淺論小水電工程地面控制測量的方法

蘇勇

【摘要】測量工作在小水電工程建設(shè)中起著重要的作用。結(jié)合自身的測量經(jīng)驗(yàn)，介紹了用GPS與EDM導(dǎo)線建立小水電工程地面控制網(wǎng)的幾種常用并有效的方法。

【關(guān)鍵詞】水力發(fā)電；工程測量；控制網(wǎng)；導(dǎo)線測量

1. 引言

小水電工程按其布置的方式分為堤壩式、引水式和混合式3種。堤壩式電站屬于低水頭大流量型，大多位于水流平緩處，工程主要由大壩、壩后的廠房及庫區(qū)構(gòu)成，一般沒有引水隧洞，這種電站的測量工作比較簡單，只需在壩址處建立控制網(wǎng)，用以測量壩址和庫區(qū)地形圖，測繪工作相對比較簡單；而引水式和混合式電站是高水頭式，它的結(jié)構(gòu)除大壩和廠房外，一般還有引水隧洞、壓力管等。這類電站傳統(tǒng)的地面控制測量方法是建立小三角網(wǎng)，但目前由于GPS和全站儀（測距儀）的全面普及，傳統(tǒng)的小三角網(wǎng)控制已完全被GPS測量或與EDM導(dǎo)線結(jié)合的方法所代替。本文結(jié)合作者多年來小水電工程的測量經(jīng)驗(yàn)，著重介紹引水式或混合式高水頭小水電工程的地面控制測量。

2. 小水電工程的特點(diǎn)

（1）小水電一般裝機(jī)5000KW以下，整個(gè)工程由攔水壩、引水洞（支洞）、壓力管和廠房等組成。引水式或混合式小水電站多處于山地狹谷地帶，交通不便，林木茂盛通視差，它的地面控制測量工作相對于堤壩式電站更加復(fù)雜和困難。這種電站水頭多在30m以上，高的可達(dá)數(shù)百米，引水隧洞由一個(gè)或一個(gè)以上的洞組成，單個(gè)洞長一般小于2Km，洞內(nèi)坡度0.2%，橫向貫通允許限差為20cm，高程貫通限差為5cm。

（2）小水電工程測量工作的主要內(nèi)容有建立平面和高程控制網(wǎng)，測繪庫區(qū)、壩址、進(jìn)出洞口（中洞）、壓力管和廠房的數(shù)字化地形圖（庫區(qū)和其他區(qū)域的比例尺一般分別為1：2000和1：500），以及工程施工放樣。測區(qū)采用任意直角坐標(biāo)系和假定高程系，如是流域綜合開發(fā)，可用區(qū)域內(nèi)或國家統(tǒng)一的平面和高程系統(tǒng)。

3. 地面控制測量

3.1GPS與EDM導(dǎo)線結(jié)合的方法對于高水頭的小水電工程，輸水隧洞的控制是整個(gè)工程的核心。由于小水電工程處位于山地狹谷這種特殊的位置，采用GPS測量往往受到地形條件的限制，不能直接在壩址、進(jìn)出洞口（支洞口）、廠房等關(guān)鍵位置上施測，而只能在附近山脊等開闊處選取合適的點(diǎn)，再用EDM導(dǎo)線延伸至需要的位置上。

（1）在各施工區(qū)如壩址、洞口、廠房等處布點(diǎn)時(shí)，每處至少應(yīng)布設(shè)2～3個(gè)點(diǎn)，并使各相鄰點(diǎn)兩兩通視，最好能組成一個(gè)三角形。GPS觀測的時(shí)間依工程對點(diǎn)位的精度要求不同而不同，一般20～30分鐘即可，檢驗(yàn)測量成果精度的方法，通常有3種：用全站儀（測距儀）測量兩點(diǎn)間的平距與GPS二維約束邊長進(jìn)行比較（同一投影面上）[1]；用全站儀測量單角，與GPS坐標(biāo)反算角度值進(jìn)行比較；用GPS對原測點(diǎn)位在不同時(shí)間進(jìn)行重測等方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

（2）GPS測量的二維精度可靠，但高程精度偏低，其高程中誤差一般為±10cm，不能滿足施工要求而需重新布設(shè)一條具有四等精度的測距三角高程導(dǎo)線或水準(zhǔn)路線，這項(xiàng)測量工作特別是在交通不便的山區(qū)，工作量也是非常大的。

3.2EDM三維導(dǎo)線 測距導(dǎo)線作為小水電工程的地表控制，也是非常合適的。一方面全站儀在生產(chǎn)單位已得到全面的普及，同時(shí)它又有良好的測角、測距精度，目前2秒級全站儀每公里測距精度一般都在3+2ppm（mm）以內(nèi)，另一方面，測距導(dǎo)線選點(diǎn)的自由度大，能在所需要的地方布點(diǎn)，并能一次性完成平面和高程控制測量。為提高隧洞的貫通精度，減少壩址與廠房間的控制點(diǎn)的數(shù)量，導(dǎo)線宜布設(shè)成直伸型。

3.2.1閉合導(dǎo)線：

（1）這種閉合導(dǎo)線的布設(shè)形式為狹長型，A為進(jìn)洞口控制點(diǎn)，D為出洞口控制點(diǎn)，1、2、……6點(diǎn)為中間點(diǎn)，單號點(diǎn)與雙號點(diǎn)各構(gòu)成一條導(dǎo)線，選點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使1與2，3與4等兩兩相鄰的點(diǎn)間距為2m以內(nèi)，并用鋼卷尺量出間距。

（2）觀測時(shí)按閉合導(dǎo)線的要求施測，從A始按1、2、3……6順序至D。水平角、豎直角、斜距的觀測及往返平距和高差的限差要求，視隧洞的長度分別依一或二級導(dǎo)線和四、五等EDM三角高程的要求。這種形式布設(shè)的導(dǎo)線點(diǎn)位坐標(biāo)不僅可以得到檢核和精度衡量，同時(shí)最大限度的減少了工作量。

3.2.2雙支導(dǎo)線：當(dāng)狹長的閉合導(dǎo)線中的某一點(diǎn)或幾點(diǎn)重合時(shí)，即成此類型。這種導(dǎo)線與閉合導(dǎo)線的觀測相同。一般地，這種導(dǎo)線可單雙站交替設(shè)置，在重合點(diǎn)上只需設(shè)置一次儀器或覘牌。計(jì)算既可按兩條支導(dǎo)線單獨(dú)進(jìn)行，也可按閉合導(dǎo)線的方法進(jìn)行計(jì)算（當(dāng)路線交叉時(shí)，只能按雙支導(dǎo)線計(jì)算），此外，還可以比較重合點(diǎn)以及終點(diǎn)的坐標(biāo)值而得到檢核。

上述兩種導(dǎo)線還可通過比較兩鄰近點(diǎn)的實(shí)測距離與它們的坐標(biāo)反算距離進(jìn)行檢核[2]。

3.2.3單支導(dǎo)線：當(dāng)引水洞較短時(shí)（一般小于1.5Km），可布設(shè)成單支導(dǎo)線。觀測的內(nèi)容與各項(xiàng)精度指標(biāo)與上述兩類導(dǎo)線一致。為便于檢核，水平角觀測時(shí)應(yīng)對左右角各觀測一至二測回，圓周閉合差應(yīng)小于10秒。在進(jìn)行距離和高差觀測時(shí)，可用兩次儀高法觀測，以獲得兩組數(shù)據(jù)而得到校核。

3.2.4高程測量：小水電工程的高程測量一般在施測EDM導(dǎo)線時(shí)同時(shí)完成。施測時(shí)按照四等或五等的三角高程要求進(jìn)行，要特別注意各項(xiàng)限差要求，確保精度要求（特別是往返高差），以防返工。也可在條件較好時(shí)用水準(zhǔn)測量的方法觀測高差。

4. EDM三維導(dǎo)線的長度及精度估算

（1）地面導(dǎo)線的建立除了測圖外，主要是為了指導(dǎo)隧洞的開挖并使之貫通，以及放樣攔水壩、廠房及壓力管等，其中最主要的是用于前者。根據(jù)貫通誤差的來源與分配的原則[3]，對于雙向開挖的隧洞。

（2）Mq為貫通誤差，以Mq=10cm代入，Mq=5.8cm，即得地面導(dǎo)線最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差。對于上述的三種形式導(dǎo)線，都可用直伸支導(dǎo)線終點(diǎn)精度的估算方法來估算導(dǎo)線最弱點(diǎn)的精度。在任意平面直角坐標(biāo)系中，支導(dǎo)線由于沒有起算數(shù)據(jù)誤差和因起算數(shù)據(jù)誤差引起的誤差[4]，其最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差的計(jì)算如下式：

根據(jù)大量的EDM一級導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測距精度等于或高于5+5ppm的2″全站儀的測距中誤差≤±5mm，測角中誤差約為±3″[5]，據(jù)此并依（1）式計(jì)算不同長度和邊數(shù)的支導(dǎo)線最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差M。

（3）當(dāng)導(dǎo)線的長度達(dá)到或超過2000m時(shí)，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差達(dá)到或超過了5.8cm，也即在地面導(dǎo)線長度在2000m以內(nèi)時(shí)，可用單支導(dǎo)線（一級導(dǎo)線的觀測要求）控制；當(dāng)長度在2000m以上時(shí)，應(yīng)用閉合或雙支導(dǎo)線作控制，它們的最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為單支導(dǎo)線的 / 倍。

5. 結(jié)論

5.1GPS與EDM導(dǎo)線相結(jié)合用于小水電工程的地面控制測量，是一種效率高、平面精度高，并省力的好方法，但該法投入大，外業(yè)儀器多，高程精度欠佳。在高程精度要求稍低時(shí)（±10cm），可直接用其成果，不需再進(jìn)行四等EDM三角高程測量。

5.2EDM三維導(dǎo)線是小水電工程測量中常用的方法，但布點(diǎn)時(shí)要盡量使導(dǎo)線成直伸狀，以提高精度減少橫向貫通誤差。

5.3對于地面控制導(dǎo)線長度小于1500m的短隧洞，單支導(dǎo)線作為它的地面控制測量方法，是個(gè)很好的選擇，不但省時(shí)省力，而且效益好。該法在近幾年省內(nèi)外的小水電工程的隧洞施工中被作者多次應(yīng)用，效果非常好，貫通誤差均在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。單支導(dǎo)線的測量要注意自身的校核，如測左右角，雙儀高法重測等。

參考文獻(xiàn)

[1]中海達(dá)測繪儀器公司.中海達(dá)GPS數(shù)據(jù)處理軟件Ⅲ使用手冊[M].2003.

[2]陶元洲.單程雙測導(dǎo)線測量[J].《測量員》.1991.（4）.

[3]李青岳等.工程測量學(xué)[M].北京：測繪出版社.1995（第二版）.

[4]本書編寫組.測量學(xué)[M].北京：測繪出版社.1991年（第三版）.

[5]潘寶玉等.城市一、二級EDM導(dǎo)線適宜長度的探討[J]《地礦測繪》.1994，（1）.

[文章編號]1619-2737（2014）03-18-632endprint