全站儀圓弧參考線(xiàn)測(cè)量在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用探討

張廣軍 ZHANG Guang-jun

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering of KUST，Kunming 650093，China）

0 引言

南水北調(diào)工程是緩解中國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程，是跨世紀(jì)的宏偉工程。該工程意義重大，主要分為東線(xiàn)、西線(xiàn)和中線(xiàn)三條調(diào)水線(xiàn)路，中線(xiàn)工程取水口在漢江丹江口水庫(kù)，經(jīng)陶岔渠首閘（河南淅川縣），沿豫西南唐白河流域西側(cè)過(guò)長(zhǎng)江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口后，經(jīng)黃淮海平原西部邊緣，在鄭州以西孤柏嘴處穿過(guò)黃河，繼續(xù)沿京廣鐵路西側(cè)北上，可基本自流到終點(diǎn)北京。主要向河南、河北、天津、北京4省市沿線(xiàn)的20余座城市供水[1]。

1 參考線(xiàn)測(cè)量概念

1.1 所謂圓弧參考線(xiàn)測(cè)量，就是運(yùn)用全站儀內(nèi)的固有程序，用不同的方法，定義一條圓弧，然后建站，實(shí)際測(cè)量出實(shí)時(shí)點(diǎn)位相對(duì)于已確定圓弧線(xiàn)的相對(duì)關(guān)系，指導(dǎo)持鏡者移動(dòng)目標(biāo)到要放樣的點(diǎn)位處，如下圖所示，其起點(diǎn)為P1，終點(diǎn)為P2，然后在實(shí)地測(cè)量出目標(biāo)點(diǎn)與該圓弧的相對(duì)關(guān)系，即該目標(biāo)點(diǎn)O沿圓弧法線(xiàn)方向與圓弧相交于點(diǎn)A,直線(xiàn)OA的長(zhǎng)度為O/S，在弧P1P2左側(cè)為負(fù)，反之為正；而交點(diǎn)A到該弧起點(diǎn)P1的弧長(zhǎng)為Sta，該值表示了交點(diǎn)到起點(diǎn)P1的弧長(zhǎng)，在P1到P2方向上為正，反之為負(fù)。如圖1所示。

圖1

圖2

1.2 圓弧參考線(xiàn)的定義方法 定義一段圓弧，在已知起點(diǎn)坐標(biāo)和切線(xiàn)方位角前提下，主要有以下三種方法，其一，已知終點(diǎn)坐標(biāo)和切線(xiàn)方位角；其二，已知圓弧半徑和終點(diǎn)切線(xiàn)方位角；其三，已知圓弧半徑和弧長(zhǎng)，如圖2、圖3所示。

2 工程實(shí)例

圖3

2.1 工程概況 界河渠道倒虹吸延長(zhǎng)工程位于河北省滿(mǎn)城縣尉公村北1KM處，是南水北調(diào)中線(xiàn)京石段應(yīng)急供水工程總干渠穿越界河的大型河渠交叉建筑物。由于某些特殊原因，該工程是在原來(lái)閘室和管身段的基礎(chǔ)上進(jìn)行改建的，在原來(lái)位置向下游方向移動(dòng)一段距離，屬于改建工程，主要由管身段、出口閘室段及出口漸變段等組成，包括管身236.554m，其中包括直線(xiàn)水平管段161.554m，彎道水平管段45m，出口折線(xiàn)斜管段30m三段，出口閘室20m和出口漸變段75m，該工程起終點(diǎn)軸線(xiàn)總長(zhǎng)度為331.554m。平面圖如圖4。

從127+221.254～127+391.254位于半徑R=500m的圓弧上，直圓點(diǎn)里程為127+221.033，漸變段里程為127+316.254～127+391.254，該段長(zhǎng)75m。包括水平折線(xiàn)轉(zhuǎn)彎段45m及折線(xiàn)轉(zhuǎn)彎斜管段30m，共分17節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)6.554～15m不等。兩孔一聯(lián)，每孔凈尺寸為6.5m*6.5m，頂板、中墻、邊墻厚度為 1m，底板厚 1.1m[2]。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

表1 定義圓弧參考線(xiàn)所用原始數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)均由設(shè)計(jì)圖紙上直接讀取，并且經(jīng)過(guò)計(jì)算核實(shí)無(wú)誤，可以直接使用。

2.3 實(shí)地測(cè)量放樣

2.3.1 自由設(shè)站 由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，各工序交叉作業(yè)，相互干擾，因此，在野外作業(yè)必須快速、準(zhǔn)確、安全，隨測(cè)隨檢，保證數(shù)據(jù)正確性，杜絕錯(cuò)誤的發(fā)生給工程帶來(lái)的巨大損失。儀器建站最好在方便地方用后方交會(huì)法自由設(shè)站，當(dāng)只有兩個(gè)已知點(diǎn)做后方交會(huì)時(shí)，為了保證交會(huì)精度，交會(huì)角度最好在30°～150°之間，可以檢核交會(huì)計(jì)算后的殘差，如果殘差較大，則必須重新建站，檢查數(shù)據(jù)的正確性，建站成功后界面顯示如圖5所示。

2.3.2 圓弧定義 在上圖1、圖2中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在圖3中選3定義該圓弧，半徑（逆時(shí)針?lè)较颍㏑=-500m，弧長(zhǎng)170m，計(jì)算后其他曲線(xiàn)元素自動(dòng)求出與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，確認(rèn)無(wú)誤繼續(xù)放樣工作。

圖5

2.3.3 管節(jié)中邊樁放樣 由于從曲線(xiàn)起點(diǎn)開(kāi)始每節(jié)長(zhǎng)度不等，可以根據(jù)每節(jié)長(zhǎng)度在底板上定出每管節(jié)兩端中心點(diǎn)位置并作標(biāo)記，再根據(jù)左右兩孔邊樁到渠道軸線(xiàn)寬度d=6.5+1.0+0.5=8.0m，可以放樣出每個(gè)管節(jié)兩端左右邊樁。由于曲線(xiàn)半徑較大，每個(gè)管節(jié)長(zhǎng)度最大為15米左右，經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，在該弧段上弦長(zhǎng)與弧長(zhǎng)差值極小，完全可以滿(mǎn)足施工規(guī)范要求。每管節(jié)軸線(xiàn)連線(xiàn)為一折線(xiàn)，管節(jié)端點(diǎn)均在圓弧上。

2.4 精度檢核 由于圓弧參考線(xiàn)方法測(cè)量得到的中邊樁均相對(duì)于圓弧作參照，而每管節(jié)中邊樁連線(xiàn)為弦長(zhǎng)，必然涉及到弧長(zhǎng)與弦長(zhǎng)之間的差值問(wèn)題，以下進(jìn)行逐一檢核：

在圓弧上，每個(gè)管節(jié)中心線(xiàn)所對(duì)弧長(zhǎng)L1=15.0000m；弧長(zhǎng)所對(duì)圓心角 A=(15/500)*180/π=1°43′7.97″，相應(yīng)弦長(zhǎng)為L(zhǎng)2=14.9994m，△L=L1-L2=0.6mm。

在圓弧內(nèi)側(cè)，弧長(zhǎng)為N1=A*π/180*(R-d)=14.7600m，相對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)N2=2*(R-d)*sin(A/2)=14.7595m，△N=N1-N2=0.5mm。

在圓弧外側(cè)，弧長(zhǎng)為W1=A*π/180*(R+d)=15.2401m，相對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)W2=2*(R+d)*sin(A/2)=15.2395m，△W=W1-W2=0.6mm。

管道軸線(xiàn)左右側(cè)弧長(zhǎng)之差：△B1=W1-N1=0.4801m，管道軸線(xiàn)左右側(cè)弦長(zhǎng)之差：△B2=W2-N2=0.4800m。由以上計(jì)算得知，在該圓弧上完全可以用弧長(zhǎng)代替弦長(zhǎng)放樣管節(jié)軸線(xiàn)，以及左右管節(jié)的邊樁，從而滿(mǎn)足施工規(guī)范的要求，當(dāng)用全站儀放樣完每個(gè)管節(jié)的中邊樁后，可以用鋼尺檢核每管節(jié)左右側(cè)長(zhǎng)度之差是否滿(mǎn)足下式：△B2=W2-N2=0.4800m作為檢核條件。

3 結(jié)論

①充分利用和開(kāi)發(fā)全站儀中的固有程序的功能，不但可以大大提高工作效率，減輕外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以用不同的測(cè)量方法來(lái)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的相互檢核，提高測(cè)量工作的準(zhǔn)確度，起到事半功倍之效果，該法快速準(zhǔn)確，值得借鑒。②每種測(cè)量方法的初次使用，必須在經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算和確認(rèn)無(wú)誤后，才可以應(yīng)用到實(shí)際工作中去，保證所放樣點(diǎn)位的準(zhǔn)確性，否則會(huì)給工程建設(shè)帶來(lái)災(zāi)難性的損失。③在實(shí)際工作中，理論與實(shí)際相結(jié)合，不但可以提高測(cè)量工作者的外業(yè)水平，而且可以節(jié)約時(shí)間提高工作效率，給其他工種的作業(yè)提供寶貴的時(shí)間，為提前完成工程量提供技術(shù)保障。

[1]張廣軍，彭陽(yáng)華.扭坡放樣在南水北調(diào)中線(xiàn)工程中的應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013.

[2]武慶安.界河渠道倒虹吸對(duì)軍事設(shè)施影響的處理方案[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2010（6）.

[3]Nikon-Trimble Co.Ltd.尼康全站儀使用說(shuō)明書(shū).