三點(diǎn)起算法長條形水利樞紐首級平面施工控制網(wǎng)復(fù)測成果分析

何寶根，何定池

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

0 引言

某大型水利樞紐工程是一座以防洪、航運(yùn)、發(fā)電、水資源配置為主，結(jié)合灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐建筑物包括泄水建筑物、河床式發(fā)電廠房、擋水壩、船閘、灌溉取水口、開關(guān)站及魚道等。水庫總庫容為30.13億m3，正常蓄水位61.0m，汛期洪水起調(diào)水位和死水位為47.60m，電站裝機(jī)1600MW，過壩船閘3000噸級。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，施工測量工作應(yīng)根據(jù)工程施工總布置圖和有關(guān)測繪資料，布設(shè)首級施工控制網(wǎng)。首級施工控制網(wǎng)建成后，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)管理，保障控制網(wǎng)點(diǎn)的正常使用和安全。在下列情況下應(yīng)定期進(jìn)行整體或局部復(fù)測。

(1)首級施工控制網(wǎng)建成1年后。

(2)開挖工程基本結(jié)束，進(jìn)入混凝土工程和金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電安裝工程開始之前應(yīng)進(jìn)行施工區(qū)局部控制網(wǎng)復(fù)測。

(3)處于高邊坡部位或離開挖區(qū)較近的控制點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)增加局部復(fù)測次數(shù)。發(fā)現(xiàn)控制網(wǎng)點(diǎn)有被撞擊的跡象或明顯的沉降現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)對被撞擊或沉降區(qū)局部控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測。

(4)控制網(wǎng)點(diǎn)周圍有裂縫、沉陷或有新的工程活動時(shí)，應(yīng)對周邊局部控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測。

(5)遇明顯有感地震，應(yīng)對整網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測。

(6)利用控制網(wǎng)點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)進(jìn)行布設(shè)局部專用控制網(wǎng)時(shí)，應(yīng)對整網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測[1]。

首級施工控制網(wǎng)不僅是施工的基準(zhǔn)，還可以作為變形監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)，用以監(jiān)測及分析大壩的變形[2]。

1 首級平面施工控制網(wǎng)起算原理

首級施工控制網(wǎng)在測圖控制網(wǎng)[3]的基礎(chǔ)上布設(shè)，在涉水一江兩岸樞紐區(qū)一般采用一點(diǎn)一方向法或兩點(diǎn)法作為起算點(diǎn)布設(shè)首級平面施工控制網(wǎng)。如石虎塘航電樞紐采用兩點(diǎn)法布設(shè)首級平面施工控制網(wǎng)。首級平面施工控制網(wǎng)通過與國家控制網(wǎng)取得聯(lián)系的測圖控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，進(jìn)行第一次平差，取得在國家控制網(wǎng)控制下的施工控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)(相對精度不太高的國家坐標(biāo))；然后通過固定壩軸線一端某點(diǎn)A的坐標(biāo)及該點(diǎn)到另一端的某點(diǎn)B的方位，以及兩點(diǎn)間通過紅外測距精確測定的邊長進(jìn)行起算，再平差，得到了高精度的二等平面首級施工控制網(wǎng)的坐標(biāo)，滿足了該樞紐一河兩岸施工的需要[4-5]。能使用兩點(diǎn)法起算的前提條件是以起算邊畫個(gè)圓能控制住主要施工區(qū)域，且紅外測距邊一般在2km左右。對于長達(dá)6km的長條形水利樞紐施工區(qū)域，限于紅外測距邊長度的限制，兩點(diǎn)起算法會帶來較大誤差，不能滿足首級施工控制網(wǎng)成果復(fù)測精度要求。角度誤差偏離視準(zhǔn)線的垂直距離d按公式(1)計(jì)算，示意圖如圖1所示。

圖1 小角法偏移距離計(jì)算示意圖

d=α/ρ×D

(1)

式中，α—偏角，(″)；D—監(jiān)測點(diǎn)至測站點(diǎn)之間的距離，mm；ρ—常數(shù)，其值為206265″。

某大型水利樞紐工程A、B兩點(diǎn)起算邊的長度為1578m，要控制的長條形的長邊長度為6945m，如圖2所示。如采用AB短邊作為起算邊及起算方位，如短邊角度1″的誤差，則會引起長邊最遠(yuǎn)點(diǎn)C點(diǎn)的誤差達(dá)33.7mm，超過了首級施工控制網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于10mm的規(guī)定，會引起長邊附近控制點(diǎn)的無規(guī)律擺動，實(shí)測成果也證明了這點(diǎn)。此時(shí)兩點(diǎn)起算法不能滿足首級平面施工控制網(wǎng)復(fù)測的需要。

圖2 三點(diǎn)起算法示意圖

此時(shí)就要采用三點(diǎn)起算法作為GNSS(全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng))首級平面施工控制網(wǎng)的復(fù)測成果的起算基準(zhǔn)。先用A、B兩點(diǎn)起算法對全網(wǎng)進(jìn)行平差，獲得C點(diǎn)坐標(biāo)；再固定C點(diǎn)坐標(biāo)作為GNSS復(fù)測控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)。復(fù)測成果滿足了該長條形水利樞紐施工的需要，目前該項(xiàng)目主體工程已順利竣工，庫區(qū)已正常蓄水，全部機(jī)組投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電并通航。

2 首級平面施工控制網(wǎng)復(fù)測方案

該長條形水利樞紐首級平面施工控制網(wǎng)于2014年建立，以后每年復(fù)測一次，下面以2017、2018年兩年的復(fù)測成果進(jìn)行說明。該控制網(wǎng)為二等GNSS控制網(wǎng)，圍繞著主要施工區(qū)域沿江兩岸布設(shè)。2018年共計(jì)復(fù)測20點(diǎn)，依次為DTX01、DTX02、DTX03、DTX04、DTX05、DTX06、DTX07、DTX08、DTX09、DTX10、DTX11、DTX12、DTX13、DTX14、DTX15、DTX16A、DTX17A、DTX18、DTX19、DTX20，其中DTX16A、DTX17A是恢復(fù)的新點(diǎn)。平面控制網(wǎng)網(wǎng)圖如圖3所示。

圖3 某長條形水利樞紐首級平面施工控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)圖

2.1 復(fù)測依據(jù)規(guī)范

復(fù)測依據(jù)參考以下標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范：①SL 52—2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》，②GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》[6]，③GB/T 12897—2006《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》[7]，④GB/T 16818—2008《中、短程光電測距規(guī)范》[8]，⑤GB/T 17942—2000《國家三角測量規(guī)范》[9]，⑥CH 1016—2008《測繪作業(yè)人員安全規(guī)范》[10]，⑦GB/T 24356—2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》[11]。

2.2 坐標(biāo)高程系統(tǒng)

采用獨(dú)立坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)。

2.3 起算點(diǎn)檢測

該長條形水利樞紐首級平面施工控制網(wǎng)利用2014年首期測量的ⅡDTX04、ⅡDTX03和ⅡDTX11的坐標(biāo)作為二等平面控制網(wǎng)的起算坐標(biāo)。采用GNSS靜態(tài)定位的方法測量，布設(shè)成二等平面控制網(wǎng)。整個(gè)控制網(wǎng)由多邊形構(gòu)成，以邊連的方式組成二等平面控制網(wǎng)。

為了檢測起算點(diǎn)ⅡDTX03、ⅡDTX04和DTX11三個(gè)點(diǎn)的穩(wěn)定性，采用全站儀復(fù)測了起算邊ⅡDTX03—ⅡDTX04以及基線ⅡDTX04—ⅡDTX05、ⅡDTX11—ⅡDTX10和ⅡDTX11—ⅡDTX12。2018年復(fù)測成果與原來測量值相比較的精度分析見表1。

表1 基線復(fù)測成果比較分析表

綜上所述，經(jīng)檢查，DTX04、DTX03、DTX11等3個(gè)起算點(diǎn)滿足規(guī)范的精度要求，可繼續(xù)作為本期復(fù)測坐標(biāo)起算使用。

2.4 GNSS控制網(wǎng)的觀測

根據(jù)該長條形首級平面施工控制網(wǎng)的20個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行同步觀測環(huán)圖形設(shè)計(jì)及觀測時(shí)段設(shè)計(jì)，編制出復(fù)測的作業(yè)計(jì)劃進(jìn)度表，設(shè)計(jì)好觀測路線，按照計(jì)劃依次進(jìn)行觀測。

GNSS觀測采用經(jīng)送國家授權(quán)的計(jì)量部門進(jìn)行全面鑒定過的Trimble R8和Leica GS15共6臺GNSS接收機(jī)進(jìn)行觀測。觀測時(shí)，控制點(diǎn)儀器架設(shè)于強(qiáng)制觀測墩。采用連接螺絲與儀器基座連接，對GNSS接收機(jī)嚴(yán)格整平對中，每時(shí)段觀測前后各量取天線高1次，取其平均值。觀測作業(yè)開始時(shí)做好野外記錄，包括測站點(diǎn)名、觀測者、測量等級、接收機(jī)類型及編號、觀測日期、天氣情況、時(shí)段號、觀測開始及結(jié)束時(shí)間、天線號碼、天線量測高等，并畫好點(diǎn)位略圖。

二等GNSS觀測時(shí)，保證在有效觀測衛(wèi)星多于5個(gè)，PDOP小于6的條件下進(jìn)行觀測，每10s自動采集數(shù)據(jù)一次，連續(xù)觀測120min以上，完成一個(gè)時(shí)段的觀測后繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)時(shí)段的觀測，確保每個(gè)環(huán)不少于兩個(gè)時(shí)段的觀測。當(dāng)有效觀測衛(wèi)星小于5個(gè)或PDOP大于6時(shí)，即刻結(jié)束當(dāng)前的觀測，待觀測條件穩(wěn)定后進(jìn)行重測，觀測過程完全按規(guī)范要求操作。

2.5 復(fù)測平面控制網(wǎng)平差

GNSS觀測完成后，Trimble接收機(jī)采用Trimble傳輸軟件將數(shù)據(jù)傳至筆記本電腦上，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式；Leica接收機(jī)采用LGO傳輸軟件將數(shù)據(jù)傳至筆記本電腦上，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入HGO數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算和平差計(jì)算。

利用ⅡDTX04、ⅡDTX03和ⅡDTX11的坐標(biāo)作為二等GNSS控制網(wǎng)的起算坐標(biāo)，采用HGO數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算和平差計(jì)算。平差時(shí)認(rèn)真對有關(guān)條件進(jìn)行了檢核，平差后最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為4.1mm，經(jīng)檢查各項(xiàng)精度滿足規(guī)范要求。2018年復(fù)測的二等GNSS控制網(wǎng)平差的精度及質(zhì)量情況見表2—3。

表2 GNSS控制網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

表3 同步環(huán)和異步環(huán)精度統(tǒng)計(jì)

按以上步驟進(jìn)行了1980西安坐標(biāo)系的二維約束平差和國家2000坐標(biāo)系的二維約束平差。

平差結(jié)束后，將網(wǎng)圖、重復(fù)基線、環(huán)線閉合差、三維平差、二維平差、點(diǎn)位誤差等合并裝訂成冊，及時(shí)對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。

3 復(fù)測平面成果比較分析

某長條形水利樞紐工程首級平面施工控制網(wǎng)，2018年復(fù)測成果與上期(2017年復(fù)測)成果及首期(2014年測量)成果比較分析表見表4。

表4 2018年平面坐標(biāo)復(fù)測成果與上期、首期成果比較分析表

從表4中可看出，DTX16A和DTX17A是恢復(fù)的新點(diǎn)，其它點(diǎn)2018年復(fù)測值與上期2017年復(fù)測的測量成果比較，差值最大的點(diǎn)DTX19是8.7mm，差值最小的點(diǎn)DTX07是0.8mm，其中各點(diǎn)差值均小于10mm。從表4可以看出，相對于上期來說，平面點(diǎn)坐標(biāo)是穩(wěn)定的。

2018年復(fù)測值與首期2014年初值比較，差值最大的點(diǎn)DTX08是24.0mm，差值最小的點(diǎn)DTX18是2.9mm，其中差值大于10mm的有8個(gè)點(diǎn)，大于20mm的有4個(gè)點(diǎn)。相對于首期測量值來說，有4個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)的差值已經(jīng)大于20mm。說明長期來說，受施工等因素影響，平面坐標(biāo)還是不穩(wěn)定的，需要每年進(jìn)行復(fù)測以觀察平面坐標(biāo)變化情況是否滿足施工的需要。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)檢測，DTX03、DTX04和DTX11比較穩(wěn)定，可以作為三點(diǎn)起算法復(fù)測的起算點(diǎn)。

(2)經(jīng)過復(fù)測和與往期測量成果比較分析，基于三點(diǎn)起算法的長條形水利樞紐首級平面施工控制網(wǎng)坐標(biāo)與上期的比較差值均在10mm以內(nèi)，滿足規(guī)范精度要求；但是與首期的比較，差值大于10mm的有8個(gè)點(diǎn)；所以長條形水利樞紐首級平面施工控制網(wǎng)成果宜每年復(fù)測一次，并以最新的復(fù)測成果為準(zhǔn)。

(3)目前該大型長條形水利樞紐工程主體工程施工已竣工并蓄水發(fā)電通航，實(shí)踐證明三點(diǎn)起算法布設(shè)首級GNSS平面施工控制網(wǎng)能滿足大型長條形水利樞紐工程施工需要。

(4)不足之處是復(fù)測時(shí)對起算點(diǎn)只進(jìn)行了邊長檢測，未進(jìn)行測角檢測。