滇中引水工程測量控制系統(tǒng)精度與等級論證研究

張辛　楊愛明　姜本?！≈芟?/p>

摘要：云南滇中引水工程具有測區(qū)跨度長、平均海拔高、高差變化大等特點，是中國現(xiàn)階段規(guī)模最大的高原長距離調(diào)水工程。水利工程的施工控制網(wǎng)布設是工程建設的基礎和依據(jù)，施工控制網(wǎng)的精度直接影響到水利渠道和建筑物的測放精度。應用誤差理論分析及模擬計算方法，開展高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)的精度與等級論證研究;并通過估值計算，對滇中引水工程高程控制網(wǎng)的日月引力改正必要性進行分析。結(jié)果表明：滇中引水工程首級高程控制網(wǎng)應使用二等水準控制網(wǎng)，再使用三等水準控制網(wǎng)進行加密，不需進行高程控制網(wǎng)的日月引力改正;首級平面控制網(wǎng)應選擇國家B級GNSS網(wǎng)，并使用水利水電二等平面網(wǎng)進行加密。研究成果可為滇中引水工程測量控制系統(tǒng)的設計及建立提供了理論支撐，高精度地服務于國家重大水利工程建設。

關(guān)鍵詞：測量控制系統(tǒng); 高程控制網(wǎng); 平面控制網(wǎng); 測量精度; 測量等級; 滇中引水工程

中圖法分類號： P226

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.012

0引 言

云南滇中引水工程是中國在建的重點水利標志性工程，工程涉及6個市（州）35個縣（市）區(qū)。工程多年平均引水量34.03億m3，受水面積3.69萬km2，工程線路長度超過660 km，引水線路從海拔2 035 m至1 400 m，具有測區(qū)跨度長、平均海拔高、高差變化大等特點，是中國現(xiàn)階段規(guī)模最大的高原長距離調(diào)水工程。宏偉的工程，必須有一流的測繪保障，使沿線各設計、施工、監(jiān)理和管理單位在統(tǒng)一了精度、標準的框架控制下開展工作。而施工控制網(wǎng)又是測繪工作的基礎，能為工程參建各方提供統(tǒng)一的平面、高程控制基準和精度保障[1-4]。

國內(nèi)外許多學者都致力于控制網(wǎng)優(yōu)化設計理論的研究。隨著理論研究的深入，對這項工作從不同的角度提出了各種要求，如精度指標、可靠性指標和靈敏度指標等，單純靠一種方法己經(jīng)很難達到用戶的要求[5-6]。近年來隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了控制網(wǎng)優(yōu)化設計專家系統(tǒng)，即將解析法與機器輔助設計法結(jié)合起來并運用人工智能技術(shù)，不斷地加入專家知識，完善知識庫，較全面地考慮各種指標和約束條件，利用啟發(fā)式信息加快問題求解，這也是控制網(wǎng)優(yōu)化設計未來的發(fā)展趨勢。

水利工程的施工控制網(wǎng)布設是工程建設的基礎和依據(jù)，施工控制網(wǎng)的精度直接影響到水利渠道和建筑物的測放精度。通常研究測量控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)的幾何特征以及精度預計最理想的方法是，在某個區(qū)域存在一個與設計方案相同的真值網(wǎng)，然后用工程所要使用的儀器和方法在該區(qū)域進行多測回觀測，將施測結(jié)果和真值進行比較，求出真誤差作為判斷和分析的依據(jù)。但是在實踐中這樣的操作費時費力，即使個別情況下能辦到也只是局部性質(zhì)的，僅適用于某一具體項目，對復雜的大型工程項目更是難以完成。相比而言，使用隨機模擬的方法更適合于大型工程的控制網(wǎng)設計。由于控制網(wǎng)的測量實質(zhì)也是一個隨機過程，比如測量偶然誤差就服從正態(tài)分布的，因此，可以使用模擬計算的方式，求解控制網(wǎng)點坐標及估算精度等，這也是較為普遍使用的工程控制網(wǎng)優(yōu)化設計方法。

具體針對高原地區(qū)的滇中引水工程，精度與等級論證從研究對象上可分為高程控網(wǎng)與平面控制網(wǎng)兩方面，而在控制網(wǎng)級別上，又可分作首級控制網(wǎng)和加密控制網(wǎng)[7-8]。因此，本文的研究包括了首級高程控制網(wǎng)精度與等級論證、加密高程控制網(wǎng)精度與等級論證、首級平面控制網(wǎng)精度與等級論證，以及加密平面控制網(wǎng)精度與等級論證。

1高程控制網(wǎng)的布設分析

1.1首級高程控制網(wǎng)的精度與等級論證

高程控制網(wǎng)分為首級高程控制網(wǎng)與加密高程控制網(wǎng)。應用誤差理論分析渠線高程測量誤差對縱坡的影響，可以選擇科學、合理和可行的高程測量精度和測量等級。

一般情況，當Mw取值在6～10 mm時，采用三等水準加密;當Mw取值在10～15 mm時，采用四等水準加密;Mw取值在15 mm以上時，采用五等水準加密。按表3的數(shù)值情況，當高程放樣中誤差值控制在10 mm以內(nèi)時，只需采用五等水準加密;但當高程放樣中誤差值大于10 mm，特別是達到20 mm數(shù)值時，則需要采用四等水準加密。因此，四等以上的水準就能滿足加密高程控制網(wǎng)的精度要求。

另一方面，由于滇中引水工程的建筑物眾多，其加密高程網(wǎng)的布設主要為了滿足建筑物施工控制的需求。而隧洞工程約占滇中引水工程總長度的90%以上，因此需要滿足隧洞高程控制網(wǎng)布設要求。滇中引水工程隧洞的平均長度約為9.6 km，按照SL52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》中有關(guān)5～20 km長隧洞高程施工控制網(wǎng)應為二等或三等精度的要求，并考慮到分級布網(wǎng)的需求，建議將加密高程控制網(wǎng)即建筑物首級高程施工控制網(wǎng)的設計等級定為三等，從而滿足隧洞工程貫通及其它建筑物施工測量對地面控制網(wǎng)的高程精度要求[11-13]。

1.3高程控制網(wǎng)日月引力誤差分析

地球上任何一點的重力方向，除取決于地球內(nèi)部物質(zhì)的分布狀況和地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力外，還受到日球、月球和其他天體，以及地球外部大氣層的影響。由于日月引力的作用，使地球的垂線方向產(chǎn)生瞬時變化，即垂線偏離效果，因而經(jīng)過該點的水平面將發(fā)生同樣的傾斜變化。除此之外，由于日月引力的影響，還會產(chǎn)生地面變形。在精密的高程水準測量中，估計日月引力影響的改正項稱為潮汐改正。有資料表明，在極端情況下，日月引力影響每千米不超過0.1 mm，多數(shù)情況下每千米的誤差影響為0.01～0.02 mm左右。這種誤差在測段閉合差、路線閉合差和環(huán)線閉合差都得不到反映。但這種誤差在南北方向上會系統(tǒng)積累，對于中國來說，南北方向累計值可達12 cm。

滇中引水工程南北跨度約545 km，按正常情況日月引力每千米0.01～0.02 mm誤差來分析，工程累積誤差可達到5.45～10.90 mm，遠小于前面章節(jié)分析的首級高程控制網(wǎng)與加密高程控制網(wǎng)的精度要求，可忽略不計。因此，滇中引水工程可不進行日月引力改正。

2平面控制網(wǎng)的布設分析

隨著GNSS技術(shù)的日益普及和在測量控制中的廣泛應用，GNSS控制網(wǎng)越來越多地取代了測角網(wǎng)、邊角網(wǎng)以及導線網(wǎng)等常規(guī)控制網(wǎng)，加上在長江中下游基本控制及南水北調(diào)等大型工程中采用GNSS網(wǎng)的成功實踐，GNSS網(wǎng)也是滇中引水工程干渠首級平面控制網(wǎng)的首選。

此外，由于滇中引水工程測量控制范圍大，為防止測量誤差的積累，控制網(wǎng)的布設采用從整體到局部、從高級到低級逐級發(fā)展的布網(wǎng)方式。根據(jù)滇中引水工程的特點和管理方式，總體設計采用“一等平面控制網(wǎng)（骨架網(wǎng)）”和“二等平面控制網(wǎng)（平面施工網(wǎng)）”兩個層級，滿足SL 52-2015《水利水電施工測量規(guī)范》中平面控制網(wǎng)的布設等級“宜為1～2級”的要求。

2.1首級平面控制網(wǎng)精度與等級論證

一等平面控制網(wǎng)一般按40～50 km一個點進行布設，其點間距超過SL197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》和SL 52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》中最高等級的布設要求，但其點間距與GBT 18341-2016《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》中的B級網(wǎng)的點間距要求一致[14-15]。因此，一等平面控制網(wǎng)的精度等級宜選擇B級GNSS網(wǎng)。

選用B級GNSS網(wǎng)也是控制測量誤差積累的需要。滇中引水工程干渠南北跨度達約370 km，而中國天文大地控制網(wǎng)的一等三角鎖的鎖段長度一般為200 km，滇中引水工程首級施工控制網(wǎng)的南北跨度要穿越2～3個一等三角鎖。由于控制范圍大，為防止測量誤差的過多積累，根據(jù)從高級到低級，逐級布網(wǎng)原則，首級網(wǎng)要選擇高精度的網(wǎng)[16-18]。

其次，是保證測量精度與放樣精度的需求。按照規(guī)范要求，混凝土建筑物輪廓點放樣的平面位置中誤差為±（20～30） mm，土石料建筑物輪廓點放樣的平面位置中誤差為±（30～50） mm。滇中引水工程上眾多的建筑物是混凝土結(jié)構(gòu)，要滿足建筑物輪廓點放樣的精度，對控制測量的精度比1∶500、1∶1 000測圖對控制的精度要高，測站精度應達21～35 mm。因而，從保證測量精度與放樣精度的角度，必須選精度較高的GNSS網(wǎng)作為首級平面控制網(wǎng)。

此外，首級控制網(wǎng)不僅要為施工測量提供控制依據(jù)，還要為工程建設期的監(jiān)理測量、竣工測量和施工、運行期的安全監(jiān)測提供統(tǒng)一的平面、高程控制基準和精度保障。干渠全線布設統(tǒng)一的B級GNSS網(wǎng)可以滿足不同期的各項測量項目的要求。

滇中引水工程一等平面控制網(wǎng)布設示意如圖1所示。按照GPS測量規(guī)范要求，結(jié)合滇中引水工程的特點，平均按40 km一點進行布設，全線布設17座一等平面控制網(wǎng)點。為了便于滇中引水工程坐標系與國家控制網(wǎng)坐標系的轉(zhuǎn)換，一等平面控制網(wǎng)觀測時還要聯(lián)測國家一等平面控制點和2000中國大地坐標系統(tǒng)網(wǎng)點，并平均分布在工程沿線。

2.2加密平面控制網(wǎng)等級論證及設計

根據(jù)設計，二等平面施工網(wǎng)最大邊長約8 km，與SL 197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》中二等平面控制網(wǎng)要求一致。因此，二等平面施工網(wǎng)的精度等級宜選擇為SL 197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》中的二等網(wǎng)，可滿足隧洞工程貫通及其它建筑物施工測量對地面控制網(wǎng)的平面精度要求。并且，為了便于滇中引水工程坐標系與國家控制網(wǎng)坐標系和前期勘測成果的轉(zhuǎn)換，二等平面施工網(wǎng)觀測時需聯(lián)測一等平面控制網(wǎng)點和部分前期測圖控制點。前期測圖控制點按每15～20 km選擇一點納入二等控制網(wǎng)中進行聯(lián)測。

由于滇中引水工程總干渠全部是建筑物頭尾相接，二等平面施工網(wǎng)設計既要考慮各建筑物的特點，又要考慮鄰近建筑物的銜接要求。建筑物網(wǎng)點設計依據(jù)以下原則進行布設：

（1） 隧洞建筑物。一般情況下，在每座隧洞的進口、出口、各支洞口（或斜井、豎井等）均布設4～5個控制點。當鄰近兩隧洞的出口與進口距離小于800 m且通視條件較好時，兩洞口整體考慮，根據(jù)現(xiàn)場地形條件布設4～6個控制點。

（2） 倒虹吸、暗涵建筑物。一般情況下，在其進口、出口處各布設4個控制點，當進出口與其它建筑物進出口相距在800 m以內(nèi)時，與其它建筑物合并布設。

（3） 渡槽建筑物。渡槽長度小于800 m時與前后建筑物合并布設;當長度大于800 m時，根據(jù)實際情況布設控制網(wǎng)。

（4） 點間距要求。依據(jù)SL52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》，二等平面施工網(wǎng)的最短點間距不宜小于500 m，特別困難情況下不應小于200 m。

3結(jié) 語

本文針對滇中引水工程特點，系統(tǒng)性地進行了高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)的精度與等級論證。高程控制網(wǎng)方面，通過分析渠線高程測量誤差對縱坡的影響，以及模擬計算的結(jié)果分析，干渠首級高程控制網(wǎng)應使用二等水準控制網(wǎng);再結(jié)合最弱點高程中誤差的分析與計算，建議使用三等水準加密高程控制網(wǎng);然后通過估值計算，判定滇中引水工程不需進行高程控制網(wǎng)的日月引力改正。平面控制網(wǎng)方面，總體設計采用一等平面控制網(wǎng)（首級骨架網(wǎng)）和二等平面控制網(wǎng)（平面施工網(wǎng)）兩個層級，一等骨架網(wǎng)的精度等級選擇了B級GNSS網(wǎng)，二等平面施工網(wǎng)選擇了《水利水電工程測量規(guī)范》中的二等網(wǎng)。總體上，本文研究成果為滇中引水工程測量控制系統(tǒng)設計及建立提供了理論支撐，高精度地服務于國家重大水利工程建設。

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（編輯：劉 媛）