GPS配合三角高程測(cè)量在水利水電工程中的應(yīng)用

饒錦興

（福建安瀾水利水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司，364000，龍巖）

水利水電工程處于高山峽谷中，交通不便，植被茂密，國(guó)家控制點(diǎn)稀少，工程開發(fā)過(guò)程中面臨著水頭高、輸水隧洞長(zhǎng)等困難。近年隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，其“高精度、高效益、高可靠性、高自動(dòng)化”的優(yōu)勢(shì)在水利水電工程中得到了更好地體現(xiàn)。福建龍巖富溪調(diào)水工程即為一例。

一、龍巖富溪調(diào)水工程概況

富溪為雁石溪一條支流，屬九龍江北溪流域，河流多在人跡罕至的高山峽谷中穿流，兩岸陡峭，水流湍急，它分一、二級(jí)開發(fā)向龍巖中心城市供水。一級(jí)水庫(kù)經(jīng)調(diào)節(jié)后流入二級(jí)水庫(kù)，二級(jí)水庫(kù)距離富溪與林邦溪、雁石溪交匯口8.1 km。工程攔河壩為C15細(xì)石混凝土砌石重力壩，最大壩高65.5 m,并有輸水隧洞3 km，在供水過(guò)程中利用管路落差進(jìn)行發(fā)電，然后再供水到水廠。

二、控制網(wǎng)布設(shè)

1.等級(jí)的選擇

按 《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197—1997）中的要求，為保證發(fā)展次級(jí)網(wǎng)及施工的精度，選擇四等（D）GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)的首級(jí)平面控制網(wǎng)，最弱相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差四萬(wàn)分之一的精度，相鄰點(diǎn)最小間距不小于500 m，相鄰點(diǎn)平均間距不小于2 km。見圖 1， 其中 GPS1、GPS2位于進(jìn)洞口，C300、C100 位于出洞口，GPS9 與0010位于水廠，為已知點(diǎn)。

2.GPS網(wǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

采用4臺(tái)中海達(dá)HD—8200G型GPS接收機(jī)按靜態(tài)定位模式觀測(cè)，接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)精度為±（5 mm+1 ppm×D），每段觀測(cè)1小時(shí)，采用中海達(dá)HD2003數(shù)據(jù)處理隨機(jī)軟件，采用次小方差與最小方差的比值 （Ratio）大于3作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，基線的解算結(jié)果均滿足軟件本身所給定的參考指標(biāo)。

可見GPS網(wǎng)的點(diǎn)位精度均勻，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差：0.0210，基線最弱邊相對(duì)中誤差 ：GPS1—GPS2：1/40613。為了檢測(cè)網(wǎng)線GPS網(wǎng)的可靠性，使用萊卡TC702標(biāo)準(zhǔn)精度2 mm+1 ppm的全站儀檢測(cè)C300—C100、GPS2—GPS1的邊長(zhǎng)，相差4.8 mm相當(dāng)于二十五萬(wàn)分之一，能滿足水利規(guī)劃施工測(cè)量要求。

表1 平差后基線向量精度

表2 平差后點(diǎn)位中誤差單位：m

表3 觀測(cè)高程數(shù)據(jù) 單位：m

三、高程控制網(wǎng)

由于從進(jìn)洞口GPS2—GPS1邊至出洞口C300—C100邊之間，相隔一座大山，上下游近10 km都無(wú)人煙。而出洞口與水處理池處是通公路的，如果高程采用經(jīng)典方法，往往耗費(fèi)許多時(shí)間和大量的外業(yè)工作量，需要大量的經(jīng)費(fèi)，并且當(dāng)時(shí)規(guī)劃時(shí)間較緊，所以采用GPS高程測(cè)量代替普通水準(zhǔn)測(cè)量。

GPS高程是通過(guò)GPS基線向量經(jīng)過(guò)平差得到的大地高程，大地高程是由地面點(diǎn)到參考橢球體的距離。我國(guó)的法定高程采用的是正常高程，正常高程是觀測(cè)點(diǎn)至似大地水準(zhǔn)面的距離，它們之間存在的差值稱高程異常。而利用區(qū)域中的高程異常點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)方法擬合待定點(diǎn)的高程異常，從而將大地高程轉(zhuǎn)化為正常高程，使得GPS的高程精度得到很大提高，完全可以取代傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)方法。

在本項(xiàng)工程中，GPS9和0010是靠近處理池的兩個(gè)已知點(diǎn)，并且高程也是四等水準(zhǔn)點(diǎn)。我們利用全站儀三角高程，利用已知點(diǎn)GPS9和0010高程對(duì)C300、C100和GPS3進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》采用對(duì)向觀測(cè)，三絲法2測(cè)回，并形成閉合水準(zhǔn)。這樣使得整個(gè)網(wǎng)只剩GPS2、GPS1，未有水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

由于進(jìn)出洞口間相隔一座大山，并且山高林密，所以進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，一組人員提前一天到達(dá)進(jìn)口GPS1、GPS2，并且約定第二天同時(shí)觀測(cè)時(shí)間，在平差時(shí)將 C100、C300、GPS3、0010、GPS9 的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)高程納入高程成果進(jìn)行固定，納入比例達(dá)70%，使大地高轉(zhuǎn)化為正常高，更具有可靠性。

從表3中可以看出相對(duì)誤差最大差值為0.031 m，最小差值為0.018 m，設(shè)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)高程為測(cè)點(diǎn)的正常高真值，擬合高程為觀測(cè)值，則差值為△，偶然中誤差M△=±9.7 mm，符合電磁波測(cè)距三角高程四等要求。通過(guò)GPS網(wǎng)平差，求出GPS1、GPS2坐標(biāo)和高程，并且利用進(jìn)出洞口點(diǎn)進(jìn)行施工放樣，輸水隧洞于2009年順利貫通，貫通橫向，縱向誤差為39 mm、29 mm均符合要求。該工程已于2010年向龍巖城區(qū)供水。

[1]水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水利水電工程測(cè)量規(guī)范 （規(guī)劃設(shè)計(jì)階段）（SL 197—1997[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[2]孫祥元，郭際明，劉宗泉，等.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)（第二版）[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

[3]張勤.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.