珠江三角洲水資源配置工程三等平高控制網(wǎng)建立與復(fù)測

宋高偉，劉良福，劉劍波

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程是國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的《珠江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》和全國172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程項(xiàng)目之一[4]；是世界上流量最大的長距離有壓管道調(diào)水工程。工程由1條干線、2條分干線、1條支線、3座泵站和1個新建調(diào)蓄水庫組成，全長113.1km，其中干線長90.3km，深圳分干線11.9km，東莞分干線3.5km，南沙支線7.4km。工程建成后，將實(shí)現(xiàn)從西江向珠三角東部引水，解決廣州、東莞、深圳等地生活生產(chǎn)缺水問題，并將為香港特別行政區(qū)、廣州番禺、佛山順德等地提供應(yīng)急備用水源，還將逐步實(shí)現(xiàn)西江東江水源互補(bǔ)、豐枯調(diào)劑，退還東江流域及沿線城市生態(tài)用水，為粵港澳大灣區(qū)發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐，全面推動綠色發(fā)展建設(shè)美麗中國。

作為項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)及施工建設(shè)的基準(zhǔn)依據(jù)，測量控制網(wǎng)的建立在工程勘測設(shè)計(jì)施工中的重要性是不言而喻的。本工程測區(qū)范圍位于東經(jīng)113°00′～113°40′，北緯22°38′～22°53′，西起佛山市順德九江鎮(zhèn)，東至深圳市光明新區(qū)公明水庫，東西跨度超過100km，南北跨度近20km。工程范圍如圖1所示。測區(qū)為珠江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，城鎮(zhèn)眾多，水系縱橫交錯，西部和中部地勢多為平原丘陵，東部地勢局部為山地，測區(qū)交通發(fā)達(dá)、生活較為便利。但由于河網(wǎng)分割造成交通迂回路程遠(yuǎn)，導(dǎo)致測量通視和交通行車時(shí)間增加，增加了控制網(wǎng)測量作業(yè)的難度。

2 控制網(wǎng)建立

2017年初，根據(jù)規(guī)范及任務(wù)要求，為珠江三角洲水資源配置工程建立全線統(tǒng)一的三等平高控制網(wǎng)，作為工程后續(xù)各階段的測量基準(zhǔn)網(wǎng)。

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)

2.1.1平面控制網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)規(guī)范要求及工程施工需求，全測區(qū)共布設(shè)了三等GNSS控制級點(diǎn)77個。以覆蓋測區(qū)范圍的5個國家C級GNSS點(diǎn)“牛頸根”“古朗學(xué)?！薄蔼?dú)崗山”“高田山”“市橋綜合廠”作為平面控制起算點(diǎn)。

2.1.2高程控制網(wǎng)布設(shè)

測區(qū)內(nèi)沿輸水線路中線布設(shè)了1條三等水準(zhǔn)線路，聯(lián)測部分三等GNSS控制點(diǎn)和全部三等水準(zhǔn)點(diǎn)，共埋設(shè)了35個三等水準(zhǔn)點(diǎn)。利用測區(qū)附近的國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)“Ⅰ廉穗86”和二等水準(zhǔn)點(diǎn)“Ⅱ松新9基上”作為測區(qū)三等高程測量起算點(diǎn)。

2.2 三等平面控制網(wǎng)測量

2.2.1觀測

三等平面控制網(wǎng)采用GNSS靜態(tài)測量方法施測。使用了6臺GNSS接收機(jī)采用邊連式或網(wǎng)連式進(jìn)行同步觀測記錄。

圖1 珠江三角洲水資源配置工程范圍示意圖

2.2.2平差計(jì)算

GPS網(wǎng)的平差和基線解算為GPS測量數(shù)據(jù)處理的主要部分，且只有在數(shù)據(jù)處理后方可體現(xiàn)整個網(wǎng)的測量精度和數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量[5]。采用HGO數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行GNSS靜態(tài)網(wǎng)平差計(jì)算。平差流程為：基線解算—三維無約束平差—二維約束平差。

基線解算時(shí)，對部分不滿足精度要求基線通過截取時(shí)間段、剔除不健康的衛(wèi)星、手工選取參考站等方法進(jìn)行基線處理?；€解算完成后，進(jìn)行三等GNSS網(wǎng)平差。所有點(diǎn)均納入GNSS網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，平差過程由軟件自動計(jì)算。本三等GNSS控制網(wǎng)的網(wǎng)平差點(diǎn)位中誤差最大值為9.3mm，遠(yuǎn)小于限差±50mm；最弱邊邊長相對長誤差為1∶214716，遠(yuǎn)小于限差1∶80000。說明該三等GNSS控制網(wǎng)平差精度優(yōu)?；€解算精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 三等GNSS控制網(wǎng)基線解算精度統(tǒng)計(jì)表

2.2.3成果檢核與分析

為保證控制網(wǎng)平差計(jì)算成果的可靠性，本項(xiàng)目在使用主算軟件進(jìn)行平差計(jì)算的基礎(chǔ)上，還選用了校核軟件進(jìn)行檢核計(jì)算。

選用的核算軟件為CGO數(shù)據(jù)處理軟件包。使用該軟件進(jìn)行解算，解算方法和要求與主算軟件HGO一致。CGO解算網(wǎng)平差點(diǎn)位中誤差為11.2mm，最弱邊邊長相對中誤差為1∶194582，均滿足規(guī)范要求。

將CGO平差后的三等平面控制點(diǎn)坐標(biāo)與HGO平差計(jì)算的坐標(biāo)進(jìn)行一一對比，點(diǎn)位互差最大為0.008m；主算軟件HGO平差結(jié)果與核算軟件CGO平差結(jié)果基本一致，說明三等平面控制網(wǎng)的成果準(zhǔn)確可靠，符合規(guī)范要求。最終成果采用主算軟件HGO平差計(jì)算結(jié)果。

2.3 三等高程控制網(wǎng)測量

2.3.1觀測方案

珠江三角洲水資源配置工程三等高程控制網(wǎng)采用三等水準(zhǔn)測量進(jìn)行，其中線路跨越珠江出?？谏碁乘兰蔼{子洋處采用GPS水準(zhǔn)測量法進(jìn)行測量。

三等水準(zhǔn)主線為附合線路，采用電子水準(zhǔn)儀觀測；按照“后-前-前-后”中絲法進(jìn)行往返觀測，雙站到點(diǎn)。各項(xiàng)觀測限差電子水準(zhǔn)儀自動控制，超限無法觀測，需調(diào)整后重新測量。

分別在沙灣水道和獅子洋兩岸選擇合適跨河GPS水準(zhǔn)點(diǎn)位置，并根據(jù)兩岸陸地地形布置合適的非跨河GPS水準(zhǔn)點(diǎn)位置。

2.3.2平差計(jì)算

三等水準(zhǔn)平差計(jì)算進(jìn)行正常水平面不平行改正和尺長改正計(jì)算，不平行改正最大值為0.05mm，尺長改正最大值為3.45mm。進(jìn)行各項(xiàng)改正后采用科傻地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。本項(xiàng)目三等水準(zhǔn)線路閉合差為-0.0589m，限差為±0.1671m。閉合差遠(yuǎn)小于1/2限差要求，說明三等水準(zhǔn)測量成果精確可靠。

2.3.3成果檢核與分析

為了驗(yàn)證三等高程控制網(wǎng)成果的可靠性，采用三角高程測量對水準(zhǔn)線路中的關(guān)鍵高差(跨河高差)進(jìn)行了檢核，采用核算軟件對全網(wǎng)進(jìn)行了校核平差。三角高程測量高差與GPS跨河水準(zhǔn)測量高差對比見表2。通過表2可知，三角高程測量高差與GPS跨河水準(zhǔn)測量高差差值滿足限差要求，說明GPS跨河水準(zhǔn)測量成果可靠。

本項(xiàng)目選用水準(zhǔn)平差校核軟件為清華山維測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)。使用該軟件對三等水準(zhǔn)進(jìn)行平差計(jì)算，計(jì)算方法和要求與主算軟件一致，將核算軟件平差結(jié)果與主算軟件平差結(jié)果進(jìn)行一一對比，線路閉合差以及各測點(diǎn)結(jié)果100%一致。由此證明，主算軟件平差結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

3 控制網(wǎng)復(fù)測

3.1 復(fù)測實(shí)施及成果計(jì)算

2017年10月底，珠江三角洲水資源配置工程試驗(yàn)段開工建設(shè)；2019年5月，工程全面開工建設(shè)。2021年3月，受業(yè)主單位委托開展三等平高控制網(wǎng)的復(fù)測，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改正控制網(wǎng)點(diǎn)可能發(fā)生的位移。

3.1.1控制點(diǎn)普查

由于本工程三等平高控制網(wǎng)建立于2017年，距本次復(fù)測已有4年之久，故復(fù)測開始前對全部三等平高控制點(diǎn)進(jìn)行了普查，對破壞的控制點(diǎn)進(jìn)行恢復(fù)。經(jīng)現(xiàn)場普查，總共81個三等GNSS平面控制點(diǎn)中75個保存完好，完好率91.5%；總共35個三等水準(zhǔn)點(diǎn)中30個保存完好，完好率85.7%。對于地處經(jīng)濟(jì)開發(fā)建設(shè)發(fā)達(dá)的珠三角地區(qū)，控制點(diǎn)保存完好比例接近90%，說明該控制網(wǎng)的點(diǎn)位選擇是合理可靠的。

3.1.2觀測

復(fù)測的技術(shù)要求和測量方法與控制網(wǎng)建立是完全一致，即GNSS三等控制網(wǎng)測量和三等水準(zhǔn)網(wǎng)測量。

3.1.3平差計(jì)算

三等平面控制網(wǎng)(GNSS靜態(tài)測量)基線解算精度統(tǒng)計(jì)見表3。網(wǎng)平差點(diǎn)位中誤差最大值為7.7mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范限差±50mm；最弱邊邊長相對中誤差為1∶162671，遠(yuǎn)小于規(guī)范限差1∶80000。說明復(fù)測階段三等GNSS控制網(wǎng)平差精度優(yōu)。

復(fù)測階段三等水準(zhǔn)測量線路閉合差為0.0025m，閉合差限差為±0.1588m。閉合差遠(yuǎn)小于1/3限差要求，說明三等水準(zhǔn)測量成果精度優(yōu)。

3.2 成果對比與分析

通過控制網(wǎng)復(fù)測及對測量成果對比分析，以復(fù)核、驗(yàn)證控制網(wǎng)測量成果的精度和質(zhì)量，評價(jià)控制點(diǎn)的點(diǎn)位穩(wěn)定性[6]。

3.2.1平面控制網(wǎng)復(fù)測成果對比

將2021年復(fù)測的三等GNSS平面控制點(diǎn)成果與2017年建立階段成果進(jìn)行對比(新埋設(shè)點(diǎn)除外)，復(fù)測成果與建立成果縱坐標(biāo)較差最大值為-0.045m，橫坐標(biāo)較差最大值為0.033m；所有點(diǎn)復(fù)測成果與建立成果差值全部小于0.05m；64.3%的點(diǎn)位差值小于0.03m。說明珠三角三等GNSS平面控制網(wǎng)整體穩(wěn)定，取2021年復(fù)測成果作為后續(xù)使用成果。

3.2.2高程控制網(wǎng)復(fù)測成果對比

將2021年復(fù)測的三等高程控制點(diǎn)(三等水準(zhǔn)點(diǎn)和聯(lián)測GNSS點(diǎn))成果與2017年建立階段成果進(jìn)行對比(新埋設(shè)點(diǎn)除外)：總共47個高程點(diǎn)對比，18個點(diǎn)上升，29個點(diǎn)下沉，37個點(diǎn)的高程變化量在±0.02m以內(nèi)，占比78.7%，說明三等控制點(diǎn)整體保持穩(wěn)定，大部分以輕微下沉為主。其中“GNSS703、GNSS711、雞洲水閘基1、番水48號、HB06、HB05、GNSS742、GNSS756”8個點(diǎn)高程變化出現(xiàn)異常，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，變化原因分析如下：

(1)“GNSS703”位于河堤臺階角水泥面上，此次復(fù)測發(fā)現(xiàn)，此臺階角已經(jīng)出現(xiàn)較大裂縫和傾斜，故復(fù)測高程下沉達(dá)6cm。

(2)“GNSS711、GNSS742、GNSS756”3個GNSS點(diǎn)，均埋設(shè)于2017年新修公路的人行道地面，均屬于松軟填筑地面，故出現(xiàn)較大高程變化屬正常情況。

表2 三角高差與GPS跨河水準(zhǔn)高差對比表

表3 三等GNSS控制網(wǎng)復(fù)測基線解算精度統(tǒng)計(jì)表

(3)“雞洲水閘基1、番水48號”2個點(diǎn)均處于水閘綠地內(nèi)，回填土質(zhì)較為松軟、穩(wěn)定性較差。

(4)“HB06、HB05”2個點(diǎn)位于海鷗島西側(cè)河堤、南沙大橋橋底附近，自2017年至今受南沙大橋建設(shè)影響較大、下沉量較大。

4 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

4.1 長距離線狀靜態(tài)控制網(wǎng)布設(shè)

4.1.1難點(diǎn)分析

帶狀工程GPS控制網(wǎng)其布設(shè)及解算都存在一定的困難，測繪作業(yè)需結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和測繪理論體系；用合理的處理方式來優(yōu)化此類工程控制網(wǎng)[7]。珠江三角洲水資源配置工程為長距離輸水工程，工程施工建設(shè)主要以地下盾構(gòu)管道為主，線路施工范圍寬度僅數(shù)十米，管道全長超過100km。若按常規(guī)方法，沿施工線路布置靜態(tài)測量控制網(wǎng)，會導(dǎo)致網(wǎng)形結(jié)構(gòu)弱，平差計(jì)算時(shí)超長基線多，平差計(jì)算困難等。

4.1.2解決方案及效果

面對這一技術(shù)難題，在本三等平面控制網(wǎng)建立時(shí)，創(chuàng)新采用外擴(kuò)式布置方案，將輸水線路中線向南北各外擴(kuò)3km左右，形成寬度約6km的帶狀布控范圍，除沿線路中線布置主控點(diǎn)外，在線路北側(cè)平行線和南側(cè)平行線范圍內(nèi)均勻布置輔助控制點(diǎn)，布置范圍如圖3所示。

通過外擴(kuò)控制網(wǎng)范圍，雖然增加了平面控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)，但極大的增加了整個平面控制網(wǎng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少了平差計(jì)算時(shí)超長基線出現(xiàn)的幾率，大大提高了整個平面控制網(wǎng)的精度。

4.2 長距離跨河水準(zhǔn)測量

4.2.1難點(diǎn)分析

珠江三角洲水資源配置工程的輸水線路穿越珠江口的沙灣水道和獅子洋，其中沙灣水道的跨越水域長度約1.6km、獅子洋跨越水域長度約2.3km，總跨度超過6km。若采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量方法，根本無路線可通行；若采用三角高程測量，跨越距離超過規(guī)范要求，無法滿足三等高程精度；若采用兩岸分別布設(shè)水準(zhǔn)測量，則存在整個工程的高程基準(zhǔn)不統(tǒng)一的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2解決方案及效果

面對沙灣水道和獅子洋連續(xù)的長距離跨河高程傳遞難題，本三等高程控制網(wǎng)采用GPS水準(zhǔn)測量法來解決。根據(jù)現(xiàn)場地形分布，巧妙結(jié)合海鷗島陸地地形，將跨沙灣水道和獅子洋分開兩段跨河水準(zhǔn)布設(shè)。GPS測量法跨河水準(zhǔn)測量的原理是，通過GPS方法和幾何水準(zhǔn)方法結(jié)合，測量出跨河兩岸的高程異常變化率，取平均值作為跨河段的高程異常變化，最后計(jì)算出跨河段的高差[8]。限于篇幅，本文僅以2021年復(fù)測中跨獅子洋段為例，介紹跨河水準(zhǔn)測量在本工程中的應(yīng)用。

全部跨河點(diǎn)和非跨河點(diǎn)采用GPS靜態(tài)測量同步觀測，靜態(tài)數(shù)據(jù)處理包括基線解算和網(wǎng)平差計(jì)算兩個步驟，基線按規(guī)范要求進(jìn)行解算；網(wǎng)平差以某一跨河點(diǎn)的三維地心坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行無約束平差。平差后按規(guī)范計(jì)算跨河高程異常變化率，見表4。

表4 跨獅子洋段高程異常變化率計(jì)算表

如果要想利用GPS測得大地高通過高程異常值直接換算為正常高而使用，那么所獲取的高程異常值的準(zhǔn)確程度是非常重要的[9]。由表4計(jì)算高程異常變化率的較差，與限差進(jìn)行比較，同岸變化量較差和不同岸較差最大值均小于1/2限差，說明跨河水準(zhǔn)測量結(jié)果精度優(yōu)。詳見表5。

圖3 平面控制網(wǎng)范圍示意圖

表5 跨獅子洋段高程異常變化率差值精度統(tǒng)計(jì)表 單位：m/km

根據(jù)計(jì)算的平均高程異常變化率和跨河點(diǎn)之間的平距，計(jì)算出跨河點(diǎn)之間的正常高差?？绐{子洋段BM30-E1正常高差ΔH=-0.40939m。

為驗(yàn)證GPS水準(zhǔn)測量法計(jì)算跨河高差的可靠性，本項(xiàng)目高程控制網(wǎng)還采用了三角高程測量對跨河高差進(jìn)行了檢核。采用高精度測量全站儀分別在兩岸跨河點(diǎn)設(shè)站，往返測量兩岸跨河點(diǎn)之間的高差。并與三角高差與GPS水準(zhǔn)測量法計(jì)算高差進(jìn)行對比分析，差值遠(yuǎn)小于1/3限差要求，說明GPS跨河水準(zhǔn)測量成果精度可靠，符合規(guī)范要求。見表6。

表6 三角高差與GPS跨河水準(zhǔn)高差對比表

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

珠江三角洲水資源配置工程輸水距離長、工程規(guī)模大、施工標(biāo)段數(shù)量多，測量控制網(wǎng)的建立技術(shù)難度大、精度要求高，通過精心設(shè)計(jì)和規(guī)范實(shí)施，建立了滿足工程勘測設(shè)計(jì)及施工要求的高精度三等平高控制網(wǎng)。

該三等平高控制網(wǎng)的建立及復(fù)測階段各項(xiàng)數(shù)據(jù)平差結(jié)果精度均遠(yuǎn)小于規(guī)范限差要求，平高控制點(diǎn)成果精度高；經(jīng)過長時(shí)間的使用及驗(yàn)證，整個控制網(wǎng)點(diǎn)位保存完好率高、控制點(diǎn)成果位移變化小，說明該三等平高控制網(wǎng)布設(shè)合理，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強(qiáng)；該三等平高控制網(wǎng)的布設(shè)及測量過程中均采用了關(guān)鍵技術(shù)解決技術(shù)難題，特別是GPS水準(zhǔn)測量法在長距離跨河高程傳遞中的多次成功應(yīng)用，可為類似水利水電工程項(xiàng)目提供參考和借鑒。

5.2 建議

(1)該三等平高控制網(wǎng)是珠江三角洲水資源配置工程進(jìn)行施工建設(shè)測量的基準(zhǔn)依據(jù)，建議業(yè)主及各使用單位加強(qiáng)對控制網(wǎng)點(diǎn)的保護(hù)工作，確?？刂凭W(wǎng)點(diǎn)的長期穩(wěn)定。

(2)采用GPS水準(zhǔn)測量法進(jìn)行長距離跨河/海高程傳遞時(shí)，建議全部選擇同一型號測量儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采取統(tǒng)一的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬x器高量取方法，減少因儀器天線高改正誤差導(dǎo)致的高差計(jì)算誤差；GPS跨河水準(zhǔn)測量選擇地方盡量平坦，跨河兩端高差裱花應(yīng)小于130m/km[10]。

(3)針對施工建設(shè)周期較長的大型水利水電工程項(xiàng)目，統(tǒng)一的首級平高控制網(wǎng)建議進(jìn)行定期復(fù)測，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改正可能發(fā)生的控制網(wǎng)點(diǎn)位移，以保障工程施工建設(shè)的精準(zhǔn)性。