水利枢纽控制网测量

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P101P110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P201P204、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G201G203、G301G303，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GX01GX04、GY1GY4，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，P201P203的方向为起算方位；银屯副坝平面控制网以P301为起算点，P301P303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。