均值控制降低邊長誤差。受垂直角誤差的影響，全站儀三角法測角誤差基本與所對應(yīng)的邊距呈正比加增關(guān)系，角誤差對測度的影響相對大于邊長誤差，所以測量中要嚴(yán)格測定垂直角[5]。

4 結(jié)語

本文基于案例工程實用場地，采用實地實驗測量及數(shù)據(jù)比對分析的方式，對水工跨河測準(zhǔn)課題開展了分析研究。主要收獲：（1）基于一般測準(zhǔn)法、改進(jìn)一般水準(zhǔn)法和站儀三角高度法，對案例工程開展了跨河測準(zhǔn)操作；（2）基于三種方法，獲得和整理分析了測量所得數(shù)據(jù)；（3）對三種方法跨河測準(zhǔn)結(jié)果開展了比對分析；（4）得出三種方法跨河測準(zhǔn)其精度均完全勝任國標(biāo)二等以上測定標(biāo)準(zhǔn)，但在精度上是一般測準(zhǔn)法優(yōu)于改進(jìn)一般水準(zhǔn)法，改進(jìn)一般水準(zhǔn)法優(yōu)于三角高度法。