哈密抽水蓄能電站施工測量控制網設計

鹿恩鋒,蘭世雄,尹業彪

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

近年來,中國迎來了抽水蓄能電站建設高潮。抽水蓄能電站選址一般在高山低谷大落差的復雜山區,工程樞紐區范圍大,上、下庫通視條件差,建立高精度施工測量控制網,在控制網選點、觀測方案設計、數據處理等方面存在許多技術難題,若處理方法不當,則會造成成本增高、工期拖延、精度指標超限,成果無法滿足電站施工建設要求。

國內測繪技術人員為此做了許多研究和探索,從常規邊角網與GNSS結合布網,到三維混合網平差,將常規邊角測量、GNSS測量、水準測量相混合,以三維數據處理方式提高成果的可靠性和精度,獲得了有益的成效。但因涉及多種不同類型觀測值的聯合平差,過程較復雜。在哈密抽水蓄能電站施工測量控制網設計中,本文根據以往大量水電工程施工測量控制網建網經驗,結合近年相關新技術,提出一套精度優良、實施簡便、經濟合理的設計方案,并經后期實施驗證,為抽水蓄能電站施工測量控制網設計提供借鑒。

1 工程概況

哈密抽水蓄能電站位于新疆哈密市東北約54 km的天山鄉境內,距哈密市約66 km。電站對外交通相對較便利。本工程等別為Ⅰ等大(1)型工程。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成。上水庫位于三道溝左岸山頂東側凹地內,為一良好的天然庫盆。上水庫正常蓄水位2 247.00 m,最大壩高49 m,調節庫容700萬m3。下水庫利用三道溝河道筑壩形成水庫,水庫正常蓄水位1 761.00 m,設攔河壩和攔沙壩各一座,在攔河壩與攔沙壩間形成獨立下水庫,攔河壩最大壩高81 m,攔沙壩最大壩高42.5 m。下水庫調節庫容723萬m3。輸水及廠房系統位于三道溝左岸山體中,輸水系統水平總長度2 849.2 m,電站額定水頭474 m,距高比為6.0,電站裝機容量1 200 MW,施工總工期78個月。

工程區為西部戈壁干旱山區,地表裸露,視野較開闊。下庫區河谷寬闊,基本對稱呈“V”型。左岸階地后緣岸坡高陡,右岸邊坡低緩且存在幾處槽狀洼地。上水庫庫盆呈不規則的圓形,直徑500～700 m,四周山體較雄厚,邊坡較緩,庫內大部分地段基巖裸露,巖體較完整,地基穩定性好。上、下庫之間有400多米的高落差陡坡,已修建上山人行勘測道路。

2 設計思路

主要參照DLT 5173-2012《水電水利工程施工測量規范》[1]進行設計,施工控制網等級為平面二等、高程二等。平面、高程控制點中誤差均不大于±7.0 mm。該施工網控制范圍廣,地形落差大,要求等級高,為滿足高精度施工控制網的測量要求,擬采用以下設計思路:

(1) 根據施工控制網測量要求,結合工程區的地形特點、施工總布置圖等進行控制網點位的布設,點位控制范圍要覆蓋全部施工區域。布點時,盡量避開開挖區,要考慮控制網形條件、觀測方案選擇、成果精度指標等相關要求;平面控制點建造帶強制對中盤的觀測墩,高程控制點埋設混凝土標墩,規格依規范。

(2) 平面控制網采用GNSS觀測[2],結合全站儀高精度邊長觀測,高程控制網采用二等水準測量[3],連通上、下庫樞紐區高程測量;部分不便連測水準高程的平面觀測墩采用三等三角高程測量。

(3) 起算點的引測選擇上、下庫區前期勘測設計階段建立的保存完好的四等控制點作為已知點進行施工控制網坐標及高程引測,已知點應經檢驗穩定可靠。

(4) 在GNSS控制網的數據處理中,基線解算采用的GAMIT軟件[4],配合IGS站發布的快速星歷進行嚴密解算,網平差采用CosaGPS軟件[5],并建立獨立參考橢球[6]。

(5) 將全站儀高精度觀測邊長與GNSS平差后的反算邊長相比較,檢驗GNSS網的成果精度[7];采用三等三角高程的高差,檢驗二等水準支線測量是否有粗差,確保水準成果的可靠性。

3 控制網布點

工程區已有參考資料有1∶1000地形圖、施工總布置圖等,特別是已有最新的7 cm分辨率測繪三維實景模型,其情景逼真、具有三維量測性。疊加CAD工程總布置圖后,可在室內計算機顯示的實景模型上進行選點規劃。

由于地表植被稀少,視野開闊,采用三維實景模型布點和規劃,能直觀了解擬選點位的周圍地形地貌和道路交通條件,以及與其他點位的通視情況、網形結構,可量測出擬選點位較準確的坐標及高程、與鄰近點邊長、夾角,也可較準確估算出建點材料運輸距離、觀測便道走向及土建工程量;水準路線長度及測站數、GNSS同步觀測組數、三角高程對向觀測數量等觀測工作量等。三維實景模型中可方便獲取量測數據及信息,有利于提高施工控制網布點效率、精度估算準確性和設計方案的可行性。

控制網點位選址要地基穩固、可長久保存,能控制施工關鍵部位,兼顧建造經濟合理性和使用方便性,盡量避開工程開挖區域。上、下庫樞紐區控制網形盡量兼顧常規邊角網網形,以便觀測條件不利時,可采用常規高精度邊角網測量方案作為補充。

經比選,上庫盆周圍布設5個平面控制點;上、下庫連接路沿線布置6個平面控制點;下庫及施工場地、營地等部位布置13個平面控制點,總共24點。見圖1所示。

圖1 平面控制網

在平面控制網布點后,進行高程控制網點布設。選擇上、下庫區工程影響區之外基巖出露的地方,分別布設一組(3個)水準基點,作為上、下庫樞紐區的高程基準點,二等水準路線如圖2所示。

圖2 二等水準路線

由圖2可知,下庫區沿河道兩岸含施工區、營地,連測10個平面觀測墩下水準點、8個普通水準點,形成18個點的二等水準環線;上、下庫區高程連測采用二等水準支線測量,沿唯一勘測便道,貫穿上、下庫連接路附近6個平面觀測墩下水準點和1個普通水準點,至上庫水準基點(組);上庫區高程控制采用二等水準支線連測庫周3個平面觀測墩下水準點。

二等水準網共包含31個水準點(含12個獨立水準點),個別水準觀測道路不通的平面控制點,采用三等三角高程進行高程連測。三角高程網如圖3所示。

圖3 三角高程網(含部分水準測段高差復核)

4 觀測方案

GNSS觀測采用8臺Hiper V雙頻接收機,標稱精度為±(3 mm+0.5 ppm),按二等GNSS平面網要求進行觀測,觀測時段數不少于2,每段觀測時長120 min,數據采樣間隔15 s,衛星高度截止角大于15°,PDOP值小于5,有效衛星數大于5[1]。GNSS觀測包括24個施工控制網點和4個前期四等控制點(引測)。

水準外業觀測采用天寶DiNi03數字水準儀,標稱精度為±0.3 mm/km,按照二等水準測量要求進行觀測。上、下庫連接段為重要水準支線,往、返觀測值檢驗合格后,加測單程復測水準,對水準支線進行校驗,以增強水準觀測數據可靠性。水準觀測路線總長度約36 km。

高精度邊長測量和三等三角高程測量采用徠卡TM50全站儀,標稱精度為方向中誤差±0.5″,測距中誤差±(0.6 mm+1 ppm)。高精度邊長測量按照二等邊長測量要求觀測,與三角高程測量同步進行,共觀測30條邊長。三等三角高程共觀測28組對邊高差(5個待定點),上、下庫分別組成三角高程網。

5 數據處理方案

(1) 二等水準觀測數據處理

測段高差加入尺長改正、溫度改正、正常水準面不平行改正;測段往返不符值檢驗、環線閉合差檢驗、每公里水準測量的高差偶然中誤差計算等;觀測數據驗算合格后,方可平差計算;水準網平差,起算數據由原勘測設計階段四等控制點引測得到,使用清華山維NASEW平差軟件進行嚴密平差。

(2) 三角高程測量數據處理

觀測邊長進行氣象改正、加乘常數改正;高差計算中加入球氣差改正;進行對向觀測高差較差檢驗、環線閉合差檢驗;觀測數據驗算合格后,再進行三角高程網平差,平差起算數據為本次二等水準測量平差成果,按三等高程網精度,使用清華山維NASEW平差軟件進行嚴密平差。采用三角高程平差的高差成果,與二等水準支線組成閉合環,檢驗二等水準支線測量是否有粗差,保證二等水準支線成果的可靠性。

(3) 二等邊長觀測數據處理

邊長觀測值在進行氣象改正、加乘常數改正后,采用水準高差(或三角高差)進行邊長化平計算,并投影到選定的上、下庫平均高程面上。

(4) GNSS觀測數據處理

1) 基線解算使用GAMIT軟件[8-9],配合IGS站發布的快速星歷,以L1,L2_INDENDENT為解算策略,衛星高度截止角為15°,采用雙頻組合模式[10],以薩斯莫坦寧模型處理對流層延遲。對各基線組成的同、異步環和重復基線按固定誤差5 mm、比例誤差1 ppm對應限差進行檢核。

2) 采用多點平移轉換法建立獨立橢球[11],以2000國家大地坐標系參考橢球為起算參考橢球,根據各控制點水準高程和GNSS觀測的大地高計算出各點高程差異值,再以多點平移法確定適用于本施工控制網的獨立參考橢球原點,獨立參考橢球大地原點在空間直角坐標系下平移量計算公式如下:

3) 平差使用CosaGPS軟件[8-9,12],在獨立參考橢球中,以測區中央經度為中央子午線[13],經自由網平差各項指標合格后,在設計投影高程面對整網進行“一點一方向”約束平差(采用平移后HS17新大地坐標起算);再以引測數據HS17平面坐標及HS17至HS05引測方位作為參照,將平差成果轉換到本工程規劃設計階段坐標系中。

6 精度估算

二等水準網和三角高程網精度估算使用清華山維NASEW平差軟件,二等GNSS控制網精度估算使用CosaGPS軟件。按上述布點網形和觀測方案進行施工控制網精度估算,結果如下:

(1) 二等水準網,31個水準點,66個測段,路線長度約36 km,按路線長度定權,估算的最弱點高程中誤差為±3.5 mm。

(2) 上庫區三角高程網,觀測10個對向高差,已知點3個,未知點2個,按三等水準精度估算,最弱點高程中誤差為±2.5 mm;下庫區三角高程網,觀測18個對向高差,已知點6個,未知點3個,以邊長定權,按三等水準精度估算,最弱點高程中誤差為±4.2 mm。

(3) 二等GNSS控制網,總數24點,基線向量97條,先驗精度按規范要求輸入固定誤差5 mm、比例誤差1 ppm,固定一點、一方位平差,全網最弱點為HS16,點位中誤差達到±3.2 mm,最弱邊長(HS03～HS04點)相對中誤差為1/21.4萬。滿足二等平面控制網的精度要求。

7 建網實施驗證

按上述設計方案,哈密抽水蓄能電站施工控制網建網工作歷時3個多月圓滿完成。由于控制網布設采用了高分辨率三維實景模型,點位設計直觀、可三維量測,工作量估算準確,觀測方案可操作性強,最終布點方案和觀測方案與技術設計書高度一致。經過嚴密數據處理,各項成果技術指標優良,達到了設計要求。實施結果說明如下:

(1) 二等水準網共觀測68段,各測段往返測不符值均符合限差要求,按測段往返測不符值計算的每公里水準測量高差中數的偶然中誤差為±0.47 mm(限差±1.0 mm);二等水準網平差后,最弱點HS02的高程中誤差為±2.9 mm(要求限差±7.0 mm,估算值±3.5 mm),符合設計要求指標。水準測段往返較差及環線閉合差統計如下表1、2。

表1 二等水準測量的往返較差統計

表2 二等水準路線閉合環精度統計

(2) 光電測距三角高程測量結束后,在三角高程網中,由閉合線路各段觀測高差計算的閉合差精度統計如表3。

表3 三角高程閉合高程線路精度統計

上庫三角高程網有高程閉合環6個,閉合差最小值為+0.5 mm,最大值+4.5 mm,幾乎全部在1/4限差以內。由高程閉合環計算的每公里高差全中誤差為±1.7 mm(限差±6.0 mm),平差后,最弱點HS03高程中誤差為±0.3 mm(相對于鄰近二等水準點)。

下庫三角高程網有高程閉合環10個,閉合差最小值為-2.3 mm,最大值+7.9 mm,幾乎全部在1/3限差以內。由高程閉合環計算的每公里高差全中誤差為±2.7 mm(限差±6.0 mm),平差后,最弱點HS17高程中誤差為±1.8 mm(相對于鄰近二等水準點)。

上、下庫三角高程網平差精度滿足三等三角高程測量的等級要求。為驗證三角高程測量精度,將部分三角高差與二等水準高差進行比較,統計如表4所示。

表4 部分水準高差與三角高差比較表

由表4可見,三角高程測量精度良好。

(3) GNSS控制網共觀測基線271條(必要基線23條,多余基線248條,獨立基線74條),組成三邊同步環198組,異步環97組,重復基線116組,整網平均設站率3.5。

重復基線總計116條,1/3限差內為112條,占比96.6%,2/3限差內為4條,占比3.4%,無超限基線,重復基線觀測精度良好。同步環、異步環閉合差均滿足規范要求。

GNSS網無約束平差通過后,在采用多點平移轉換法建立的獨立橢球上進行約束平差。平差后的整網單位權中誤差M0為±2.32 mm,最弱點為HS23,點位中誤差為±1.3 mm(限差±7.0 mm,估算±3.2 mm);相對中誤差中最弱邊為HS23～HS24,邊長相對中誤差為1/60.3萬。邊長相對精度統計見表5。

表5 平面邊長及其相對精度統計

平均邊長相對中誤差優于規范中1/25萬的限差要求,平面控制網精度已完全達到了技術設計中的有關技術要求。

GNSS網的精度驗證,采用平差后坐標反算邊長與二等高精度觀測邊長相比較的方法,統計了分別采用CGCS2000橢球和獨立橢球平差的結果,見表6所示。

表6 GNSS反算邊長與二等光電測距邊長比較表

由表6可見,采用CGCS2000橢球平差,GNSS成果反算邊長與二等測距邊長的較差值平均為5.4 mm。采用獨立橢球平差,GNSS成果反算邊長與二等測距邊長的較差值平均為0.9 mm,可見在很大程度上消除了投影中似大地水準面與參考橢球面不平行造成的系統性偏差。

8 結 論

經過哈密抽水蓄能電站施工測量控制網方案設計及后期實施驗證,形成結論如下:

(1) 在西部山區抽水蓄能電站施工控制網設計時,采用高分辨率測繪三維實景模型進行選點規劃和技術設計,具有選點直觀逼真、效率高、工作量估算詳細準確、網形優化簡便等優點,相比傳統地形圖更具優勢。

(2) 針對抽水蓄能電站的地形特點,靈活采用多種測量手段進行施工控制網測量,并配合嚴密的數據處理方法,可保證成果高精度且具有較好的經濟合理性。

(3) 采用多點平移轉換法建立獨立橢球,可有效消除投影過程中的系統性偏差,提高GNSS平面控制網成果精度。