水利枢纽控制网测量.doc

百色水利枢纽施工控制网测量综述
丁万庆　刘豪杰　王海滨　刘朋俊
黄河水利委员会勘测规划设计研究院，河南　郑州　450003
1　工程概况
　　百色水利枢纽位于郁江支流右江上游河段。坝址距百色市22 km，是一座以防洪为主，兼有发电、航运、灌溉、供水等综合利用的大型水利工程。工程由碾压混凝土重力坝，两座副坝和那禄线通航建筑物组成。电站装机540 MW，4台机组，单机135 MW。水库总库容56亿m3。主坝坝顶高程234 m，最大坝高130 m，坝顶长700 m，宽12 m；银屯副坝为混合料心墙堆石坝，位于主坝东侧约5 km的银屯沟和那禄左沟的分水岭处。坝顶高程为235 m，最大坝高为50 m，坝顶长375 m，宽7 m。香屯副坝为均质土坝，坝顶高程为235 m，最大坝高30 m，坝顶长96 m，宽7 m。
2　技术设计
2.1　设计原则
　　(1)　紧密结合百色水利枢纽工程特点和实际情况，顾及建筑物位置、地形条件、地质条件，根据工程施工总平面布置图和有关测绘资料，结合甲方的有关要求，布设主坝区和副坝区施工控制网。
　　(2)　施工控制网的精度应以能满足施工放样的精度为原则。根据有关施工放样建筑物平面、高程位置的精度，推求施工控制网的精度。即把施工控制网点作为施工放样的起算点，以不考虑起算点误差为原则。
　　(3)　采用优化设计的理论和方法，顾及控制网的精度、可靠性兼顾费用原则，通过方案对比，选用科学、先进、经济合理的设计方案。
　　(4)　设计方案力求简明，易于实施，具有明显的可操作性。
2.2　基本精度指标和使用数据
2.2.1　基本精度指标
　　根据百色水利枢纽工程的特点，选设稳定的控制点作为网的平面起算点。起算点至某一方位作为已知方位，通过优化设计，使平面控制网最弱点的点位中误差小于±3.0 mm，平面网点观测边长间的高差精度必须满足边长改化的精度要求，经估算平面网点的高程精度应不低于三等水准。
　　从“工程意义”上认为相对稳定区域选设1组高程基准点，作为施工控制网的高程起算点。高程控制网的精度为每km高差中数的偶然中误差应小于±1.0 mm。高程控制网最弱点的高程中误差应小于±3.0 mm。
　　平面控制网应进行可靠性分析。观测量的最小可靠性因子应大于0.2,网的平均可靠性因子应大于0.4。
2.2.2　使用数据
　　满足以上设计精度指标，需使用以下数据：
　　测角中误差±1″.0；
　　单位权方向中误差先验值±0″.7；
　　测距先验中误差1 mm+1ppm*D；
　　二等水准先验单位权中误差±1.0 mm/km；
　　三等水准先验单位权中误差±3.0 mm/km。
2.3　方案的优化
　　在满足以上基本精度指标和使用数据的基础上，依据主坝区总平面布置图及有关测绘和地质资料，结合甲方的有关要求，在主坝区选设P101-P110共10点组成的主坝区平面控制网，然后对此网进行了优化。
2.3.1　边角全测网
　　根据已有的10个控制网点，当采用在每一测站对能通视的所有点都进行观测时，共需观测方向72个，边长34条。此网的最弱点点位中误差为±2.7 mm，最小可靠性因子为0.37，网的平均可靠性因子为0.72。
2.3.2　观测部分边角网
　　对上述边角全测网进行优化，当观测方向优化为60个，观测边长为31条时，网的最弱点点位中误差为±2.7 mm，最小可靠性因子为0.39，网的平均可靠性因子为0.70；当观测方向优化为53个，观测边长为28条时，网的最弱点点位中误差为±3.0 mm，最小可靠性因子为0.37，网的平均可靠性因子为0.68；当观测方向减少至46个，观测边长减少至27条时(见图1)，网的最弱点点位中误差为±2.91 mm，最小可靠性因子为0.35，网的平均可靠性因子为0.63。此网为优选网型。
2.4　观测方案设计
2.4.1　设计要点
　　(1)　施工平面控制网的坐标系统应与规划设计阶段的坐标系统相一致，主坝与副坝控制点坐标应位于一个投影带内。
　　(2)　平面控制网的边长应投影至指定的高程面上，控制点的坐标应计算至指定的高程面上，并施加工程保密系数。
　　(3)　平面控制点应埋设具有强制对中设备的混凝土观测墩，且外加钢管保护。高程控制点应设置保护盖保护井等保护设施。埋设的标墩、标石必须做到牢固、稳定、易于长期保存。
　　(4)　施工控制网应定期进行复测，为施工放样提供不同时期准确的测绘成果。
　　(5)　根据本工程的特点，经多种方案对比及优化，确定平面控制网观测精度为二等，平面控制点的高程精度为三等；高程控制网的观测精度为二等，高程控制网的联测精度为三等。联测的高程起始点应进行校标，以判断高程起始点的稳定性。
　　(6)　经过优化设计，平面控制网的估算精度和可靠性指标见表1。高程控制网的最弱点的高程中误差经估算均小于±3.0 mm。
表1　控制网的设计精度、估算精度、观测精度比较表

项　　目
主坝区控制网
香屯副坝控制网
银屯副坝控制网
设计精度
估算精度
实测精度
设计精度
估算精度
实测精度
设计精度
估算精度
实测精度
测角中误差/ ″
±1.0
±1.0
±0.62
±1.0
±1.0
±0.81
±1.0
±1.0
±0.33
最弱边相对中误差
1/250 000
1/300 000
1/580 000
1/250 000
1/4300 00
1/370 000
1/250 000
1/350 000
1/1030 000
点位中误差/mm
±3.0
±2.9
±1.7
±3.0
±1.9
±1.2
±3.0
±2.0
±0.4
观测量最小可靠性因子
＞0.20
0.35
0.35
＞0.20
0.37
0.37
＞0.20
0.32
0.32
网的整体可靠性因子
＞0.40
0.63
0.63
＞0.40
0.50
0.50
＞0.40
0.50
0.50

2.4.2　观测方案设计
　　(1)　平面控制网
　　经方案优化设计，确定主坝区平面控制网选用P101～P110共10点组成的边角混合网。在香屯和银屯副坝各设一个大地四边形，点名分别为P201～P204、P301-P304，构成副坝区平面控制网，见图1。

图1　百色水利枢纽平面施工控制网图
　　(2)　高程控制网
　　主坝区高程控制网布设于坝轴线附近右江两岸道路旁，共设13座标石。其中高程起算点设在右江右岸从“工程意义”上认为相对稳定的乐屯沟口，布设3个基岩标为一组的组标。坝轴线两端各埋设一座基本岩石标。以上标石组成两个水准闭合环，在坝轴线的上、下游各设一处跨河水准，中间一处利用平圩大桥做跨河水准。在两个副坝区各埋设3座水准标石分别组成两个闭合环，点名分别为G201～G203、G301～G303，构成副坝区高程控制网。在主坝与银屯副坝、银屯副坝与香屯副坝之间各埋设4座水准标石，点名分别为GX01～GX04、GY1～GY4，以水准支线连接。以上所有水准点构成百色水利枢纽高程控制网，见图2。

图2　百色水利枢纽高程施工控制网图
3　控制网点的造埋
　　造埋工作是施工控制网测量的基础工作，点位和标石质量的好坏不仅影响其本身的稳定与安全，还影响到整个控制网的观测精度和可靠性，同时还关系到控制点是否能够长期保存和使用。因此，标石的埋设应确保其稳固、可靠、美观、便于长期保存和使用。
　　平面控制网点埋设带有强制归心装置的钢管混凝土观测墩，且外加钢管保护帽。强制对中装置采取特殊措施施工，其平整度及安装精度直接影响观测成果精度。高程控制点埋设不锈钢标志，外加钢板保护盖和混凝土保护井。为便于长期保存和使用，保护帽、保护盖和保护井设不锈钢专用保护锁锁定。标墩钢管外壁涂防蚀剂，然后用防护漆油漆成白色。钢管壁及保护井上印制“测量标志、严禁破坏”、点名、建造单位和建造日期等字样。
　　多数控制点埋设在基岩上。由于枢纽区覆盖层厚，个别平面控制点无法埋设在基岩上时，除加大其底盘面积外，在底盘四周及中央各设一个钢管阻滑桩。阻滑桩的深度不小于2.0 m。个别高程控制点无法埋设在基岩上时，加大了标石的底盘面积和柱石体积。
4　控制网的观测
4.1　观测方案
　　平面坐标系统采用联测于1954年北京坐标系的独立坐标系，3°分带，带号为35主副坝坐标统一于一个投影带内。高程系统采用1956年黄海高程系。控制网的水平角、边长及高差观测、控制网验算、精度评定及平差等，统一使用国内领先水平的《高精度控制测量自动化系统》进行，使用HP200掌上型计算机记录数据。
4.1.1　平面控制网
　　主坝区平面控制网以P106为起算点，P106至P104的方向为起算方位，按二等精度使用0.″5级的电子经纬仪观测水平角12测回，使用1 mm+1 ppm*D精度的测距仪往返观测边长4测回，观测网型见图1。边长观测经仪器加、乘常数改正、气象改正、倾斜改正，最后边长归化至指定的高程面。空间归算选用高程法进行。
　　香屯副坝平面控制网以P201为起算点，P201～P203的方向为起算方位；银屯副坝平面控制网以P301为起算点，P301～P303的方向为起算方位。其它要求同主坝区控制。
4.1.2　高程控制网
　　高程控制网观测见图2，观测等级为二等，使用NI002自动安平水准仪观测。平面控制网点的高程联测精度为三等，使用NI007自动安平水准仪观测。
4.2　控制网的观测精度
4.2.1　平面控制网
　　平面控制网的观测精度见表1。
　　从表1中可以看出，平面控制网的测角中误差最大值为±0.″81，优于±1.″0的设计指标；最弱边相对中误差最大为1/370000，优于1/200000的设计指标；最弱点的点位中误差最大为±1.7 mm，优于±3.0 mm的设计指标；观测量最小可靠性因子均大于0.2，网的平均可靠性因子均大于0.4。
4.2.2　高程控制网
　　二等水准观测的每公里高差中数的偶然中误差为±0.54 mm，优于±1.0 mm的设计指标。三等水准观测的每公里高差中数的偶然中误差为±1.46 mm，优于±3.0 mm的设计指标。高程控制网最弱点的高程中误差为±1.24 mm，优于±3.0 mm的设计指标。
4.3　控制网的联测
　　平面控制网与国家三角点或坝址区测图控制网相联测。联测后求出平面施工网的起算点坐标和起算方位。高程控制网与附近的国家水准点相联测。联测后的控制网进行了校测，校测合乎要求后，作为控制网的起算数据。
4.4　控制网精度的验证
　　控制网的观则精度表明：观测控制网的最弱点的点位中误差、测角中误差、测距中误差、二等及三等水准单位权中误差，均满足设计指标，且有较高的精度富裕量，有利于施工加密的扩展。观测结果对控制网的设计进行了验证。
5　结语
　　(1)　百色水利枢纽施工控制网点的设计、造埋、观测借鉴了黄河小浪底等大型水利枢纽施工控制网、变形测量控制网的设计、造埋、观测及计算等方面的经验，观测使用先进的TC2002电子全站仪，外业记录载体使用HP200掌上型计算机，记录软件使用《高精度控制测量自动化系统》，进行自动记录、校核、计算、储存、平差、打印成果表等，实现了测量内外业一体化、自动化，减少了工人干预，提高了成果的可靠性，工作效率提高30%以上。
　　(2)　为确保高程控制网的观测精度，二等水准观测采用了可用于观测一等水准精度的NI002自动安平水准仪，三等水准观测采用了可用于观测二等水准精度的NI007自动安平水准仪。即使用的仪器比其必要的观测精度提高了一个等级，确保了本控制网的观测精度。
　　(3)　在控制网的设计、造埋、观测工作过程中，开展“三环节”管理，严格按ISO9001质量体系文件运行。
　　(4)　高精度的施工控制网应定期进行复测，复测周期以1年为宜，以确保不同时期都提供准确的测量成果。随着主体工程的开工，在大江截流蓄水以前，应及时建立水利枢纽工程的变形测量控制网，并取得初始值，为大坝变形观测提供可靠的基准，以确保工程的施工、运营阶段的工程安全。
　　(5)　高精度控制网的设计、造埋、观测等工作还可能遇到更多的技术难题，有待于以后我们继续探索。