基于可靠性準則的施工控制網優化

蔡習文，伍 博，舒 適

（1.長江巖土工程總公司（武漢），湖北 武漢 430010）

基于可靠性準則的施工控制網優化

蔡習文1，伍 博1，舒 適1

（1.長江巖土工程總公司（武漢），湖北 武漢 430010）

以漢江孤山水利樞紐首級施工控制網的優化設計為例，提出了一種基于觀測值內部可靠性指標的工程控制網優化設計方法。該方法在本質上屬于模擬法，但增加可靠性指標后，具有量化的優化設計準則，不以人的知識和經驗為轉移，優化結果既具有一致性，也不失嚴密性。此方法對類似工程項目具有借鑒意義。

施工控制網；可靠性指標；優化設計；精度分析

漢江孤山水利樞紐首級控制網是整個水利樞紐工程在設計、施工、運營、監測等階段的控制基準，其成果的精度和準確性對整個水利樞紐建設具有十分重要的意義。

1 控制網技術設計

1.1 平面控制網

根據規范[1]及設計要求，漢江孤山水利樞紐首級平面控制網設計為二等邊角網，通過優化設計和實地選點，選出了由8個點構成的網形，在此基礎上通過網點的精度估算、可靠性分析對觀測方案進行優化設計。圖1為初始方案。

1.1.1 控制網的內部可靠性和性質

對于施工控制網來說，由間接觀測平差模型（l，Ax，σ02P-1）可得觀測值的可靠性ri=（QvvP）ii[2]，且滿足

式中,ω0為非中心參數；n為觀測值個數；t為必要觀測值個數 ；ri為觀測值li的多余觀測分量；r為網的多余觀測數；ri可以反映控制網發現觀測值li（中誤差為σi）中粗差的能力。ri愈大，能發現li中粗差的下界值?0li愈小；或對同一粗差，檢驗功率愈大。

觀測值相互獨立時，有：

1.1.2 觀測方案優化設計

在網形基本確定的情況下，對初始觀測方案進行平差計算，對精度、可靠性進行分析，首先確定觀測精度是否合理，若不合理，則需作適當調整。在觀測值精度基本合理的基礎上，基于觀測值內部可靠性指標按從“密”到“疏”的策略進行網的優化設計[3]。具體方法是先確定一個恰當的ri0值，再按計算n0，根據差值（n-n0）確定應刪去的觀測值個數nq，對計算的觀測值多余觀測分量按從小到大的順序排列，刪去nd個多余觀測分量較大的觀測值，然后重新作觀測值模擬計算。如觀測值精度選擇恰當，僅作1～2 次迭代計算即可得到優化設計方案。根據上述計算方法，全網方向觀測優化后減少了10個角，相對于優化前工作量節省了25%；距離觀測優化后減少了10條邊，相對于優化前的工作量節省了25%。優化后可靠性因子及網點點位精度估算見表1、2。優化后的方案如圖2。

從表1、2可知，最小的多余觀測分量為0.5，表明優化后的控制網可靠性指標很好。從表3可知，優化后的控制網最弱點的點位中誤差為1.6 mm，滿足規范要求。

表1 方向觀測值可靠性因子

表2 測邊觀測值可靠性因子

表3 點位精度估算/mm

圖2 優化方案

1.2 高程控制網

高程施工控制網分左、右兩岸布設，共布設6個點。為保證兩岸高程基準的一致性，在壩軸線的上游和下游處，用2條跨河水準測量將左、右兩岸水準線路聯測組成閉合環線。水準測量精度按《國家一、二等水準測量規范》中二等精度要求執行[4]。

2 控制網施測方案

2.1 選點與埋石

根據設計點位埋設標石，平面控制網共建造8座觀測墩，高程控制網共建造6座水準基巖標。選擇視野開闊，與其他點位盡可能多通視的平面控制網點位，視線旁離山體和其他物體至少5 m以上。點位布設還要考慮施工測量作業的方便，盡量滿足組網圖形強度。

平面施工控制網點埋設在基礎堅實穩固的地方，對于覆蓋層松軟的部位要進行加固處理。標墩結構參照《水電水利工程施工測量規范》附錄B1要求執行，各觀測墩均安置強制對中基盤，對中精度優于0.1 mm。基盤表面需用長水準氣泡置平，傾斜角小于4'。

高程控制網點位選擇在顧及樞紐的總體布置情況下，按《國家一、二等水準測量規范》中選定水準點位的相關要求執行。

2.2 外業觀測

2.2.1 平面網觀測

全網共觀測30個角、15條邊長。采用徠卡TM30型全站儀（0.5',0.6 mm+1×10-6）進行觀測。所使用的全站儀及設備，除送國家有關計量檢定部門檢定合格外，作業前和作業中還要對測角部分的2C互差和測距部分儀器加乘常數進行檢定。

方向觀測按《水電水利工程施工測量規范》要求執行。全網三角形閉合差不大于3.5",按菲列羅公式計算的測角中誤差不大于1″。

距離觀測按《水電水利工程施工測量規范》的要求采用往、返測距的方式進行。同時測定大氣的干溫、濕溫及氣壓，以便進行氣象改正。

2.2.2 高程網觀測

高程控制網采用二等水準和跨河水準相結合的方式組成閉合環線。二等水準使用天寶DiNi03電子水準儀按《國家一、二等水準測量規范》執行，跨河水準采用徠卡TM30型全站儀按《水電水利工程施工測量規范》中光電測距三角高程導線測量法進行。為檢測起算點高程的可靠性，還應與國家水準點進行聯測。

2.2.3 數據處理與平差

平面觀測數據用Leica TM30全站儀隨機軟件“徠卡三維變形監測軟件”導出觀測數據，人工編制適用于“控制網觀測數據預處理與平差處理軟件系統”的方向、距離和垂直角觀測數據文件，然后編制綜合數據文件及剩余相關數據文件后，即可進行測量平差。水準觀測數據用天寶自帶軟件直接導出。

平差采用長江水利委員會長江勘測技術研究所編制的“控制網觀測數據預處理與平差處理軟件系統”[5]進行。

平面控制網平差參考基準采用一點一方位進行計算，選定起算點為TN02，起算方位為TN02-TN07，邊長觀測值投影到160 m黃海高程面。

3 精度分析

3.1 成果檢驗

外業平面控制網成果觀測指標包括三角形閉合差、按菲列羅公式計算的測角中誤差、重復邊比較等指標，檢查情況見表4。

表4 測角指標情況

從表4可以看出，三角形閉合差最大為2.6’，小于規范規定的3.5’；按菲列羅公式計算的測角中誤差為0.86’，小于規范規定的1’。

全網共測18條邊，測得距離平均值中誤差為0.53 mm/km，小于 1.41 mm/km，符合要求。

高程控制網觀測指標包括水準閉合差、每km水準測量高差中數偶然中誤差等，檢查情況見表5。

表5 水準指標情況/mm

3.2 網點精度分析

1）平面網實測精度。平面控制網的精度主要表現為點位中誤差和最弱邊的邊長相對中誤差。其中最弱邊為TN03-TN04，其邊長相對中誤差為1/520 000，小于規范規定的5 mm。從表6可知，該網最弱點的點位中誤差為1.12 mm，小于規范規定的5 mm。

表6 網點點位中誤差/mm

2）高程網實測精度。高程網實測的每km水準測量高差中數偶然中誤差為±0.62 mm，小于規范[4]規定的±1.0 mm。

4 結 語

基于觀測值可靠性的優化設計是一種簡單實用的方法，能夠在精度、可靠性、經費等方面達到綜合最優，可以推廣到其他控制網及變形網的優化設計中。

[1] DL/T5173-2003.水電水利工程施工測量規范[S].

[2] 劉祖強,張正祿,鄒啟新,等.工程變形監測分析預報的理論與實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2008

[3] 胡萬兵,劉祖強,賈進科,等.皂市樞紐首級施工控制網設計及施測精度分析[J].人民長江,2008(21):11-13

[4] GB/T 12897-2006.國家一、二等水準測量規范[S].

[5] 黃汝麟.控制網觀測數據預處理與平差處理軟件系統[J].人民長江,2002(6):48-50

[6] 艾廣山.橋梁控制網的優化設計[J].測繪與空間地理信息,2012(12):155-156

[7] 陳現春,羊凱東,鐘文俊.南京長江四橋首級施工控制網的建立[J].四川測繪,2008(2):19-22

P221

B

1672-4623（2015）03-0165-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.058

蔡習文，工程師，從事工程測量技術工作。

2014-04-16。