基于UTM投影技術的蘇丹上阿特巴拉綜合樞紐工程施工測量技術探討

文 多 祥

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

在水電工程施工測量中，衛星定位測量技術與全站儀三角測量技術和計算機技術日益融合。如何解決全站儀使用UTM坐標？基于高斯投影的加密三角網起算數據如何獲?。咳绾螌崿F倉號測量數據快速處理以及如何使用GPS RTK進行水電工程大體積復雜結構開挖放樣？筆者通過在蘇丹上阿特巴拉綜合樞紐工程中的具體實踐，對其進行了有益的探討。

蘇丹上阿特巴拉水利樞紐工程距蘇丹首都公路里程460 km，工程所在地地勢平緩，6至9月為雨季，其他月份干旱少雨。該項目主要為灌溉，兼顧發電，總裝機容量為135 MW。

2 針對UTM投影問題采取的解決方案

2.1 全站儀如何使用UTM坐標

本工程坐標系統采用通用橫軸墨卡托投影(簡稱UTM投影)。UTM投影中央子午線長度比為0.999 6，對稱于中央子午線±1°40′(約180 km)處的兩條割線，無長度變形。施工區首級GPS控制網以及GPS RTK測量采用UTM投影，而使用全站儀放樣時，發現對任意兩UTM坐標點測量的實際距離和坐標反算距離并不相等。如何解決這個問題？通常采用的方法是確定測區的比例因子，在全站儀中輸入比例縮放因子進行距離縮放后，全站儀將會計算出正確的UTM坐標。

確定測區比例因子(長度比)的方法有公式法和現場測定法兩種。

(1)公式法是根據當地的經緯度計算其長度比u：

cos4B(5-4tg2B)]

式中m0為中央子午線處的長度比，為0.999 6；L為經度，以弧度為單位，化為秒；B為緯度；ρ″=206 264.81″，η2=e′2cos2B，e′為第二偏心率。

(2)現場測定法。通過選取測區中的幾組控制點，用高精度全站儀如TS30精確測定控制點之間的平距與控制點UTM坐標反算距離之間的比值。在上阿特巴拉工程中，通過多組數據求均值后，確定的比例因子為1.000 75。

2.2 加密高精度三角控制網起算數據的計算方法

為保證混凝土澆筑區域有足夠的高精度控制點，要求在廠房布設加密三角控制網。首級網為UTM投影，加密網采用高斯投影并投影到廠房平均高程面500 m。

考慮到將UTM坐標轉換成高斯坐標，其計算較為復雜。在本工程中采用了一種簡單確定加密三角網起算數據的方法。

高斯投影、UTM投影均屬于等角投影，即投影后形狀保持不變?；谶@種保角投影思想，我們選取廠房區域中心點O，其設計坐標為(Y 814 889.2147，X 1 576 374.2208)，取首級網CA13、CA15兩點作為廠房加密網的起算點。以O點為起點，分別計算CA15、CA13的方位角和平距，將平距縮小到1.000 75后再按原方位角計算對應點的坐標，其結果見表1。

表1 起算點在UTM投影下的坐標值和高斯投影下的坐標值表

3 倉面測量數據內業快速處理方法

廠房加密三角網以改算后的CA13、CA15作為起算數據，組網觀測、平差后用于廠房混凝土澆筑階段的施工放樣。

為了驗證兩種坐標系統下的坐標和高程偏差，在廠房區邊緣處地面上任選一點P，分別用一臺流動GPS接收機和一臺TCR802型全站儀以兩套坐標系統測量其三維坐標。從表2結果看，兩套坐標系統測量結果具有顯著的一致性。

表2 幾種測量方法下同一實測點的坐標和高程表

在蘇丹上阿特巴拉工程為代表的非洲地區從事水電工程項目，涉及測量驗收程序復雜、精度要求高，所有驗收測量均為現場采集數據，內業計算成果偏差。由于驗倉測量成果是開倉前非常重要的一環，因此，在外業完成后，內業處理測量數據要求盡可能快速 。

為了快速完成測量成果處理并及時將其報送給相關單位，除了事先必要的準備外，還需要使用專用測量程序。針對該工程相關檢查項目偏差要求，基于VB.NET開發了自動處理倉號驗收測量數據的程序，筆者將其計算思想和基本算法作以下具體分析。

外業數據文件包括日志文件和坐標文件，程序要求能自動對日志文件中的信息進行必要的添加和刪除、對日志文件使用控制點信息進行檢查以及測量成果粗差探測。坐標文件含有模板點、鋼筋點、止水點和埋管點等三維坐標，在通過野外編碼或內業對各點類型屬性進行編輯后，每個點對應不同類型(圖1)。

在程序自動處理模塊中包括模板偏差計算、鋼筋偏差計算、止水偏差計算、埋管偏差計算等各功能小模塊，在其自動處理完畢將偏差成果輸出到EXCEL表格文件中或打印輸出。在Auto CAD設計倉面圖中，將各功能小模塊的設計線設為不同的圖層。其中設計線分為直線LINE和多個轉折點(轉折點為大于或等于2)的多義線POLYLINE，設計面為斜面以直線LINE表示，并將設計線底部高程和坡比輸入到直線起點Z值和端點Z值中。在需要考慮設計線偏距的情況下(如鋼筋保護層)，將其偏距輸入到多義線的標高值中。

圖1 混凝土倉號偏差自動處理程序界面圖

各種偏差計算功能模塊程序計算方法如下：

(1)模板點偏差計算：分別計算任意一點距離各設計邊線的距離D，距離最短的設計邊為正確的設計邊。計算點到直線的距離一般采用施工坐標轉換公式：

D= -1 × (實測點X值 -設計線起點X值)×sin(設計線方位角) + (實測點Y值 -設計線起點Y值)× cos(設計線方位角)

如果設計面為斜面，需根據設計面底部高程和坡比，計算出實測高程點對應設計距離D設與實測點至設計線距離D測之差ΔD，并將ΔD轉化為垂直于斜面的偏差ΔD垂，其公式為：

ΔD垂=ΔD×cosATAN(坡比)

(2)鋼筋點偏差計算：如果鋼筋保護層厚度只有一種，則只需在程序配置項中預置好即可；如果有多種，則需分別在鋼筋層的設計線中輸入對應保護層厚度。鋼筋點偏差計算方法同模板點。

(3)止水點偏差計算：止水需要計算各止水點高程偏差，直接用實測高程減去配置項中的止水設計高程即可。如果倉面中存在多種止水高程，需在配置項中預置多個高程設計值，程序將自動查找合適的設計高程。

(4)埋管點偏差計算：埋管分為直管和斜管。首先將埋管的設計底部坐標和頂部坐標保存在埋管設計坐標文件中，然后對實測坐標文件中每個實測點查找相對應的設計點。每一個實測坐標點遍歷所有設計坐標點，計算實測點高程對應的設計坐標，并將其與實測坐標進行比較。如果偏差在閥值允許范圍內，認為其就是該實測點對應的設計點。偏差計算完畢，將該設計點進行標記，下次遍歷時，不再對該設計點進行比較。

該程序需要在計算前將倉面設計線和相關配置參數設置好，當外業數據獲取后，可以在最短時間內獲得所需的測量結果，從而提高了測量的外業數據處理工作效率。

4 如何運用GPS RTK測量方法在大型水電站中進行復雜結構的開挖放樣

由于測區地處平原，地勢平緩，采用GPS測量作為施工測量的主要手段，對于提高工作效率、減 少人力資源投入具有重要意義。靜態GPS用于高精度首級施工控制網布設，而動態GPS則應用于除廠房和溢流壩區混凝土填筑放樣之外的其他各種測量過程中。筆者以在該工程中使用的徠卡Leica 1230GG型GPS為例，介紹了GPS RTK在大體積開挖中的放樣方法。

4.1 內業放樣數據的獲取

從電腦中將CAD設計文件中的相關坐標點(例如開口點、坡腳點、圓心點、設計線轉折點等特征點)采集后存入GPS內存卡中。如果是設計面為變坡或其他不規則的過渡段斜面，需要按一定密度沿設計面的高程線進行坐標采集。常用的采集方法一般采用專業測量軟件(如南方CASS系統)進行。

4.2 基站的架設

架設基站的控制點一般應選在離測區較近、地勢較高的位置。電臺有低頻信號輸出口和高頻信號輸出口，正常狀態應選擇低頻信號開關。但如果處于高差較大、GPS衛星信號較弱或沒有衛星信號的小范圍區域，則以高頻信號輸出。需要注意的是應盡量少使用高頻信號，因為長時間使用高頻信號可能會燒毀電臺。

4.3 流動站的放樣

Leica 1230GG動態標稱精度：水平精度為10 mm+1 ppm ,垂直精度為20 mm+1 ppm。水電工程開挖輪廓點點位限差要求(精度要求較高的基礎輪廓點和預裂孔位)：平面50 mm,高程50 mm，參見《水利水電測量規范》 DL/T 2003,儀器精度完全可以滿足工程需要。

流動站放樣方法常采用參考線放樣和極坐標放樣。對于直線型邊坡，直接采用參考線放樣，輸入參考線兩端點，GPS控制器顯示任意點相對于參考線縱橫兩方向的偏距；對于圓弧段，需輸入圓心坐標點號，根據距圓心距離和實測高程進行放樣；對于漸變段等不規則的過渡區，只需逐點放樣事先在設計圖上采集的各點坐標，并用放樣后的實際高程與設計高程計算高程方向的超欠挖。從用全站儀對建基面進行驗收的結果看，采用GPS RTK對于大體積復雜結構開挖，其質量是能夠得到保證的。

在水電工程高邊坡開挖過程中，如果基站與流動站垂角過大，GPS接收機可能會沒有信號或信號微弱而導致獲得錯誤的結果。對于存在可能出現的情況，一般采取的辦法是將基站架設到所測區域對岸或采用全站儀進行測量。

5 結 語

由于GPS測量、全站儀測量在水電工程中的結合越來越緊密，因此，在運用新技術的同時，也帶來了一些新問題。筆者對蘇丹上阿特巴拉水電工程施工測量中存在的技術難點、重點問題給出了解決方法。通過采用這些方法，在保證施工質量的同時，大大提高了工作效率。

作者簡介:

文多祥(1975-)，男，四川射洪人，工程師，從事水電工程施工測量及技術管理工作.