向家壩升船機工程高精度平面控制網設計研究

李宗春,李 干,2,張冠宇,李東明

(1.信息工程大學測繪學院,河南 鄭州 450052;2.72946部隊,山東 淄博 255020;3.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心,河南 鄭州 450006)

工程控制網是工程項目的空間位置參考框架,是針對某項具體工程建設、測圖、施工和管理的需要,在一定區域內布設的平面和高程控制網[1-2]。向家壩升船機是向家壩水電站的永久通航設施,其在整個向家壩水利工程中屬于一個復雜大型建筑物。這類工程的高精度控制網包括施工控制網和變形監測網,又分為平面控制網和高程控制網。高精度體現在相鄰點的點位中誤差和網中最弱點的點位中誤差達到毫米級甚至亞毫米級[2]。

某測量機構已為向家壩水利樞紐工程布設了施工控制網,控制網等級為二等,主要用于整個樞紐工程建設的施工控制。但升船機工程靠近向家壩樞紐左岸,由于遮擋和距離較遠等原因,現有控制網點不能滿足升船機土建施工、設備安裝以及變形監測的需要,需要專門為升船機建立高精度專用控制網。在此情況下,本文主要討論升船機高精度平面控制網的布設。

1 向家壩升船機工程概況

向家壩水利樞紐工程位于云南省水富縣(右岸)和四川省宜賓縣(左岸)境內,其中升船機工程位于樞紐左岸,其中心線與壩軸線交角90°,左、右分別與沖沙孔壩段和廠房壩段相鄰,由上游引航道、上閘首(包括擋水壩段和渡槽段)、船廂室、下閘首和下游引航道(包括輔助閘室和輔助閘首)等5部分組成,全長約1530 m,其中船廂室為主要工程,長116.00 m,寬19.00 m,高 153.00 m,底板高程255.00 m。圖 1為該樞紐工程的平面布局圖和現有控制網點分布圖,由于受到二期縱向圍堰遮擋,在升船機高程255.00 m平面處(升船機船廂室底部),壩左岸能看見2個現有網點,但垂直角過大;壩右岸能看見5個現有網點,但距離均超過600 m,因此,現有控制網點不能滿足需求。

圖1 向家壩升船機工程概況

2 向家壩升船機平面控制網設計

升船機主體工程屬于超高建筑,工程宏大、設備繁多、技術復雜,各種埋件以及設備的安裝定位要求高,不宜布設統一的三維控制網,因此將高程控制網和平面控制網分開布設[3]。為了進行研究,闡述了傳統布設方案,分析了傳統方案的不足,在此基礎上提出基于施工坐標系的新布設方案。

2.1 傳統布設方案

根據控制網層與級的概念,分兩層布設平面控制網[4]。基本步驟為:首先,在升船機船廂室大底板上布設2～3個點,將其與右岸通視的穩定控制點組成全站儀邊角網作為第一層控制網;其次,以首級控制網得到的大底板上的2～3個點為起算數據,在大底板上布設一定數量的點組成全站儀邊角網作為第二層控制網,指導施工控制、設備安裝;定期復測第一層控制網修正大底板上的網點變形,相當于一直以外部控制點指導施工控制、設備安裝。這里,第一層控制網只為第二層控制網傳遞必要的起算數據,并不在精度上控制第二層控制網,相當于將第二層控制網“掛”到第一層控制網上。

由于升船機在施工過程中不可避免要產生變形,船廂室大底板上的控制網點會發生位移,傳統方案在定期復測第一層控制網時,用外部穩定點修正大底板上的網點,這樣看似整個施工過程由外部穩定控制點控制,但整個升船機各段的施工參考基準隨著大底板上控制網點的位移發生了變化,整個工程的參考基準并不統一,這就降低了控制精度,特別當大底板上控制網點的位移較大時,會給工程帶來一定安全隱患。

2.2 基于施工坐標系的布設方案

定義升船機施工坐標系,在其基礎上布設平面控制網。基本步驟為:首先,根據現有控制網點,復現升船機施工平面坐標系;其次,在升船機施工平面坐標系下布設平面控制網;同時,在施工過程中定期復測和聯測升船機的平面控制網,保證整個工程的施工基準統一于升船機施工平面坐標系。

2.2.1 施工坐標系的定義

升船機工程在向家壩水利樞紐工程中屬于一個相對獨立的大型建筑物,在建造過程中有其獨立施工坐標系。如圖2所示,定義平面坐標系原點O位于大底板左下角,X軸與壩軸線垂直且與船廂室大底板的F軸線平行,指向下游方向為正,Y軸與壩軸線平行,指向左岸方向為正,構成平面直角坐標系;定義Z軸沿鉛垂方向,垂直向上為正,零點位于升船機高程255.00 m平面內。

圖2 升船機平面坐標系示意

2.2.2 施工平面坐標系的復現

施工平面坐標系的復現核心思想:通過一點確定坐標系位置,通過一條邊方位確定坐標系指向。如圖3所示,根據觀測條件和儀器的不同,本文設計有“一點一方向法”和“多點法”兩種測量方案,“一點一方向法”方案:首先,根據設計參數在大底板中心位置粗放樣控制點D1,將D1和右岸的穩定控制點(由于遮擋無法通視左岸的點,可只用右岸的穩定控制點),解算D1坐標,然后根據升船機設計參數,通過歸化法精確調整D1到設計位置,即定位升船機坐標系;其次,在D1上通過方位測量(天文定向測量法或陀螺經緯儀測量法)確定坐標系的方向,以上過程就復現了升船機平面坐標系。

圖3 升船機坐標系復現方案

“多點法”方案:以布設3點為例,在大底板中心布設D1點,F軸線兩端布設D2、D5點,采用高精度全站儀,按邊角網聯測三個點與右岸的穩定控制點(由于遮擋無法通視左岸的點),解算D1、D2、D5坐標,然后根據升船機設計參數,通過歸化法調整D1、D2、D5到設計位置 ,其中D2-D5邊平行于 X軸,這樣 D1、D2、D5三點就復現了升船機平面坐標系。

2.2.3 平面控制網布設

升船機坐標系的復現確定了升船機坐標系的絕對位置和方向。如圖4所示,在 D1、D2、D5的基礎上,放樣其它網點,構成升船機平面控制網。將D1-D11與外部穩定點進行聯測,聯測結果作為升船機平面控制網的首期觀測數據。

圖4 升船機平面控制網

2.2.4 平面控制網的聯測和復測

升船機平面控制網點位于船廂室大底板上,該區域會產生變形,需要定期與兩岸穩定控制點進行聯測,然后將定期聯測結果與首期聯測結果進行比較,觀察控制網的整體變形,該過程類似于大壩的變形監測[5]。其中兩個主要聯測網為:①升船機船廂室高程達296.00 m時,下閘首建成,下閘首可通視左右岸的穩定控制點和D1～D11,將這些點組成邊角網進行聯測;②升船機船廂室高程達392.00 m時,上、下閘首均建成,上、下閘首可通視左右岸的穩定控制點和D1～D11,將這些點組成邊角網進行聯測。如果聯測結果發現控制網整體變形超過安全值,說明整個工程存在安全隱患,反之,說明整個工程安全穩定。

平面控制網聯測可以發現升船機專用控制網的整體變形,但不能精確反映網點內部的相對位置關系的變化,而升船機專用控制網要指導整個升船機的土建施工、部件安裝及變形監測,其內部可靠性極其重要,因此需要定期對升船機平面控制網進行復測,用網內相對穩定的控制點修正變形較大的點,以保證升船機專用控制網各網點相對關系的現勢性,并以每次復測并修正后的升船機專用控制網結果指導土建施工、部件安裝以及變形監測。

以上過程保證整個施工過程都是在升船機設計坐標系下進行,至于設計坐標系的整體位移只要在安全指標范圍內即可。

3 向家壩升船機平面控制網計算分析

根據向加壩升船機工程現場條件和已有控制點數據,模擬分析“基于施工坐標系的布設方案”。基于VC++平臺設計了模擬觀測值生成程序,根據實際測量能達到的精度,在模擬的理論觀測值上加入服從正態分布的隨機誤差,從而生成了一組能反映實際觀測精度的模擬觀測值,采用“南方平差易2005平差軟件”對模擬觀測值進行平差計算[6]。

3.1 升船機坐標系的復現模擬計算

考慮到施工控制網部分邊的邊長較短,控制點間距離變化較大、高差大,實際觀測中對中誤差、調焦誤差、垂直角誤差引起的測邊誤差、測角誤差較大,以及選擇儀器的不同。按測角中誤差、測距中誤差為(3.2″,2.0mm)、(2.8″,1.5mm)、(2.5″,1.2mm)、(2.0″,1.0mm)四組不同測量精度分別進行模擬計算,結果見表1。

表1 升船機坐標系的復現模擬計算結果 單位:mm

表1結果表明:“一點一方向法”得到的D1點的點位精度為1.6mm～3.5mm;“三點法”的點位精度略優于“一點一方向法”,D2-D5邊的方位精度約為6″～11″。“一點一方向”中采用陀螺經緯儀定向,定向精度可達5″[7]。對于升船機坐標系的復現,用于定位升船機位置的點(D1或D1、D2、D3)的點位精度對后期布設升船機施工控制網幾乎無影響,其只反映整個升船機位置精度(表中精度均能滿足要求);而升船機坐標系的方位精度要求較高,其用于保證升船機與壩主體垂直。因此在角度測量誤差優于2.0″,距離測量誤差優于1.0mm時,可認為兩種方法精度相當;在角度測量誤差大于2.0″,距離測量誤差大于1.0mm時,“一點一方向法”優于“三點法”(主要考慮方位精度)。實際工程中應根據測量儀器和觀測條件決定的測量誤差以及工程精度要求選擇合適的測量方法。

3.2 升船機平面控制網模擬計算

對圖3的升船機平面控制網,點位分布均勻,距離較短,綜合考慮目前高精度全站儀所能達到的測角和測距精度及野外測量條件,按測角中誤差、測距中誤差為(1.4″,1.0mm)進行模擬計算,以 D1、D2的坐標為起算數據,平差結果見表2,點位精度優于0.5mm。

表2 升船機平面控制網平差結果 單位:m

3.3 升船機平面控制網復測模擬計算

升船機專用控制網的復測是為了發現控制網點的局部變形,用網內相對穩定的控制點修正變形較大的點,以保證升船機專用控制網各網點相對關系的現勢性,提高控制網內部可靠性。

人為在D3、D7(隨機挑選的點)理論值上分別加入1.2mm、1.8mm的模擬誤差,按測角中誤差、測距中誤差為(1.4″,1.0mm)模擬一組新的觀測值,相當于D3、D7產生局部位移,進行模擬計算。平差結果如表3,其中dX和dY為坐標平差值和理論值的較差,易發現D3,D7點的坐標偏差和人為加入的模擬誤差值相當,前者稍大是由測量誤差引起的,其它點的微小偏差也是由測量誤差引起的。上述結果說明通過控制網的復測可以發現D3、D7點的位移,即能發現控制網點的局部變形。在實際測量過程中,對控制網進行擬穩平差,確定實際變形點,然后用穩定的控制點來維持坐標系的一致。

表3 升船機控制網點平面坐標及較差 單位:m

3.4 升船機平面控制網聯測模擬計算

在255.00 m、296.00 m、382.00 m高程平面處,分別將升船機平面控制網點、兩岸穩定控制點及上、下閘首點進行聯測,分析升船機控制網的整體變形。

296.00 m、382.00 m高程平面處控制網聯測時,在升船機平面控制網點上分別加入(σx=1.5mm,σy=4.0mm)、(σx=4.5mm,σy=5.0mm)的模擬位移(相當于升船機平面控制網發生整體位移),由于部分邊較長,網中邊長長短不一,按測角中誤差、測距中誤差為(2.5″,1.2mm)分別進行模擬計算,各網點坐標相對255.00 m高程平面處的差值見表4。

表4 升船機平面控制網聯測結果 單位:m

結果顯示,平差計算得到的坐標偏差與加入的模擬偏差值相當,前者稍大于后者是因為模擬值中含有測量誤差,即說明控制網聯測可以發現控制網的整體位移。在實際測量過程中,如發現整體變形在工程指標允許值內,說明工程安全穩定,反之,說明工程存在安全隱患。

值得說明的是,本文算例是在向家壩實際控制點位坐標基礎上模擬生成理論觀測值,并綜合考慮測量儀器精度和野外作業條件,合理加入測量誤差,進行模擬計算,其結果完全能反映實測達到的效果。

4 結 論

大型水利樞紐工程的高精度控制網的布設研究是工程的一項關鍵技術,其關系到工程的質量、施工進度、安全性等。通過對向家壩升船機高精度平面控制網布設進行研究和模擬計算分析,得出以下結論:

(1)大型復雜工程有獨立的施工坐標系,整個工程施工控制網應建立在其獨立的施工坐標系下,保證整個工程的施工過程采用統一的參考;

(2)如控制網點處于變形區域,需要定期將其與相對穩定點進行聯測,觀察控制網的整體變形,確保工程安全;

(3)控制網內部可靠性極其重要,需定期對控制網進行復測,發現控制網的局部變形,用網內相對穩定的控制點修正變形較大的點,以保證控制網各網點相對關系的現勢性。

[1]寧津生,陳俊勇,李德仁,等.測繪學概論[M].武漢:武漢大學出版社,2004.

[2]張正祿主編.工程測量學[M].武漢大學出版社,2002.

[3]楊小平.大壩變形監測控制網布設及其基準控制點穩定性分析[J].水利與建筑工程學報,2010,8(2):130-132.

[4]張正祿,鄧 勇,羅長林,等.大型水利樞紐工程高精度平面控制網設計研究—以向家壩為例[J].測繪通報,2007,(1):33-35.

[5]孫現申.論工測網的層與級[J].四川測繪,1995,18(1):23-26.

[6]范鈾,夏玉平,陳一舞.平差易用戶手冊[M].PA2005,廣東:南方測繪儀器公司,2005:10-19.

[7]DTM.Operator's Guide of GYROMAT 2000[Z].2004.