位于高山峽谷地區的水電站平面控制網建設

付 慶 偉

(四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川 成都 610072)

1 概 述

由于GPS在布設控制網方面具有可全天候觀測、觀測時間短、布設靈活、控制點之間相對精度高、觀測處理自動化等優點，已被廣泛應用到各類工程的施工控制網建設中。常規控制網要求相鄰點之間必須保證互相通視，但高山峽谷地區由于地形條件限制，往往不能完全滿足互相通視的要求，而GPS控制網在此方面具有非常明顯的優勢。高山峽谷地區水電資源豐富，水電工程一般都在峽谷的谷底布置，但GPS測量的天空角條件特別差，而河谷左岸和右岸控制點的天空角條件又處于完全相反的方向，不僅使接收到信號的相同衛星數量較少而導致多余觀測值較少，而且由于天空角較小，使得交會的精度受到嚴重影響。因此，在高山峽谷地區建立高精度GPS帶狀控制網有一定的困難，需要進行試驗和探討。筆者通過金沙水電站平面控制網的建設，探討了施工控制網的布設、數據處理、質量控制和精度統計等方面的內容。

2 金沙水電站工程控制網建設

2.1 工程概述

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是上游觀音巖水電站和下游烏東德水電站之間金沙江干流河段的銜接梯級電站，為《金沙江干流綜合規劃報告》中推薦梯級開發方案中的重要樞紐，壩址位于四川省攀枝花市西區，控制流域面積25.89萬km2，多年平均流量1 870m3/s，年徑流量590億m3。

金沙水電站設計正常蓄水位高程1 022 m，電站裝機容量560 MW，保證出力110.1 MW，多年平均發電量23.18 億kW·h。金沙水電站發電為其主要功能，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對觀音巖水電站具有反調節作用等。

金沙水電站工程的概略位置：東經101°37’～101°40’，北緯26°34’～26°36’，地處深山峽谷，測區內高程約1 000 m以上，地形交通條件十分復雜，從而給控制網布設和觀測工作帶來不利影響。

2.2 布網原則

建網過程中，充分考慮了控制網精度需要，盡可能地優化了首級控制網的網型，減小了由于網型結構帶來的系統誤差；同時，考慮到測區內邊坡穩定性及不均勻沉降對控制點穩定性的影響，以及測區的氣象、水文、地質條件對確定建網時間和測量作業時間的影響；控制網除滿足布網要求外，還考慮了施工加密控制網布測的需要。其網型結構見圖1。

2.3 施測方案

結合項目現場情況，為保證控制網的精度，采用6臺Trimble雙頻接收機對控制網按照靜態相對定位方式進行施測。施測前，依據測區的平均經、緯度和作業日期編制了GPS衛星可見性預報表，根據該表進行了同步觀測環設計及觀測時間段設計，編制了作業計劃進度表。衛星高度角大于15°，有效衛星數大于5顆，幾 何 強 度 因 子PDOP小于6，數據采樣間隔為15 s?？刂凭W采用邊連接形式布測且遵循以下原則：重復設站率不小于2，網中每點至少有3條獨立基線與之相連接。觀測分兩步進行:(1)控制網聯測：選取首級控制網的3個網點(JⅡ02、JⅡ07、JⅡ11)與3個Ⅱ等國家三角點同步觀測，觀測2個時段，每個時段長度不少于4 h，將國家點坐標引至測區；(2)首級施工控制網觀測：采用6臺GPS接收機按二等GPS網的要求按邊連接實施，觀測2個時段，每個時段長度不少于4 h，天線高量取至天線標志中心，每時段觀測前后各量取天線高一次，兩次較差小于2 mm，取平均值至0.1 mm。

圖1 攀枝花金沙水電站平面控制網示意圖

2.4 技術指標

該施工控制網按二等網布設，平面精度應滿足最弱邊相對中誤差1/150 000、最弱點點位中誤差±5 mm的要求。

3 數據處理

3.1 平面坐標系統

根據工程特點和甲方需要，施工控制網采用以下坐標系統：

(1)國家坐標系：1954年北京坐標系，3度分帶，中央子午線102°，高斯正形投影成果；

(2)抵償坐標系：1954年北京坐標系，中央子午線102°，邊長投影至990 m高程面坐標成果；

(3)工程獨立坐標系：大壩坐標系(Y軸平行于壩軸線指向右岸，X軸垂直于壩軸線指向下游坐標系)，投影高程面為990 m(圖2)。

3.2 起算數據檢驗

起算數據為國家Ⅱ等三角點，分別為“楊家、坪”、“小營盤”和“力子非”。經過對起算點設站觀測進行檢驗，確認“力子非”與“楊家坪”和“小營盤”的兼容性較差，因此在平差計算時以“力子非”為檢查點，以“楊家坪”和“小營盤”為起算點。

圖2 大壩獨立坐標系示意圖

3.3 基線解算和觀測數據檢驗

GPS觀測數據的基線處理采用美國Trimble公司商業辦公軟件 TBC進行。外業檢驗中相鄰點間的弦長精度按下式進行計算。

同步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差滿足以下規定：

異步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差滿足以下規定：

GPS控制網復測基線和環線閉合差較差均滿足《水電水利工程施工測量規范》(DL/T 5173—2012)相關精度要求，表明外業觀測數據正確、可靠。

3.4 控制網平差

(1)在1954年北京坐標系下控制網平差：以國家二等三角點“楊家坪”和“小營盤”作為起算點使用Power Adj4.0軟件進行約束平差計算，TBC軟件進行校核計算，求得壩區施工控制網12個點(JⅡ01～ JⅡ12)的1954年北京坐標系成果。

以所求得的JⅡ02坐標為起算坐標，JⅡ02至JⅡ11的方向角(286°33′28.98″)為起算方位角，對施工控制網中12點進行無約束平差，從而求得1954年北京坐標系，中央子午線102°，3度分帶，高斯正形投影成果。

(2)在高程面990 m上控制網平差：以(1)中JⅡ02的1954年北京坐標系下的成果作為起算坐標，JⅡ02至JⅡ11的方向角(286°33′28.98″)為起算方位角，將GPS觀測邊及TCA2003往返精密測距邊平均值投影至990 m，采用長江勘測科技研究所研制的軟件“平差數據處理系統”進行無約束網平差，得到抵償系坐標中的成果。

(3)在大壩獨立坐標系下控制網平差：取大壩最右岸導流孔右側壩段間分縫線與壩軸線交點為基點(設坐標為X大壩=5 000、Y大壩=464 500)，對樞紐進行旋轉，使壩軸線與大壩坐標系坐標軸正交，Y軸平行于壩軸線指向右岸，X軸垂直于壩軸線指向下游,以旋轉后的JⅡ02大壩坐標(X=5 064.356 3，Y=464 654.524 3)作為起算坐標，旋轉后的JⅡ02至JⅡ11方向角(267°01′48.58″)為起算方位角( 將GPS觀測邊及TCA2003往返精密測距邊平均值投影至990 m)，采用 “平差數據處理系統”進行統一平差(采用Power Adj4.0進行校核計算)，得到工程獨立坐標系的成果。

4 精度統計

表1列出了“力子非”1954年北京坐標系下的檢驗成果，將其與原有成果相比，該點位在東西方向出現了較大的位移。

表2列出了1954年北京坐標系下控制網中相鄰最弱邊JⅡ01-JⅡ03的邊長相對中誤差，其相對精度滿足技術要求。表3為1954年北京坐標系下的加密點位精度統計，各點位均滿足5 mm的技術要求。

表1 起算點檢核表

表2 最弱邊長相對中誤差表

表3 點位精度統計表

5 結 語

大型結構體如水電站大壩或軌道交通的施工、運營和維護離不開平面高精度控制網的建設，因此，布設并維持高精度控制網是非常有必要的。筆者通過金沙水電站的平面控制網建設，介紹了高精度控制網布設、觀測和內業數據處理的流程，最后對成果進行了精度統計。結果表明，控制網精度滿足設計要求。

參考文獻：

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