狹長區域水電站施工測量控制網的技術設計與測量

崔新紅

(黃河勘測規劃設計有限公司測繪信息工程院，河南 鄭州 450045)

1 概述

我國的水電開發比重較低，”十二五”規劃綱要提出在做好生態保護和移民安置的前提下積極發展水電。目前，我國的水電資源主要集中在西南地區。以四川為首，四川境內共有大小河流1000多條，水能蘊藏量占整個西部的三分之一。但這些區域河谷狹窄，而落差很大，而中小型的水電站，普遍以隧洞引水式電站進行開發。由于工程施工范圍為狹長區域，施工測量控制網需要兼顧整個施工區，而狹長的測量控制網在施測時存在如邊長投影長度變形過大、網點布設困難、誤差傳遞路線較長、最弱點精度較差、點位精度難以控制等問題。現以龍壩水電站為例，探討狹長區域施工測量控制網的技術設計、優化及測量。

2 工程概況

龍壩水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州境內龍壩河上，系龍壩河規劃梯級方案中的第三級。龍壩水電站采用隧洞引水式開發，經左岸5.9km長引水隧洞至龍壩鄉上游180m處建地面廠房發電。龍壩水電站總裝機容量為18.0MW，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252～2000)，龍壩電站為小(1)型工程，工程等別Ⅳ等，主要建筑物按5級建筑物設計，次要建筑物及臨時建筑物按5級建筑物設計。龍壩水電站建筑物主要由取水樞紐、引水隧洞、壓力前池、壓力管道、主副廠房、升壓站等組成。

3 技術設計及優化

3.1 技術設計原則

(1)緊密結合龍壩水電站狹長的特點，兼顧主要水工建筑物的位置、地質條件、地形條件，參考工程施工總平面布置圖和有關測繪資料，結合甲方的有關要求，布設壩址、支洞口及廠房施工控制網。特別注意的是，施工區高差達600米，為了滿足施工測量長度變形的要求，需選取兩個不同的邊長投影高程面。對于取水樞紐和隧洞區域，整個平面控制網（LB01-LB16各點）的邊長應投影至2580米高程面上。對于壓力前池至廠房區域的部分控制點（LB13-LB16各點），應將其邊長投影至2280米高程面上。

(2)采用優化設計的理論和方法，顧及控制網的精度、可靠性，兼顧費用原則，通過方案對比，選用科學、先進、經濟合理的設計方案。

(3)采用先進的儀器、設備、軟件，完成控制網的觀測、計算、平差工作，力求施工控制網測量成果質量達到優良級。

(4)設計方案簡明，易于實施，具有明顯的可操作性。

3.2 基本精度指標

三等GPS測距先驗中誤差5mm±1ppm·D。二等水平角測角中誤差±1.0″，單位權中誤差先驗值 (方向觀測中誤差)±0.7″，測距先驗中誤差1mm±1ppm·D，平均邊長相對中誤差1/150000，最弱點的點位中誤差小于±10.0mm。

三等水準先驗單位權中誤差±3.0mm/km，往返測較差和線路閉合差≤±12。按DL/T5173-2003中貫通誤差豎向分配原則，當相向開挖長度＜5km時，洞外豎向中誤差為15mm。若控制網點的高程中誤差對洞外豎向中誤差沒有顯著影響，則其最弱點高程中誤差應小于0.4倍的洞外豎向中誤差，即6mm。

3.3 方案優化

在滿足上述基本精度指標，依據龍壩水電站施工總平面布置圖及有關測繪和地質資料，結合甲方的有關要求，在施工區范圍內選設LB01-LB16、G01-G03共19點 (LB01-LB16為平高點，G01-G03為高程點，BM點為水準間歇點)，組成的施工控制網，然后對此網進行了優化。控制網略圖如下：

3.3.1 優化結果

經實地選點及多種方案比較后，選定平面控制點16個，高程控制點15個（平高控制點12個、高程控制點3個）。平面和高程控制網優化設計最終結果:觀測方向優化為10個，觀測邊長為31條時，網的最弱點點位中誤差為±2.7 mm，最小可靠性因子為0.39，網的平均可靠性因子為0.70；當觀測方向優化為53個，觀測邊長為28條時，網的最弱點點位中誤差為±3.0 mm，最小可靠性因子為0.37，網的平均可靠性因子為0.68；當觀測方向減少至46個，觀測邊長減少至27條時(見圖1)，網的最弱點點位中誤差為±2.91 mm，最小可靠性因子為0.35，網的平均可靠性因子為0.63。此網為優選網型。

三等光電測距邊長觀測23條，三等水準觀測約30 km，三等GPS觀測30站。四等光電測距三角高程12公里。

3.3.2 精度估算

(1)平面控制網估算

2280米高程面平面控制網以LB13為起算點，以LB13-LB14的方位角為起算方位角，共觀測三等光電測距邊長6條。經估算其最弱點點位中誤差為±4.01mm，最弱邊長相對中誤差為1/347600，均滿足設計精度指標，且有一定的富余量。2580米高程面平面控制網以LB13為起算點，以LB13—LB05的方位角為起算方位角，共觀測二等水平角5站，三等光電測距邊長23條，三等GPS觀測30站。經估算其最弱點點位中誤差為±7.46mm，最弱邊長相對中誤差為1/177400，均滿足設計精度指標，且有一定的富余量。優化設計結果見表1

(2)高程控制網估算

高程控制網分為三等水準測量和四等光電測距三角高程兩部分，其精度估算結果見表2。由表2可知，控制網中最弱點高程中誤差為± 4.3mm，滿足設計精度要求。

4 控制網點的造埋

造埋工作是施工控制網測量的基礎工作，點位和標石質量的好壞不僅影響其本身的穩定與安全，還影響到整個控制網的觀測精度與可靠性，同時還關系到控制點是否能夠長期保存和使用。

平面控制網點采用PVC塑管（350mm*350mm）混凝土觀測墩，開挖深度應穿越風化巖層，到達新鮮基巖面以下至少0.2米。

水準混凝土標石點位應選取在穩固耐久區域，且保持標石垂直方向的穩定；標石的底部埋設在凍土層以下，并澆灌混凝土基礎。

5 控制網觀測

5.1 控制網觀測方案

平面坐標系統采用獨立坐標系，中央子午線102°，采用的曲率半徑為6368850m；高程系統采用1985國家高程基準。

表1 2280米、2580米高程面平面控制網點精度估算表（部分點）

由于整個施工區域狹長且落差大，從壩址區至廠房區，落差達600米，為了滿足施工測量長度變形的要求，需選取兩個不同的邊長投影高程面。

5.1.1 平面控制網觀測

平面控制網觀測采用ToPcon Hiper雙頻GPS接收機進行觀測，儀器標稱精度為±（5mm+ 1ppm·D）。GPS以靜態模式分時段、以邊連接方式進行觀測。邊長的校核采用Lecia TCA2003型全站儀（（±0.5mm＋D×10－6）和±0.5″精度指標）。

表2 高程控制網點精度估算表

5.1.2 高程控制網觀測

由于河谷狹長，植被茂密，控制點采用兩岸布設，引水隧洞同岸的控制點，作為方向基準，隧洞的對岸控制網點，作為架設儀器。因此，LB04、LB06、LB09、LB11、LB13各點采用四等光電測距三角高程測量方法，其余均采用三等幾何水準的測量方法。水準儀使用Lecia DNA03型水準儀(每公里往返測高程中誤差0.3mm)。

5.2 控制網測量精度

平面控制網中最弱邊LB06-LB04的邊長中誤 差 為 1/ 238637；最弱點LB06的點位中誤差為2.8mm。三等水準網中，平差后最弱點高程中誤差2.9mm。

結語

1在狹長區域布設高精度施工控制網，采用GPS測量方法，是保證控制網精度的一種經濟、快速和非常有效的作業方法。

2在狹長區域布設施工控制網，宜結合該區域地形、施工布置圖對控制網進行優化，按照需求來布置控制網點及等級。

3川西部山區，中小型水電站眾多，而河流落差較大，依據施工測量長度變形的要求，選取邊長投影高程面。

4隨著科技的發展，PVC塑管可替代傳統的方標或鋼管標，它材質輕盈，結構堅固，使用方便，易于保存，外形美觀。

[1]SL 52-93，水利水電施工測量規范[S].

[2]何惠生，張正祿等.珊溪水電站施工控制網的模擬計算和優化設計[J].大壩與安全，2002（5）.

[3]耿漢文，水利工程施工控制網的優化設計[A].江蘇論壇-電子政務與地理信息技術論文專輯[C].2005.