佛寺水庫(kù)檢修工程控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

張景鵬

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

佛寺水庫(kù)是阜新市的一個(gè)備用城市居民生活及工業(yè)用水水源，是阜新市容量最大的水庫(kù)。但佛寺水庫(kù)大壩一直在病態(tài)運(yùn)行，水庫(kù)的泄漏十分嚴(yán)重，為了保護(hù)水資源，提升水庫(kù)安全性，使其能夠順利地為人民服務(wù)，促進(jìn)阜新市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要對(duì)佛寺水庫(kù)大壩及大壩的周邊區(qū)域進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

所以，通過(guò)分析水庫(kù)及水庫(kù)周邊區(qū)域的地形情況，以及了解到水庫(kù)周邊區(qū)域的6個(gè)國(guó)家控制點(diǎn)，從精度可靠性、經(jīng)濟(jì)合理等角度出發(fā)，布設(shè)四等GPS平面控制網(wǎng)和四等水準(zhǔn)網(wǎng)，以及制定詳細(xì)的觀測(cè)方案，用來(lái)指導(dǎo)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的順利進(jìn)行。

1 主要目標(biāo)

在認(rèn)真地學(xué)習(xí)工程控制網(wǎng)的各種理論知識(shí)和布網(wǎng)要點(diǎn)以及觀測(cè)方案的制定，研究測(cè)量控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，深入分析和總結(jié)利用測(cè)繪相關(guān)的技術(shù)對(duì)水利水電工程進(jìn)行服務(wù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)：結(jié)合佛寺水庫(kù)的實(shí)際情況，以SL 52—2015《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》為依據(jù)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)單位給出的控制網(wǎng)質(zhì)量的精度指標(biāo)、可靠性指標(biāo)，分析研究工程控制網(wǎng)在佛寺水庫(kù)大壩檢修工程中的用處。

2 研究?jī)?nèi)容

本文針對(duì)佛寺水庫(kù)大壩滲漏水情況，做四等GPS平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，并根據(jù)相應(yīng)的網(wǎng)形制定觀測(cè)方案，以及經(jīng)濟(jì)分析研究。

(1)對(duì)佛寺水庫(kù)周?chē)M(jìn)行調(diào)研分析，確定控制網(wǎng)的等級(jí)和相關(guān)精度要求。

(2)采用GPS為測(cè)量?jī)x器，設(shè)計(jì)佛寺水庫(kù)四等平面控制網(wǎng)的網(wǎng)形，根據(jù)網(wǎng)形優(yōu)化的原理選出最佳布網(wǎng)方案，根據(jù)網(wǎng)形制定詳細(xì)的觀測(cè)方案，并作出經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

(3)設(shè)計(jì)佛寺水庫(kù)高程控制網(wǎng)，并根據(jù)最弱點(diǎn)高程中誤差比較法選出最佳方案，根據(jù)網(wǎng)形制定詳細(xì)的觀測(cè)方案，并作出經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

2.1 測(cè)區(qū)踏勘概況

由于佛寺水庫(kù)是在兩座大山之間攔水而建的，周?chē)笊江h(huán)繞，水庫(kù)蜿蜒崎嶇，所以測(cè)區(qū)形狀很不規(guī)則。測(cè)區(qū)從行政區(qū)域上屬于佛寺鎮(zhèn)以及王府鎮(zhèn)境內(nèi)，北緯42°，東經(jīng)121.5°，測(cè)區(qū)面積大約為5km2。

該工程項(xiàng)目在農(nóng)村地區(qū)，具有交通不便、某些點(diǎn)位通視條件差、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)一定的困難。

控制測(cè)量是工程項(xiàng)目研究和建設(shè)過(guò)程中最為基礎(chǔ)、最前沿的工作，也是獲取各項(xiàng)測(cè)繪基礎(chǔ)資料最直接的手段，因此，為了保證相關(guān)工程的如期進(jìn)行，以最快的速度進(jìn)行控制測(cè)量是首要工作，也是其他測(cè)量工作的基礎(chǔ)?，F(xiàn)針對(duì)四等工程控制網(wǎng)的要求，對(duì)佛寺水庫(kù)檢修工程布設(shè)數(shù)種控制網(wǎng)，并根據(jù)相關(guān)的原理優(yōu)選出最佳的布網(wǎng)方案，為水庫(kù)的檢修工程進(jìn)行指導(dǎo)。

2.2 測(cè)區(qū)內(nèi)已有資料

水庫(kù)周?chē)?個(gè)國(guó)家控制點(diǎn)，其中4個(gè)是三等平面控制點(diǎn)，2個(gè)是三等高程控制點(diǎn)。平面控制點(diǎn)分布在大壩南側(cè)(烏臺(tái)山附近)、喇嘛溝村、四官營(yíng)子村(四合水庫(kù)附近)、東吐魯呼；高程控制點(diǎn)分別在東梁鎮(zhèn)的南梁村和佛寺水庫(kù)大壩壩址。

四官營(yíng)子控制點(diǎn)距離水庫(kù)距離過(guò)遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)的網(wǎng)形嚴(yán)重畸形，并且會(huì)導(dǎo)致各種誤差過(guò)大，所以要把點(diǎn)引到水庫(kù)附近合適的位置。為了從四官營(yíng)子引來(lái)控制點(diǎn)，在四官營(yíng)子和壩址中間，額外增加了2個(gè)平面控制點(diǎn)，起到過(guò)渡的作用。點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 控制點(diǎn)分布圖

2.3 坐標(biāo)系與高程基準(zhǔn)的確定

由于GPS測(cè)量所得到的都是WGS- 84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，而在實(shí)際工作當(dāng)中需要的是國(guó)家坐標(biāo)系或者當(dāng)?shù)氐莫?dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，因而在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)時(shí)需要說(shuō)明在觀測(cè)結(jié)果結(jié)算時(shí)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)。

測(cè)區(qū)以前采用的都是最新的西安80坐標(biāo)系，根據(jù)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的原則：新建的坐標(biāo)系盡量與測(cè)區(qū)原有的坐標(biāo)系一致，所以在本控制網(wǎng)中也使用西安80坐標(biāo)系。

高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)采用的是最新的、現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.4 控制網(wǎng)技術(shù)要求

根據(jù)工程要求本設(shè)計(jì)的控制網(wǎng)為四等GPS平面控制網(wǎng)和四等高程控制網(wǎng)，平面控制網(wǎng)的平均邊長(zhǎng)為2km左右，最小邊長(zhǎng)不得小于平均邊長(zhǎng)的二分之一，最大邊長(zhǎng)不得大于平均邊長(zhǎng)的2倍，其他相關(guān)的技術(shù)要求見(jiàn)表1至表4[1]。

表1 GPS控制網(wǎng)的技術(shù)要求

表2 GPS測(cè)量的基本技術(shù)要求

表3 水準(zhǔn)觀測(cè)的主要技術(shù)要求

表4 水準(zhǔn)測(cè)量的主要技術(shù)要求

3 平面控制網(wǎng)的布設(shè)

本文主要研究的是GPS控制網(wǎng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此，經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘在佛寺水庫(kù)布設(shè)了6個(gè)控制點(diǎn)，加上已知的國(guó)家控制點(diǎn)一共10個(gè)，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)該水庫(kù)檢修工程進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)選，提出了2種設(shè)計(jì)方案，下面將對(duì)各個(gè)方案的精度和可靠性進(jìn)行簡(jiǎn)單的推導(dǎo)和計(jì)算，選出最佳布網(wǎng)方案[4]。

3.1 平面控制網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計(jì)方案

(1)設(shè)計(jì)方案1

在小型的工程控制網(wǎng)設(shè)計(jì)當(dāng)中一般都使用4臺(tái)接收機(jī)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這樣既滿足工程的需求，又經(jīng)濟(jì)合理，所以在2個(gè)布設(shè)方案中都選擇使用4臺(tái)接收機(jī)來(lái)工作，通過(guò)改變同步圖形間的連接方式來(lái)布設(shè)不同的網(wǎng)形。在設(shè)計(jì)方案1中，接收機(jī)的靜態(tài)測(cè)量系數(shù)為：水平方向5mm+0.5ppm，每個(gè)子網(wǎng)觀測(cè)2個(gè)時(shí)段確保觀測(cè)精度，各個(gè)同步環(huán)之間采用點(diǎn)連式連接[4]。方案1的同步觀測(cè)圖形及最終設(shè)計(jì)網(wǎng)形如圖2、圖3所示。

圖2 4臺(tái)接收機(jī)觀測(cè)的同步圖形

圖3 設(shè)計(jì)方案1控制網(wǎng)網(wǎng)型

(2)設(shè)計(jì)方案2

設(shè)計(jì)方案2也選擇使用4臺(tái)接收機(jī)，接收機(jī)的靜態(tài)測(cè)量標(biāo)稱精度為：水平方向5mm+0.5ppm，每個(gè)子網(wǎng)觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，各個(gè)同步環(huán)之間采用邊連式連接。方案2的同步觀測(cè)圖形及最終設(shè)計(jì)網(wǎng)形如圖4、圖5所示。

圖4 方案2的同步圖形

圖5 平面控制網(wǎng)的網(wǎng)型

3.2 方案優(yōu)選

由于本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)階段還沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以用來(lái)進(jìn)行精度估算，為此選擇GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》[9]中的相關(guān)規(guī)定作為依據(jù)，對(duì)2個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比。

(1)觀測(cè)時(shí)段數(shù)

可以很明顯地看出方案1的觀測(cè)時(shí)段數(shù)為3，方案2的觀測(cè)時(shí)段數(shù)為4，所以根據(jù)GB 50026—2007中的規(guī)定“觀測(cè)時(shí)段數(shù)越多，控制網(wǎng)的可靠性越高”，布設(shè)方案2比布設(shè)方案1更合適。

(2)重復(fù)設(shè)站數(shù)

利用觀測(cè)時(shí)段公式

C=n·m/N

(1)

式中，C—觀測(cè)時(shí)段數(shù)；n—網(wǎng)點(diǎn)數(shù)；m—重復(fù)設(shè)站數(shù)；N—接收機(jī)數(shù)。

布設(shè)方案1：m1=1.2

布設(shè)方案2：m2=1.6

根據(jù)GB 50026—2007中的“四等GPS平面控制網(wǎng)中重復(fù)設(shè)站數(shù)≥1.6”，可知布設(shè)方案1的m1=1.2≤1.6，而布設(shè)方案2的m2=1.6≥1.6，所以選擇布設(shè)方案2。

(3)多余基線數(shù)

利用多余基線數(shù)的公式

l多余=l獨(dú)立-l必=(m-1)·s-(n-1)

(2)

式中，m—接收機(jī)臺(tái)數(shù)；n—網(wǎng)點(diǎn)數(shù)；s—時(shí)段數(shù)。

布設(shè)方案1：L獨(dú)1=0

布設(shè)方案2：L獨(dú)2=3

根據(jù)GB 50026—2007中的“多余基線數(shù)越多控制可靠性越高”，布設(shè)方案1的獨(dú)立基線數(shù)小于布設(shè)方案2中的獨(dú)立基線數(shù)，所以布設(shè)方案2比較合適。

(4)與測(cè)站相連的基線數(shù)

在布設(shè)方案1中，有8個(gè)測(cè)站僅與3條基線相連，其余2個(gè)測(cè)站與6條基線相連；布設(shè)方案2中，有4個(gè)測(cè)站與3條基線相連，其余6個(gè)測(cè)站與5條基線相連。

根據(jù)GB 50026—2007中的規(guī)定“GPS網(wǎng)點(diǎn)的可靠性與點(diǎn)位無(wú)直接關(guān)系，而與該點(diǎn)上所連接的基線向量數(shù)有關(guān)，所連的基線數(shù)越多，控制網(wǎng)的可靠性就越高”，布設(shè)方案2中的測(cè)站相連的基線數(shù)，明顯要比布設(shè)方案1中測(cè)站相連的基線數(shù)要多，所以布設(shè)方案2更適合。

通過(guò)以上的觀測(cè)時(shí)段數(shù)、重復(fù)設(shè)站數(shù)、多余基線數(shù)、與測(cè)站相連的基線數(shù)這四點(diǎn)來(lái)判斷，布設(shè)方案2要比布設(shè)方案1要更適合本次控制網(wǎng)設(shè)計(jì)，所以在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下經(jīng)過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的精度估算，確定使用布設(shè)方案2為本次平面控制網(wǎng)的網(wǎng)形。

4 高程控制網(wǎng)的布設(shè)

4.1 高程控制網(wǎng)的布設(shè)原則

經(jīng)過(guò)平面控制測(cè)量，測(cè)區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)都有了坐標(biāo)，GPS測(cè)量的缺陷就是控制點(diǎn)的高程(Z)的精度比較低，所以需要在平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上在布設(shè)高程控制網(wǎng)，對(duì)控制點(diǎn)的高程進(jìn)行高精度的測(cè)量。

水準(zhǔn)網(wǎng)的圖上設(shè)計(jì)是水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)最關(guān)建的一步，它決定著整個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)的可行性、經(jīng)濟(jì)性。佛寺水庫(kù)水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)的布設(shè)遵循了以下6個(gè)原則：

(1)路線應(yīng)盡量沿著坡度小的道路布設(shè)，以減小前后的折光系數(shù)，避免跨越河流、沼澤等地區(qū)。

(2)水準(zhǔn)路線應(yīng)盡量避開(kāi)高壓線路和輸電線路50m左右，避免高壓線的電磁場(chǎng)路對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程和結(jié)果產(chǎn)生影響。

(3)在首級(jí)高程控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮到布設(shè)次級(jí)網(wǎng)時(shí)的加密步驟。

(4)水準(zhǔn)網(wǎng)形應(yīng)盡量布成環(huán)形或者節(jié)點(diǎn)形網(wǎng)，個(gè)別情況下也可以布設(shè)成附和導(dǎo)線。

(5)布設(shè)的新點(diǎn)要與國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，以統(tǒng)一高程基準(zhǔn)。

(6)要充分利用測(cè)區(qū)內(nèi)已有的水準(zhǔn)資料，如水準(zhǔn)點(diǎn)位置。

4.2 布設(shè)方案

(1)布設(shè)方案1

從測(cè)區(qū)已有資料來(lái)看，測(cè)區(qū)內(nèi)已知的兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)一個(gè)分布在大壩北端點(diǎn)，另一個(gè)分布在大壩南邊距離稍遠(yuǎn)的東梁鎮(zhèn)的南梁村附近，距離很大，所以為了使水準(zhǔn)點(diǎn)均勻分布，需要在布設(shè)水準(zhǔn)路線的時(shí)候新加一些新水準(zhǔn)控制點(diǎn)，以起到傳遞高程的作用。

布設(shè)方案1如圖6所示，采用清晰明了的單一附和水準(zhǔn)路線，為此在平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上又新布設(shè)了6個(gè)起到過(guò)渡作用的4等控制點(diǎn)，這樣各個(gè)點(diǎn)之間的距離比較均勻。觀測(cè)路線由點(diǎn)1開(kāi)始到2，，14，13，，1，采用往返測(cè)量的方式進(jìn)行高差檢核。

圖6 布設(shè)方案1中的附和水準(zhǔn)路線

(2)布設(shè)方案2

布設(shè)方案2如圖7所示，采用了節(jié)點(diǎn)水準(zhǔn)網(wǎng)的形式，由2個(gè)附和水準(zhǔn)路線連接構(gòu)成，在方案1的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)四等控制點(diǎn)，1，2，，15，14，，1為一個(gè)附和水準(zhǔn)路線，1，16，17，18，9，，15，，1為一個(gè)附和水準(zhǔn)路線，9、10、11、12、13、14、15為節(jié)點(diǎn)，同方案1一樣也采用往返測(cè)的方式進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。

圖7 布設(shè)方案2中的節(jié)點(diǎn)水準(zhǔn)網(wǎng)

4.3 方案優(yōu)選

由于工程控制網(wǎng)在設(shè)計(jì)階段沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以只能根據(jù)一些規(guī)范規(guī)程中的相關(guān)要求來(lái)對(duì)水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的精度估算，本文采用GB/T 12898—2009《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中最弱點(diǎn)高程中誤差來(lái)對(duì)2個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)(或水準(zhǔn)路線)進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)選。

單一附和水準(zhǔn)路線最弱點(diǎn)(即附和線路中點(diǎn))高程中誤差計(jì)算公式為：

(3)

式中，Mw—每千米高差全中誤差；L—水準(zhǔn)路線全長(zhǎng)。

由于沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以把規(guī)范當(dāng)中的每千米高差全中誤差10mm估算為Mw，所以只要計(jì)算兩個(gè)方案中的水準(zhǔn)網(wǎng)(路線)的長(zhǎng)度就可以進(jìn)行優(yōu)選了。

方案1是單一附和水準(zhǔn)路線，水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度L1為14.2km，所以Mf1=1.89cm。

方案2是節(jié)點(diǎn)水準(zhǔn)網(wǎng)，采用等權(quán)代替法(即將水準(zhǔn)網(wǎng)簡(jiǎn)化成一條虛擬的等權(quán)路線，以便按單一路線計(jì)算)對(duì)水準(zhǔn)網(wǎng)的最弱點(diǎn)高程中誤差進(jìn)行估算。1，，9點(diǎn)的長(zhǎng)度L1=8.4km，1，16，17，18，9的長(zhǎng)度L2=4.7km，接下來(lái)的長(zhǎng)度L3=5.9km，將這兩段路線用等權(quán)代替法擬化成一條等權(quán)路線，并與接下來(lái)的水準(zhǔn)路線組成一條單一的附和水準(zhǔn)路線。設(shè)L1的權(quán)為P1，L2的權(quán)為P2，等權(quán)路線L12的權(quán)為P12，則：

P1=1/L1，P2=1/L2，P12=P1+P2=0.332mm，L12=1/P12=3.012km，附和線路的長(zhǎng)L=L12+L3=8.912km，所以方案2的Mf2=1.493cm。可以比較出來(lái)方案1的最弱點(diǎn)高程中誤差要大于方案2的最弱點(diǎn)高程中誤差，所以選擇布設(shè)方案2作為本次高程控制網(wǎng)的網(wǎng)形。

5 結(jié)論

本文以佛寺水庫(kù)的檢修工程為研究對(duì)象，結(jié)合工程控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，得出結(jié)論如下：

(1)GPS平面控制網(wǎng)方案中，通過(guò)四種方式對(duì)兩個(gè)布設(shè)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較，得出邊連式比點(diǎn)連式在可靠性和精度上都要高，也更合適。

(2)水準(zhǔn)高程網(wǎng)方案中，在通過(guò)計(jì)算兩方案中水準(zhǔn)網(wǎng)的最弱點(diǎn)高程中誤差之后，得出單一附和水準(zhǔn)路線的最弱點(diǎn)高程中誤差比節(jié)點(diǎn)水準(zhǔn)網(wǎng)要大，所以選擇節(jié)點(diǎn)水準(zhǔn)網(wǎng)作為高程控制網(wǎng)。

本文提出的具體方案優(yōu)選方式能夠給其他的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)維護(hù)和類(lèi)似的勘察設(shè)計(jì)給予一定的借鑒意義，同時(shí)優(yōu)選方案在建設(shè)項(xiàng)目竣工結(jié)算后的數(shù)據(jù)對(duì)比才是支持本文結(jié)論的最重要依據(jù)。