引江濟(jì)淮工程（安徽段）控制網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

程啟明

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230022）

0 引 言

引江濟(jì)淮工程是以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展航運(yùn)為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境、防洪排澇等綜合利用，為跨流域、跨省的重大戰(zhàn)略性水資源配置工程。工程從長(zhǎng)江下游引水，經(jīng)巢湖穿越江淮分水嶺，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，不僅改善皖北地區(qū)水資源緊缺狀況，還改善巢湖水生態(tài)環(huán)境、增加淮河生態(tài)基流。工程自南向北依次分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大段落。

引江濟(jì)淮工程安徽省境內(nèi)輸水線路總長(zhǎng)587.4km，沿線控制性建筑物數(shù)量多、類型廣。輸水河道分批分段施工，施工單位多，建設(shè)周期長(zhǎng)。工程設(shè)計(jì)和施工階段，各參建單位共布設(shè)控制點(diǎn)約1500 余座。由于控制網(wǎng)來源于不同的建設(shè)單位、不同的儀器和方法、各局域網(wǎng)互不連通，導(dǎo)致控制點(diǎn)埋設(shè)不合理，基準(zhǔn)不統(tǒng)一，精度不一致?；谏鲜銮闆r，必須建立全線點(diǎn)位合理、基準(zhǔn)兼容、精度統(tǒng)一的測(cè)量控制網(wǎng)，為工程建設(shè)期施工、竣工期驗(yàn)收和運(yùn)行期監(jiān)測(cè)提供統(tǒng)一的控制測(cè)量基準(zhǔn)。此外,考慮到重要建筑物地區(qū)的投影變形要求, 為保證工程質(zhì)量提供可靠的平面系統(tǒng)。在儀器、觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理等方面, 充分利用先進(jìn)的現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)和手段,以期最終實(shí)現(xiàn)施工河段精準(zhǔn)貫通，竣工河道水勢(shì)流暢[1]。文章系統(tǒng)介紹了控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案、標(biāo)石埋設(shè)、外業(yè)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計(jì)等情況，可供類似大型水利水電工程以借鑒。

1 布網(wǎng)原則及方案設(shè)計(jì)

1.1 控制網(wǎng)布設(shè)原則

根據(jù)控制網(wǎng)的目的和用途，平面和高程控制網(wǎng)在全面控制、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、整體實(shí)施的原則下，按高精度、可靠性、可行性、經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)優(yōu)選最佳布網(wǎng)方案。采取整體布局、分區(qū)分級(jí)布設(shè)，以已有成果、測(cè)區(qū)地形、交通狀況、作業(yè)效率等因素綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)，既滿足工程不同時(shí)期建設(shè)需要，又經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程規(guī)模和線路長(zhǎng)度，為滿足輸水河道和沿線建筑物施工對(duì)控制點(diǎn)的密度和精度要求，同時(shí)考慮到工程竣工驗(yàn)收和運(yùn)行管理階段的測(cè)量需要，確定基本平面控制等級(jí)為D 級(jí)，首級(jí)高程控制等級(jí)為二等。根據(jù)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)等級(jí)和工作量，平面控制采用GNSS 測(cè)量，高程控制采用水準(zhǔn)測(cè)量的方案。由于工程輸水線路長(zhǎng)、控制面積大，沿線建筑物多，施工周期長(zhǎng)，為統(tǒng)一控制基準(zhǔn)和保證精度要求，經(jīng)充分論證，選擇以下設(shè)計(jì)方案。

1.2.1 平面控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

平面控制網(wǎng)分區(qū)布設(shè)?；揪W(wǎng)以國(guó)家B、C 級(jí)GPS 點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿工程輸水河道兩側(cè)均勻布設(shè)D 級(jí)GNSS 控制點(diǎn)，點(diǎn)間距為5km 左右。由于跨巢湖區(qū)域水面開闊，南北兩岸相距約10 ～20km，沿巢湖周邊采用C 級(jí)GNSS 控制點(diǎn)布設(shè)，以滿足控制網(wǎng)的精度要求。選取8 座樞紐及4 座重要建筑物，每處控制點(diǎn)增加至不少于4 個(gè)，平面精度按二等布設(shè)，對(duì)于長(zhǎng)度投影變形值超出2.5cm/km 的測(cè)區(qū)，其平面坐標(biāo)采用“一點(diǎn)一方向”掛靠于基本網(wǎng)的國(guó)家坐標(biāo)系下。

C、D 級(jí)GNSS 控制網(wǎng)采取連續(xù)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，同期同步觀測(cè)，整體數(shù)據(jù)處理。建筑物測(cè)區(qū)二等GNSS 控制網(wǎng)分片布網(wǎng)，分段觀測(cè)，分片數(shù)據(jù)處理。各等級(jí)GNSS 控制網(wǎng)的精度要求見表1。

表1 平面控制網(wǎng)精度要求

1.2.2 高程控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

高程控制網(wǎng)分級(jí)布設(shè)。首級(jí)高程控制以國(guó)家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用二等水準(zhǔn)網(wǎng)沿輸水河道單側(cè)布設(shè)，普通標(biāo)石間距為5km 左右，基本標(biāo)石間距為30km 左右（即每5 座普通標(biāo)石采用1 座基本標(biāo)石間隔）。加密高程控制網(wǎng)以首級(jí)二等水準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用三等水準(zhǔn)測(cè)量，聯(lián)測(cè)工程范圍內(nèi)所有平面控制點(diǎn)高程。二、三等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)精度要求見表2。

表2 高程控制網(wǎng)精度要求

2 控制網(wǎng)實(shí)施

2.1 平面控制網(wǎng)測(cè)量

2.1.1 標(biāo)石埋設(shè)

平面控制點(diǎn)位經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后， C 級(jí)GNSS 點(diǎn)采用混凝土預(yù)制基本標(biāo)石， D 級(jí)和二等GNSS點(diǎn)采用混凝土預(yù)制普通標(biāo)石?；緲?biāo)石柱體上表 面20cm×20cm、 下 表 面40cm×40cm、 柱 高55cm，普通標(biāo)石柱體上表面20cm×20cm、下表面40cm×40cm、柱高40cm。標(biāo)石埋設(shè)時(shí)，底部澆筑70cm×70cm 面積、20cm 厚的混凝土底盤。

2.1.2 觀測(cè)方案

GNSS 控制網(wǎng)使用2.5mm+1ppm·D 精度的雙頻GNSS 接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)組網(wǎng)觀測(cè)?？绯埠^(qū)域的C 級(jí)GNSS 網(wǎng)為增強(qiáng)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)、提高觀測(cè)精度和減小設(shè)站對(duì)中誤差，一次性采用15 臺(tái)接收機(jī)，同步觀測(cè)2 個(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)圴超過4h。D 級(jí)和二等GNSS 網(wǎng)，采用大地多邊形構(gòu)網(wǎng)，其中D 級(jí)網(wǎng)采用12~16 臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)1 個(gè)時(shí)段，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)超過1h；二等GNSS 網(wǎng)根據(jù)15 個(gè)獨(dú)立測(cè)區(qū)的點(diǎn)位數(shù)量，分別采用6~8 臺(tái)接收機(jī)一次性同步觀測(cè)2 個(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)超過1.5h[2-3]。

2.1.3 GNSS 基線處理

各等級(jí)GNSS 控制網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)按單基線雙差固定解進(jìn)行基線解算，解算結(jié)果對(duì)重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)分別按表3 要求進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核。

表3 GNSS 控制網(wǎng)同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線閉合差限差要求

上表中，n 為閉合環(huán)邊數(shù)，σ 為相應(yīng)等級(jí)的相鄰點(diǎn)間基線精度，以平均邊長(zhǎng)計(jì)算（下同）。

C 級(jí)網(wǎng)重復(fù)基線最大互差為6.7mm，同步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差為34.2mm，異步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差為40.5mm。D 級(jí)網(wǎng)蜀山泵站樞紐以南分區(qū)的重復(fù)基線最大互差為11.9mm，同步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差為36.5mm，異步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差為88.9mm；蜀山泵站樞紐以北分區(qū)的重復(fù)基線最大互差為11.0mm，同步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差為20.2mm，異步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差為31.9mm。GNSS 控制網(wǎng)基線三項(xiàng)檢核精度均滿足上述限差要求。

2.1.4 GNSS 網(wǎng)平差

GNSS 控制網(wǎng)先進(jìn)行三維無約束平差，再在國(guó)家坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差。無約束平差的基線分量改正數(shù)絕對(duì)值需滿足公式（1）的要求，約束平差的基線分量改正數(shù)與無約束平差結(jié)果的同一基線，相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值需滿足公式（2）的要求。

工程C、D 級(jí)網(wǎng)無約束平差后的三維坐標(biāo)分量改正數(shù)均小于1/3 限差。

本工程C 級(jí)網(wǎng)共聯(lián)測(cè)1 個(gè)B 級(jí)GPS 點(diǎn)和2 個(gè)C 級(jí)GPS 點(diǎn)，D 級(jí)網(wǎng)共聯(lián)測(cè)24 個(gè)C 級(jí)GPS 點(diǎn)。二維約束平差時(shí)，為了檢核聯(lián)測(cè)國(guó)家GPS 點(diǎn)位的精度，在最終平差方案確定前先采用不同的聯(lián)測(cè)點(diǎn)組合方案進(jìn)行試算，并將平差結(jié)果與已知成果進(jìn)行比較并分析，逐步剔除點(diǎn)位位移較大的已知聯(lián)測(cè)點(diǎn)，以獲得最佳的二維約束平差方案。經(jīng)平差后，C 級(jí)網(wǎng)最大點(diǎn)位中誤差為7.9mm，D 級(jí)網(wǎng)蜀山泵站樞紐以南分區(qū)最大點(diǎn)位中誤差為9.2mm，蜀山泵站樞紐以北分區(qū)最大點(diǎn)位中誤差為18.5mm。

工程樞紐及重要建筑物測(cè)區(qū)二等GNSS控制網(wǎng)，為滿足控制點(diǎn)間投影邊長(zhǎng)變形值不大于2.5cm/km的要求，經(jīng)計(jì)算兆河節(jié)制樞紐、鳳凰頸引江樞紐、龍德閘、朱集站測(cè)區(qū)的邊長(zhǎng)變形值大于此值?？刂凭W(wǎng)在國(guó)家坐標(biāo)系下平差后，以測(cè)區(qū)內(nèi)一點(diǎn)的坐標(biāo)為起算點(diǎn)，該點(diǎn)至另一點(diǎn)的方位角為起算方向，邊長(zhǎng)不進(jìn)行高斯投影改正（選擇一條起始邊，投影至測(cè)區(qū)中央子午線），選擇測(cè)區(qū)的平均高程面作為邊長(zhǎng)投影面，進(jìn)行掛靠國(guó)家坐標(biāo)系的計(jì)算[4-5]。

2.2 高程控制網(wǎng)測(cè)量

2.2.1 二等水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)

二等水準(zhǔn)點(diǎn)位經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用混凝土預(yù)制基本和普通兩種標(biāo)石。標(biāo)石為長(zhǎng)方體柱形，截面20cm×20cm、柱高120cm。標(biāo)石埋設(shè)時(shí)，上部嵌入預(yù)制窨井并加蓋標(biāo)志盤，基本標(biāo)石底部澆筑120cm×120cm 面積、20cm 厚的混凝土底盤，普通標(biāo)石底部澆筑60cm×60cm 面積、20cm 厚的混凝土底盤。

(1)屋蓋桁架在場(chǎng)館外進(jìn)行吊裝。該工程結(jié)構(gòu)新穎，其支撐設(shè)計(jì)、桁架安裝過程節(jié)點(diǎn)選擇、桿件應(yīng)力與應(yīng)變控制、主桁架高空拼裝和58 m超長(zhǎng)桁架吊裝技術(shù)，均需進(jìn)行嚴(yán)密的驗(yàn)算。

2.2.2 水準(zhǔn)觀測(cè)方案

二、三等水準(zhǔn)使用0.3mm 精度的數(shù)字水準(zhǔn)儀及其配套銦鋼條碼尺觀測(cè)。二等水準(zhǔn)線路在巢湖南岸的引江濟(jì)巢菜子湖線、西兆河線以及明渠段交匯處設(shè)置結(jié)點(diǎn)，向南沿菜子湖線和西兆河線各布設(shè)一條水準(zhǔn)線路，向北沿明渠至江淮溝通和江水北送段連通成水準(zhǔn)線路。

二等水準(zhǔn)采用單程往返觀測(cè)，由于線路經(jīng)過的淮河水面平均寬度超過350m，在此處采用三角高程跨河水準(zhǔn)測(cè)量，在跨河處兩岸建立A、B 和C、D 四個(gè)臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)，同岸之間的觀測(cè)點(diǎn)高差采用水準(zhǔn)觀測(cè)，不同岸之間的高差使用全站儀三角高程觀測(cè)。

三等水準(zhǔn)采用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)，兩組轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承放置距離≥0.5m，高差不超過10cm，依次觀測(cè)左、右路線。

2.2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算

水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，筆者基于VSTO 開發(fā)了水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理和計(jì)算。

每一測(cè)段完成后，處理系統(tǒng)需要人工干預(yù)填入準(zhǔn)確的起終點(diǎn)名、觀測(cè)日期、氣象元素，將儀器（天寶和徠卡水準(zhǔn)儀）記錄的文本文件轉(zhuǎn)換為包含往返測(cè)（或左右路線）的水準(zhǔn)觀測(cè)手簿Excel 文件。通過讀取水準(zhǔn)線路文件夾下的所有測(cè)段觀測(cè)手簿文件，根據(jù)所有測(cè)段點(diǎn)名自動(dòng)生成線路的測(cè)段小結(jié)，并計(jì)算往返測(cè)不符值及其限差。然后讀取線路的測(cè)段小結(jié)數(shù)據(jù)，形成外業(yè)高差和概略高程表。

外業(yè)高差和概略高程表引入所有水準(zhǔn)點(diǎn)大地坐標(biāo)和起終點(diǎn)高程后，進(jìn)行各項(xiàng)改正數(shù)處理。根據(jù)需要，處理系統(tǒng)可人工選取并納入相鄰線路的測(cè)段小結(jié)文件，進(jìn)行每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差的計(jì)算。

2.2.4 已知點(diǎn)穩(wěn)定性及兼容性分析

以二等或三等水準(zhǔn)往返觀測(cè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)間高差進(jìn)行檢測(cè)，已知水準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 已知水準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析，Ⅱ江左Ⅰ-110＇、Ⅱ江左Ⅰ-111(75)、Ⅱ江左Ⅰ-127＇(75)三點(diǎn)不穩(wěn)定，Ⅱ六合12 與Ⅱ六合13-1 兩點(diǎn)穩(wěn)定，Ⅰ信懷75 與Ⅰ信懷76 兩點(diǎn)穩(wěn)定，Ⅰ信懷77(06)點(diǎn)穩(wěn)定性較差，Ⅱ亳太8 與Ⅱ亳太11 兩點(diǎn)較為穩(wěn)定，Ⅱ亳太9 穩(wěn)定性較差。

將經(jīng)過改正后的水準(zhǔn)線路觀測(cè)高差與已知點(diǎn)按附合線路計(jì)算，高程系統(tǒng)兼容性分析結(jié)果見表5。

表5 已知水準(zhǔn)點(diǎn)高程系統(tǒng)兼容性分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，水準(zhǔn)點(diǎn)亳太5 與其他水準(zhǔn)點(diǎn)存在明顯的系統(tǒng)兼容差。信懷線與六合線水準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)吻合度較好，但是信懷線與阜蒙線、亳太線水準(zhǔn)點(diǎn)均存在系統(tǒng)兼容差且超過線路限差，故二等水準(zhǔn)網(wǎng)采用Ⅱ江左Ⅰ-128＇(75)、軍新22、六合13-1、六合12、阜蒙16 以及亳太11 作為起算點(diǎn)。

2.2.5 水準(zhǔn)測(cè)量精度評(píng)定

二等水準(zhǔn)測(cè)量194 個(gè)測(cè)段，往返測(cè)不符值最大為-7.54mm。不符值<1/3 限差的測(cè)段占總測(cè)段的79.4%，介于限差1/3~1/2 的測(cè)段占總測(cè)段18.0%，介于限差1/2~3/4 的測(cè)段占總測(cè)段的2.6%。每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差介于±0.52~±0.57mm，滿足規(guī)范±1mm 要求。

三等水準(zhǔn)測(cè)量382 個(gè)測(cè)段，左右路線不符值最大為12.2mm。不符值<1/3 限差的測(cè)段占總測(cè)段的95.5%，介于限差1/3~1/2 的測(cè)段占總測(cè)段0.5%。每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差介于±0.46~±0.63mm，滿足規(guī)范±3mm 要求。

2.2.6 水準(zhǔn)網(wǎng)平差

二等水準(zhǔn)網(wǎng)長(zhǎng)江西路以南有3 條附合線路，線路總長(zhǎng)362km，平差后單位權(quán)中誤差為1.6mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為11.7mm。長(zhǎng)江西路以北有2 條附合線路和1 個(gè)閉合環(huán)，線路總長(zhǎng)436km，平差后單位權(quán)中誤差為2.2mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為17.7mm。

三等水準(zhǔn)網(wǎng)長(zhǎng)江西路以南有41 條附合線路，線路總長(zhǎng)706km，平差后單位權(quán)中誤差為 3.2mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為13.3mm。長(zhǎng)江西路以北有50條附合線路，線路總長(zhǎng)約774km，平差后單位權(quán)中誤差為2.7mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為18.8mm。

3 結(jié) 語(yǔ)

引江濟(jì)淮工程惠及安慶、蕪湖、合肥、六安、淮南、阜陽(yáng)和亳州7 個(gè)市，工程等級(jí)高，路線復(fù)雜，建筑物多，工程量大。安徽段控制網(wǎng)通過合理的技術(shù)方案設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、規(guī)范的作業(yè)程序以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制，無論是平面還是高程網(wǎng)，在觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量合格前提下，通過聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)的比選，合理確立平差模型，從而獲得質(zhì)量?jī)?yōu)、精度高的結(jié)果數(shù)據(jù)。工程布設(shè)的平面和高程控制網(wǎng)，為工程建設(shè)、竣工驗(yàn)收和運(yùn)行管理提供了基準(zhǔn)統(tǒng)一的平面和高程成果，同時(shí)也為大型水利水電工程高等級(jí)控制網(wǎng)的建立積累了經(jīng)驗(yàn)。