狹長河谷區域水電站施工測量控制網技術研究

鄭愛軍，蔡 瞳，王長生

(西藏開投金橋水電開發有限公司，西藏嘉黎852400)

0 引 言

西藏素有“萬山之巔，江河之源”之稱，全區水能資源理論蘊藏量10 MW及以上河流逾370條，獨特的自然地理環境造就了西藏豐富的水能資源。第3次西藏水力資源普(復)查結果顯示，西藏水能資源技術可開發量逾1.4億kW，占全國24.5%，超過四川居全國第一。但這些藏區水域河谷狹窄，落差很大，而中小型的水電站普遍以隧洞引水式電站進行開發。由于工程施工范圍為狹長區域，布設控制網需兼顧整個施工區，而狹長的測量控制網在施測時存在如邊長投影長度變形過大、網點布設困難、誤差傳遞路線較長、最弱點精度較差、點位精度難以控制等問題[1]。本文以西藏易貢藏布金橋水電站為例，對狹長區域施工測量控制網的設計優化及施測進行探討。

1 工程概況

金橋水電站所處的易貢藏布為雅魯藏布江二級支流，河流為西北、東南走向，河谷呈“U”形，測區兩側山頂與河床高差200～1 000 m，為典型的高山峽谷地貌。由于暖濕氣流及流域特殊地形的影響，流域兩側表層植被極其發育，多為灌木及竹林，測區通視及交通條件極差。按照金橋水電站工程等別，所要建立的平面控制網、高程控制網等級均為三等。

金橋水電站測區已有的控制點資料為中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司規劃階段建立的四等控制網成果，平面控制網坐標系統仍采用1954年北京坐標系，以此為施工測量控制網起始引測點，保證規劃設計階段的平面、高程系統與施工期相統一?？紤]到該電站的主要貫通銜接部位是引水隧洞，建筑物在3 400 m高程附近，為減少施工區域內投影長度變形而造成的貫通誤差影響，故將該控制網的所有邊長投影到3 400 m高程面，再進行平差計算。施工測量控制網的平面部分采用GPS靜態方式為主框架，并結合常規邊角網測量方式輔助完成，高程部分采用二等水準和三等三角高程相結合的方式進行施測[2]。

2 施工測量控制網技術

2.1 控制網點布設

根據金橋水電站的地形地貌及施工總平面布置圖，布設GPS平面控制網點重點考慮了施工過程對測量控制點的需求，控制網點布設的位置、密度及所構成的網形有足夠的幾何圖形強度，方便聯測、擴展，并兼顧GPS測量最基本要求，設在視場周圍15°以上沒有成片的障礙物，保證衛星的連續觀測及質量，對空通視條件良好，地基穩固，可有效避免和遠離強干擾源(電臺、高壓線、大面積水域等)的區域。既要考慮地基的牢固可靠，便于埋石和觀測，方便加密低等級點，同時也要兼顧各方向視線離開障礙物的距離不宜小于1.5 m。

經前期在地形圖上規劃設計，結合現場地下廠房、大壩和施工支洞所處位置的地形情況，在壩址區布設6點(SJ01～SJ06)；在施工支洞口布設3點(SJ07～SJ09)；在廠房樞紐區布設4點(SJ10～SJ13)；在生活區布設3點(SJ14～SJ16)，選出了1個由16個點組成的可對壩址區、施工支洞、廠區和生活區進行有效控制的施工測量控制網。在測量過程中，聯測了JQ01、JQ06及PL24和PL26作為檢查點和起算點。

結合平面控制點的分布，高程控制點布點原則以方便各項工程的高程聯測及檢驗為目的，顧及高程控制點的穩定性，盡量選擇在易長期保存且基礎堅固的地點建造，主要沿易貢藏布岸邊嘉忠公路布置，經現場勘選，選定10個水準基點。對部分平面控制點受山高、坡陡及觀測道路不暢等因素限制，采用三角高程代替二等水準進行高程聯測[3- 4]。

2.2 控制網的優化

在控制網點具有充分圖形結構的前提下，選擇最合適的觀測儀器和最佳的觀測方案，運用充分可靠且較經濟的觀測工作量，確保點位精度滿足規范要求，并具有充分的可靠性。

由于金橋水電站特殊的自然地貌構造(狹長多彎的“U”形峽谷)及其發電方式(引水式發電)，施工控制網要求必須布置足夠的控制點，保證隧道貫通的精確性。GPS測量觀測精度高，受外界條件影響小，數據采集、處理高度自動化，可避免人為因素造成的誤差，部分點之間不要求互相通視。而測區特殊的峽谷地形決定在某些施工區域沒有對空通視條件良好的合適點位，部分點接收衛星信號狀況不是很理想。但由于工程跨度較長，必須在每個施工區域布設控制點，以滿足施工要求。因此，本次布網采用GPS網為主體框架，常規邊角網作為輔助補充測量的方式，既補充了空點位，又可互相檢查驗證，進而增強整網的可靠性。GPS布網方式見圖1。圖中，PL24、PL26為平面引測點，JQ01、JQ06為檢查點。

圖1 GPS布網方式

2.3 控制網的施測

2.3.1 GPS網

GPS網中需有2個(或2個以上)已知平面控制點。金橋水電站GPS網聯測將前期勘測控制點的4個納入施工控制網中，作為起算點和檢查點。GPS網的圖形設計技術要求見表1。

GPS測量前，根據測區的地理位置及最新的衛星星歷，對該區域的衛星狀況進行星歷預報。在1個觀測段內，從每個測站同時觀測到的衛星數目中剔除觀測期內姿態不正常的衛星，選擇最佳的觀測時段，保證集合強度因子(PDOP)不小于6。GPS測量中天線架設適中，距地面1 m以上，在圓盤天線間隔120°的3個方向分別量取天線高度，3次測量之差不超過3 mm，天線高記錄取值0.001 m，在測前、測后分別量取，取平均值作為本觀測時段的天線高。

表1 GPS網的圖形設計技術要求

注：若GPS測量形式為符合路線時，其圖形設計總體可靠性應不小于0.2。

表3 水準測量主要觀測技術要求

2.3.2 平面控制網邊角網

(1)角度觀測。水平角采用TM30全站儀觀測，標稱精度0.5″。水平方向觀測在目標清晰穩定的條件下進行，起始方向選擇通視良好、目標清晰穩定、距離適中的方向，當方向數超過7個時，應進行水平方向觀測。打開儀器箱后，儀器溫度與外界溫度充分一致后方可開始觀測。觀測過程中，儀器水準氣泡中心偏移不超過一格，接近極限時，在測回之間重新整平儀器。棱鏡的選擇直接影響照準精度，本次控制測量的所有棱鏡均為全套原裝匈牙利進口的徠卡棱鏡，其圖形簡單，幾何中心軸明顯，可用雙絲或單絲照準，能有效提高測量精度。水平角觀測的限差見表2。水平角全圓方向觀測的具體操作步驟按相應的規范要求執行。TM30測量機器人采用自動目標照準進行電子讀數，各測回間的度盤配置沒有特殊要求。水平角全圓方向觀測使用TM30測量機器人系統自帶程序進行全自動記錄，自動計算和檢核觀測數據，并于作業當日打印輸出觀測結果。

表2 水平角觀測限差 (″)

注：當水平方向的豎角大于±3°時，2C互差按同一觀測時間段內各測回間比較。

(2)光電測距。采用TM30測量機器人，標稱精度Ms=0.6 mm+1 ppm×D。式中，D為測量距離。觀測時間盡量選擇在日出后0.5～1.5 h，下午日落前3～3.5 h，在山地溝谷地區選擇在下午日落前的時間；陰天有微風時進行全天觀測。作業開始前，儀器和外界溫度充分適應，并在整個觀測過程中避免陽光直射儀器，溫度計懸掛在距地面約1.5 m處，并通風良好。測距精度限差：測回中數間互差5 mm，往返觀測較差±2(0.6+1×D)mm。距離觀測數據同樣使用TM30測量機器人進行全自動記錄，設置好限差后，自動計算和檢核觀測數據，并于作業當日打印輸出觀測結果。

2.3.3 高程控制網

(1)水準測量。采用美國Trimble公司DIN103(NO.362210)高精度水準儀及附屬設備，并在作業前后對儀器的有關項目進行檢驗及校正，以保證儀器工作性能穩定，狀態良好。主要觀測技術要求見表3。

(2)光電測距三角高程測量的技術要求。部分控制點采用光電測距三角高程測量，按三等水準測量的精度進行高程傳遞，光電測距三角高程測量采用對向觀測，技術要求見表4。儀器、棱鏡和照準標志中心等至觀測墩面的高度采用鋼尺量取，每次分別量取墩面四周至儀器設備水平軸線的豎直距離，取其中數作為1次量取，觀測前后各量1次，取中數使用，讀至1.0 mm，2次讀數較差應不大于3.0 mm。

表4 光電測距三角高程測量技術要求

2.4 測量數據的處理

2.4.1 平面控制網

(1)常規邊角網數據的處理。方向觀測數據的檢驗包括測站平差、三角形閉合差的統計，計算角、邊際條件自由項等，檢驗方向觀測值中是否存在明顯的粗差。邊長觀測值改化項目及見計算公式見表5。改化后，邊長往返測不符值均在限差允許范圍內，符合精度要求，可用于平差處理。

(2)GPS基線向量解算。對原始數據進行編輯、加工整理，分流并產生各種專用數據信息文件，將各類型的數據記錄格式轉化為統一的標準Rinex格式，以同步觀測時段為單位，進行基線向量的解算。通過解算探測基線向量的周跳，經過修復確定整周模糊度；用基線質量控制指標RATIO、RMS、同步環閉合差、異步環閉合差、重復基線較差檢驗基線的質量，確定最合理的基線向量解。在以上處理的基礎上，將所有基線向量在WGS- 84坐標系下進行整體無約束平差，即平差時不引入使GPS網產生由非觀測量引起的變形，平差時不附帶起算數據。

表5 邊長觀測值改化

注：P為氣壓；T為溫度；C、K為全站儀加、乘常數；S為兩點間距離；S斜為經氣象、加乘常數改化后的傾斜距離；a為垂直角；R為地球平均曲率半徑；H測、H鏡分別為測站、鏡站高程；I為儀高；L為鏡高；k為折光系數。

(3)平差計算。外業觀測數據經過必要的檢查和驗算，做了預處理后，方可進行平差計算。GPS網的平差計算使用南方測繪GNSS數據處理與平差軟件，經平差后即可得到GPS網中各點的點位中誤差。從平差結果可以看出，各項技術指標均符合規范要求，其中最弱點為SJ02，點位中誤差為±3.5 mm，小于允許值±10.0 mm，滿足精度要求。而常規邊角網的平差計算擬使用清華山維平差軟件，按經典方法進行嚴密平差。金橋水電站控制測量中，在壩址區和廠房區分別對SJ01、SJ10及SJ13進行常規邊角網測量及平差處理，起算成果采用GPS平差處理結果。從常規邊角網平差結果可以看出，各項技術指標均符合規范要求，其中最弱點為SJ10，點位中誤差為1.9 mm，小于允許值±5.0 mm，滿足精度要求。

2.4.2 高程控制網

(1)主要有二等水準網和光電測距三角高程網2部分，三角高程網按三等水準精度要求施測。

表6 水準測量成果檢驗

注：L為線路總長；F為換線長度；R為檢測測段長度；n為水準路線單程測站數。

(3)平差計算。高程控制網的平差分二等水準網的平差和光電測距三角高程網的平差2部分。光電測距三角高程網的平差以水準網的平差成果為基礎，以SJ03、SJ06、SJ08、SJ11、SJ13、SJ14、SJ15的墩面高程(水準高程)作為已知點，進行整體嚴密平差。經清華山維智能網平差軟件計算發現，本次二等水準測量成果、三角高程平差點間中誤差滿足各項精度指標，成果可靠。

3 結 語

在狹長區域布設施工控制網，采用GPS網為主體框架，常規邊角網作為輔助補充測量的方式，既可保證控制網精度，又能達到經濟、快速、高效的效果。西藏地區河流基本位于河流的中上游，河流落差較大，依據施工測量長度變形的要求，選取具備代表性邊長投影高程面。施工控制網建成后，在加強使用階段維護管理的同時，特別是開挖工程基本結束，進入混凝土工程和機電安裝工程開始之時，應對控制網進行全面復測，以及時發現和改正可能發生的位移帶來的偏差。