位于高山峽谷地區(qū)的水電站平面控制網(wǎng)建設(shè)

付 慶 偉

(四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 概 述

由于GPS在布設(shè)控制網(wǎng)方面具有可全天候觀測(cè)、觀測(cè)時(shí)間短、布設(shè)靈活、控制點(diǎn)之間相對(duì)精度高、觀測(cè)處理自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到各類工程的施工控制網(wǎng)建設(shè)中。常規(guī)控制網(wǎng)要求相鄰點(diǎn)之間必須保證互相通視，但高山峽谷地區(qū)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(wǎng)在此方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。高山峽谷地區(qū)水電資源豐富，水電工程一般都在峽谷的谷底布置，但GPS測(cè)量的天空角條件特別差，而河谷左岸和右岸控制點(diǎn)的天空角條件又處于完全相反的方向，不僅使接收到信號(hào)的相同衛(wèi)星數(shù)量較少而導(dǎo)致多余觀測(cè)值較少，而且由于天空角較小，使得交會(huì)的精度受到嚴(yán)重影響。因此，在高山峽谷地區(qū)建立高精度GPS帶狀控制網(wǎng)有一定的困難，需要進(jìn)行試驗(yàn)和探討。筆者通過(guò)金沙水電站平面控制網(wǎng)的建設(shè)，探討了施工控制網(wǎng)的布設(shè)、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制和精度統(tǒng)計(jì)等方面的內(nèi)容。

2 金沙水電站工程控制網(wǎng)建設(shè)

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(jí)電站，為《金沙江干流綜合規(guī)劃報(bào)告》中推薦梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的重要樞紐，壩址位于四川省攀枝花市西區(qū)，控制流域面積25.89萬(wàn)km2，多年平均流量1 870m3/s，年徑流量590億m3。

金沙水電站設(shè)計(jì)正常蓄水位高程1 022 m，電站裝機(jī)容量560 MW，保證出力110.1 MW，多年平均發(fā)電量23.18 億kW·h。金沙水電站發(fā)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(duì)觀音巖水電站具有反調(diào)節(jié)作用等。

金沙水電站工程的概略位置：東經(jīng)101°37’～101°40’，北緯26°34’～26°36’，地處深山峽谷，測(cè)區(qū)內(nèi)高程約1 000 m以上，地形交通條件十分復(fù)雜，從而給控制網(wǎng)布設(shè)和觀測(cè)工作帶來(lái)不利影響。

2.2 布網(wǎng)原則

建網(wǎng)過(guò)程中，充分考慮了控制網(wǎng)精度需要，盡可能地優(yōu)化了首級(jí)控制網(wǎng)的網(wǎng)型，減小了由于網(wǎng)型結(jié)構(gòu)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差；同時(shí)，考慮到測(cè)區(qū)內(nèi)邊坡穩(wěn)定性及不均勻沉降對(duì)控制點(diǎn)穩(wěn)定性的影響，以及測(cè)區(qū)的氣象、水文、地質(zhì)條件對(duì)確定建網(wǎng)時(shí)間和測(cè)量作業(yè)時(shí)間的影響；控制網(wǎng)除滿足布網(wǎng)要求外，還考慮了施工加密控制網(wǎng)布測(cè)的需要。其網(wǎng)型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.3 施測(cè)方案

結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況，為保證控制網(wǎng)的精度，采用6臺(tái)Trimble雙頻接收機(jī)對(duì)控制網(wǎng)按照靜態(tài)相對(duì)定位方式進(jìn)行施測(cè)。施測(cè)前，依據(jù)測(cè)區(qū)的平均經(jīng)、緯度和作業(yè)日期編制了GPS衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)報(bào)表，根據(jù)該表進(jìn)行了同步觀測(cè)環(huán)設(shè)計(jì)及觀測(cè)時(shí)間段設(shè)計(jì)，編制了作業(yè)計(jì)劃進(jìn)度表。衛(wèi)星高度角大于15°，有效衛(wèi)星數(shù)大于5顆，幾 何 強(qiáng) 度 因 子PDOP小于6，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s。控制網(wǎng)采用邊連接形式布測(cè)且遵循以下原則：重復(fù)設(shè)站率不小于2，網(wǎng)中每點(diǎn)至少有3條獨(dú)立基線與之相連接。觀測(cè)分兩步進(jìn)行:(1)控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)：選取首級(jí)控制網(wǎng)的3個(gè)網(wǎng)點(diǎn)(JⅡ02、JⅡ07、JⅡ11)與3個(gè)Ⅱ等國(guó)家三角點(diǎn)同步觀測(cè)，觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度不少于4 h，將國(guó)家點(diǎn)坐標(biāo)引至測(cè)區(qū)；(2)首級(jí)施工控制網(wǎng)觀測(cè)：采用6臺(tái)GPS接收機(jī)按二等GPS網(wǎng)的要求按邊連接實(shí)施，觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度不少于4 h，天線高量取至天線標(biāo)志中心，每時(shí)段觀測(cè)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(wǎng)示意圖

2.4 技術(shù)指標(biāo)

該施工控制網(wǎng)按二等網(wǎng)布設(shè)，平面精度應(yīng)滿足最弱邊相對(duì)中誤差1/150 000、最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±5 mm的要求。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 平面坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)工程特點(diǎn)和甲方需要，施工控制網(wǎng)采用以下坐標(biāo)系統(tǒng)：

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

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

(3)工程獨(dú)立坐標(biāo)系：大壩坐標(biāo)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(biāo)系)，投影高程面為990 m(圖2)。

3.2 起算數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

起算數(shù)據(jù)為國(guó)家Ⅱ等三角點(diǎn)，分別為“楊家、坪”、“小營(yíng)盤”和“力子非”。經(jīng)過(guò)對(duì)起算點(diǎn)設(shè)站觀測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)“力子非”與“楊家坪”和“小營(yíng)盤”的兼容性較差，因此在平差計(jì)算時(shí)以“力子非”為檢查點(diǎn)，以“楊家坪”和“小營(yíng)盤”為起算點(diǎn)。

圖2 大壩獨(dú)立坐標(biāo)系示意圖

3.3 基線解算和觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的基線處理采用美國(guó)Trimble公司商業(yè)辦公軟件 TBC進(jìn)行。外業(yè)檢驗(yàn)中相鄰點(diǎn)間的弦長(zhǎng)精度按下式進(jìn)行計(jì)算。

同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差滿足以下規(guī)定：

異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差滿足以下規(guī)定：

GPS控制網(wǎng)復(fù)測(cè)基線和環(huán)線閉合差較差均滿足《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》(DL/T 5173—2012)相關(guān)精度要求，表明外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)正確、可靠。

3.4 控制網(wǎng)平差

(1)在1954年北京坐標(biāo)系下控制網(wǎng)平差：以國(guó)家二等三角點(diǎn)“楊家坪”和“小營(yíng)盤”作為起算點(diǎn)使用Power Adj4.0軟件進(jìn)行約束平差計(jì)算，TBC軟件進(jìn)行校核計(jì)算，求得壩區(qū)施工控制網(wǎng)12個(gè)點(diǎn)(JⅡ01～ JⅡ12)的1954年北京坐標(biāo)系成果。

以所求得的JⅡ02坐標(biāo)為起算坐標(biāo)，JⅡ02至JⅡ11的方向角(286°33′28.98″)為起算方位角，對(duì)施工控制網(wǎng)中12點(diǎn)進(jìn)行無(wú)約束平差，從而求得1954年北京坐標(biāo)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(wǎng)平差：以(1)中JⅡ02的1954年北京坐標(biāo)系下的成果作為起算坐標(biāo)，JⅡ02至JⅡ11的方向角(286°33′28.98″)為起算方位角，將GPS觀測(cè)邊及TCA2003往返精密測(cè)距邊平均值投影至990 m，采用長(zhǎng)江勘測(cè)科技研究所研制的軟件“平差數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”進(jìn)行無(wú)約束網(wǎng)平差，得到抵償系坐標(biāo)中的成果。

(3)在大壩獨(dú)立坐標(biāo)系下控制網(wǎng)平差：取大壩最右岸導(dǎo)流孔右側(cè)壩段間分縫線與壩軸線交點(diǎn)為基點(diǎn)(設(shè)坐標(biāo)為X大壩=5 000、Y大壩=464 500)，對(duì)樞紐進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使壩軸線與大壩坐標(biāo)系坐標(biāo)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(zhuǎn)后的JⅡ02大壩坐標(biāo)(X=5 064.356 3，Y=464 654.524 3)作為起算坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)后的JⅡ02至JⅡ11方向角(267°01′48.58″)為起算方位角( 將GPS觀測(cè)邊及TCA2003往返精密測(cè)距邊平均值投影至990 m)，采用 “平差數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”進(jìn)行統(tǒng)一平差(采用Power Adj4.0進(jìn)行校核計(jì)算)，得到工程獨(dú)立坐標(biāo)系的成果。

4 精度統(tǒng)計(jì)

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

表2列出了1954年北京坐標(biāo)系下控制網(wǎng)中相鄰最弱邊JⅡ01-JⅡ03的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差，其相對(duì)精度滿足技術(shù)要求。表3為1954年北京坐標(biāo)系下的加密點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)，各點(diǎn)位均滿足5 mm的技術(shù)要求。

表1 起算點(diǎn)檢核表

表2 最弱邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差表

表3 點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 語(yǔ)

大型結(jié)構(gòu)體如水電站大壩或軌道交通的施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)離不開(kāi)平面高精度控制網(wǎng)的建設(shè)，因此，布設(shè)并維持高精度控制網(wǎng)是非常有必要的。筆者通過(guò)金沙水電站的平面控制網(wǎng)建設(shè)，介紹了高精度控制網(wǎng)布設(shè)、觀測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程，最后對(duì)成果進(jìn)行了精度統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，控制網(wǎng)精度滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水電水利工程測(cè)量規(guī)范，DL/T 5173-2003[S] .

[2] 全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范，GB/T 18314-2009[S] .

[3] 李征航，黃勁松. GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[4] 劉大杰，施一民，過(guò)靜珺.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.