傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在小水電站地下引水隧洞改造項(xiàng)目中的應(yīng)用

邵火峰，沈 默，蘇秀永，游明亮

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

1 概 述

在GNSS測(cè)量、攝影遙感等測(cè)量技術(shù)等日益成熟的今天，新型測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)仍有重要的應(yīng)用，尤其是在地下工程測(cè)量中。

位于金沙江左岸的以禮河水電站建于1956年，運(yùn)營(yíng)至今。由于即將受到2021年建成后的白鶴灘水電站水位影響，需對(duì)以禮河四級(jí)水電站進(jìn)行改造升級(jí)。為滿足設(shè)計(jì)和施工的要求，需對(duì)局部地下引水隧洞現(xiàn)狀進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)前，水電站每年均有發(fā)電任務(wù)，每月均有發(fā)電計(jì)劃。因此水電站管理者提出，可以降低日調(diào)節(jié)池水位，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)水口3 d，作為地下引水隧洞測(cè)量作業(yè)時(shí)間。針對(duì)本電站改造涉及地下施工爆破，設(shè)計(jì)人員提出：需要地下引水隧洞局部平面位置、坡度、橫剖面等測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)力求準(zhǔn)確，確保在0.15 m以內(nèi)的精度，且與地面測(cè)量數(shù)據(jù)保持統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)。

水電站日調(diào)節(jié)池附近有2個(gè)垂直的地下引水隧洞檢修孔，互不通視，兩檢修孔間隧洞呈曲線狀。測(cè)量環(huán)境空間有限、作業(yè)時(shí)間緊迫，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法調(diào)用陀螺經(jīng)緯儀用于定向[1_2]?？紤]滿足精度要求及外業(yè)時(shí)空受限等條件，決定采用兩井定向、布設(shè)無(wú)定向?qū)Ь€方法，將地面平面坐標(biāo)系統(tǒng)傳遞到地下引水隧洞底部，同時(shí)將地面高程引測(cè)至隧洞底部；繼而在地下引水隧洞內(nèi)，向需要測(cè)量的部位發(fā)展直伸形支導(dǎo)線，同步進(jìn)行電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量。隨機(jī)抽檢碎部點(diǎn)，分析測(cè)量數(shù)據(jù)精度。

2 兩井幾何定向原理與平差計(jì)算

2.1 兩井幾何定向原理

兩井幾何定向，就是通過(guò)兩個(gè)豎井，分別將地面點(diǎn)投點(diǎn)到井口底部，并在投點(diǎn)間進(jìn)行連接測(cè)量[3]。可以用線垂或投點(diǎn)儀進(jìn)行投點(diǎn)，井上下高差用長(zhǎng)鋼尺量距，簡(jiǎn)便可行。由于兩投點(diǎn)互不通視，連接測(cè)量無(wú)起始方位角，所以稱作無(wú)定向?qū)Ь€(見(jiàn)圖1)，只能觀測(cè)各導(dǎo)線邊的邊長(zhǎng)和各個(gè)轉(zhuǎn)折角。計(jì)算時(shí)，根據(jù)起點(diǎn)A、終點(diǎn)B的已知坐標(biāo)，間接計(jì)算起始方位角。

圖1 無(wú)定向?qū)Ь€示意

2.2 無(wú)定向?qū)Ь€嚴(yán)密平差計(jì)算

文獻(xiàn)[3]提出無(wú)定向?qū)Ь€有3個(gè)條件方程式：

(1)

(2)

(3)

3 具體測(cè)量作業(yè)及精度分析

3.1 測(cè)量作業(yè)思路

由于無(wú)定向?qū)Ь€沒(méi)有方位角閉合條件，應(yīng)設(shè)法提高導(dǎo)線測(cè)角精度，采用嚴(yán)密平差方法是提高導(dǎo)線點(diǎn)精度的重要手段[4]?？紤]隧洞內(nèi)平均高度不足2 m，即使用2 m水準(zhǔn)尺也難以立放，所以在測(cè)量導(dǎo)線的同時(shí)，采用電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量方法進(jìn)行圖根級(jí)高程控制測(cè)量。

3.2 無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量

通過(guò)兩檢修孔投點(diǎn)至隧洞底板的測(cè)量標(biāo)志DX1、DX2彼此不通視，在DX2、DX1之間布設(shè)DX3～DX8導(dǎo)線點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。使用Leica TS30全站儀(標(biāo)稱精度：±0.5″,±1 mm+1 ppm)，參照《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)[5]，按二級(jí)導(dǎo)線技術(shù)要求測(cè)量。因受地下隧洞空間條件限制，不可避免地存在個(gè)別導(dǎo)線邊長(zhǎng)較短，相鄰邊長(zhǎng)相差較大。通過(guò)掛垂球?qū)χ?，以垂球線為照準(zhǔn)方向目標(biāo)，目的是改善對(duì)中、照準(zhǔn)條件，減小對(duì)中、照準(zhǔn)誤差，水平角觀測(cè)左、右角各2測(cè)回，從而提高測(cè)角精度。

圖2 無(wú)定向?qū)Ь€線路圖

3.3 無(wú)定向?qū)Ь€平差計(jì)算

采用COSA地面控制系統(tǒng)V 6.0軟件，平差無(wú)定向?qū)Ь€，平面平差結(jié)果如下所示(見(jiàn)表1、表2)。

表1 最弱點(diǎn)及其精度

表2 最弱邊及其精度

導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差1/11 000≤1/10 000,符合二級(jí)導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)要求[5]，點(diǎn)位誤差為0.128 cm，平差后平面精度較高。

3.4 圖根電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量

3.5 圖根支導(dǎo)線測(cè)量、隧洞內(nèi)碎部測(cè)量

圖3 圖根支導(dǎo)線線路圖

設(shè)站各圖根支導(dǎo)線點(diǎn)，采用極坐標(biāo)法測(cè)量相應(yīng)的地下引水隧洞平面位置、坡度和橫剖面，實(shí)地標(biāo)識(shí)測(cè)量位置并拍照取證。使用圖根支導(dǎo)線成果，計(jì)算各碎部點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)。隨機(jī)抽檢33個(gè)碎部點(diǎn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)：平面中誤差±3.1 cm，高程中誤差±4.5 cm。

4 分析結(jié)論

通過(guò)上述工程實(shí)例測(cè)量計(jì)算分析，不難發(fā)現(xiàn)平面、高程測(cè)量數(shù)據(jù)能夠滿足地下爆破施工提出的0.15 m精度要求。可以推論出：在高度不大于2 m、長(zhǎng)度不大于2 km的地下引水隧洞內(nèi)測(cè)量，無(wú)法應(yīng)用GNSS、攝影遙感等快捷高效的新技術(shù)，難以使用價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜的陀螺儀時(shí)，可選用導(dǎo)線測(cè)量和電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)。使用高精度全站儀完全能夠同時(shí)獲得預(yù)計(jì)精度的平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)[6_7]，滿足設(shè)計(jì)和施工提出的要求。

將地面坐標(biāo)、高程向地下引水隧洞底板傳遞時(shí)，因檢修孔較深，使用的垂球線不可避免的有輕微擺動(dòng)；使用鋼尺量取垂直高差時(shí)，未加入鋼尺的垂曲改正、尺長(zhǎng)改正、兩端拉力改正等，傳遞高程肯定會(huì)存在一定系統(tǒng)誤差。因此，在今后類似工作中，改用激光(紅外)投點(diǎn)儀，加入各項(xiàng)改正，以消除客觀存在的各項(xiàng)系統(tǒng)誤差，對(duì)提高測(cè)量精度仍有余地。文獻(xiàn)[8]適當(dāng)提高測(cè)角、測(cè)距精度，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)密平差后，無(wú)定向?qū)Ь€精度能夠達(dá)到相當(dāng)于一級(jí)導(dǎo)線的精度要求，完全可以滿足一般土建工程設(shè)計(jì)和施工的需要。

總之，在當(dāng)前測(cè)繪技術(shù)日新月異的情況下，作為傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量和電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量，在空間極為有限的地下引水隧洞內(nèi)測(cè)量，仍然有著較為廣泛的適用性。