基于案例的跨河水準測量分析研究

魯遠杰

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006）

跨河測準對水工跨河工程的設計、施工和運營安全監控具有基礎性和關鍵性的技術和經濟決策參考作用，是工程重要的技術環節。本文基于案例工程實用場地，采用實地實驗測量及數據比對分析的方式，對水工跨河測準課題開展分析研究。

1 案例工程概況

某水電工程系具有日調節能力的徑流引水調節式中型水電工程，屬混凝土重力壩類型。總庫容112.1×l04m3，常規蓄水位1117.5 m。裝配水輪混流發電機組，單機額定38 MW，總裝機計76 MW。按洪水30 年一遇設計工程防沖消能標準，工程防泄洪設計標準以百年一遇的洪峰標準設計。

由擋水建筑、泄水建筑和取水建筑綜合構成工程樞紐首部。其中擋水建筑基本呈直線序列沿壩體軸線有序配置。工程取水口布置于右岸非溢流壩段的中上游部位，配備有砂土攔阻結構和進水控制閘。在左岸的非溢流壩段的上游區域，設計筑建有庫區擋墻。工程的非溢流壩段的最大高度14.55 m，建基面最低點高程在1103.51 m。工程的泄洪沖沙閘所在壩段的壩高最大值約18.3 m，建基面最低點高程約在1103.05 m。泄洪沖沙閘段壩長為90 m。工程的右岸非溢流壩段基本長度值為14.75 m，工程左岸的非溢流壩段區域基本長度為8.68 m[1]。

為了把握工程運行狀態和及時發現異常情況，采取措施保障閘壩正常安全運行，工程管理部門依據測控網所提供的高度和坐標，堅持實施工程外部形變持續監測。因為大壩地處具有500 m 海拔的山區，GPS 信號應用經常受到一定程度局限。因為坐落于左右兩岸的混凝土壩均仍屬較窄壩體范疇，一般跨河測準很難在前后視距等同布配標準下標準立桿或者架站測量，并且水準點很難躲避高大建筑物的遮擋，難以實現長距離通視觀測條件。因此，測控網核校工作在本工程測量中尤其成為技術重點和現實應用課題。為實現精準測控，本研究選取工程“人工湖小橋”作為跨河測量段落，選取A、B 兩點作為水準點，其水平距離值取跟對岸須給與核校的測控網兩點的距離取值大體等同。兩點的水平距離與需要核校的對岸兩點的距離大概等同。

2 三種方法跨河測準所得數據的整理分析

2.1 一般的（前后視距相等）測準法布測所得數據

沿測準點A 所在的混凝土路，經過小橋到對岸B 測準點，以前后視距等同的方式布設測準線路，其布測簡圖見圖1，測得成果數據整理具體見表1。

圖1 一般測準法布測簡圖

表1 一般跨河測準所得數據表

基于視距前后等同的段落非閉合段落一般測準高差值往返不符數據見表2。

表2 段落非閉合一般測準高差值往返不符數據表

每公里的一般測準偶然中誤差MΔ計算公式：MΔ=公式中n 為測量區段數；R 系測量區段的長度（km）；Δ 為測量區段往返測高差的不符值（mm）。參考表2中的測量數據，基于上述公式可以推算出一般測準的偶然公里中誤差值是0.44 mm，此與《國家一、二等水準測量規范》公里中誤差1.00 mm 的標準相符合。表明水準測量在非閉合各測段均達到國家二等以上水準精度[2]。

基于視距前后等同的段落閉合段落一般測準高差值往返不符數據表見表3。

表3 往返測水準閉合段落高差值不符統計表

每公里的一般測準全中誤差MW計算公式：公式中N 是水準環數；F 系水準環線的周長，km；W 為經改正的環線閉合差，mm。參考表3 往返測水準閉合段落高差值不符統計數據，基于上述公式可以推算出一般測準的全中公里誤差值為0.78 mm，此誤差值跟國家一等和二等測準規范的全中公里誤差≤2.00 mm 基本相符合。這樣的測算結果表明，全閉合段落一般測準的準確性基本達到了國家二等以上的測準精度，一般測準的外業觀測精度基本是可靠的。

2.2 改進的（前后視距不等）測準法布測所得數據

前述測準線路是基于前后視距等同的方式布設，改進的測準線路布設方式是以前后視距不等的方式來確定測準線路，所得測量成果見表4。

表4 改進一般跨河測準所得數據表

基于視距前后不等布配條件的非閉合段落往返測準高差不符值統計見表5。

表5 非閉合段落往返測準高差不符值統計表

參考表5 中的非閉合段落往返測準高差不符值統計，根據上節每公里的一般測偶然中誤差計算公式，可以推算出一般測準的公里偶然中誤差值是0.76 mm，這個結果跟國家一、二等測準規范的公里中誤差值≤1.00 mm 的標準屬于符合范疇。表明水準測量在非閉合各測段均達到國家二等以上水準精度[3]。

基于視距前后不等布配條件的閉合段落往返測準高差不符值統計見表6。

表6 閉合段落往返測準高差不符值統計表

參考表6 中的閉合段落往返測準高差不符值，根據上節的每公里一般測準全中誤差計算公式，可以推算出一般測準的偶然全中公里誤差值是1.52 mm，這個結果跟國家一、二等測準規范的公里中誤差值≤2.00 mm 的標準屬于符合范疇。表明全閉合段落水準測量達到國家二等以上的測量精度水準，意味外業測量結果是精度可靠的。

2.3 全站儀三角高度法布測所得數據

圖2 全站儀三角法高度布測例圖

測得成果數據整理具體見表7。

表7 基于全站儀三角法的跨河高度測準數據表

（1）基于全站儀三角法的跨河高度測準精度統計，具體見表8。

表8 三角法的跨河高度測準精度統計表

（2）本研究所應用的外業驗算相對簡單，即在觀測段落段的高差得到合格驗算后，跨河測準借助全站儀三角高度法實施，借助所測得的高差基本數據，通過公式推算出閉合環線的水準差W1值。

W1=hAD+hDB+hBC+hCA=0.04843-0.60957-0.39795+0.96011=1.02 mm

以借助電子水準儀測知的同岸近距高差替代借助全站儀直接測知的高差，并推算其閉合環線水準差W2值。

滿足國家二等以上水準精度。此法所測得的測點A、B 間高差可以作為一般改進水準測量方法的精度比對參照。

3 三種方法跨河測準結果的比對分析

將三種跨河測準法所得的測量數據進行總體比對，得到數據列見表9。

表9 三種觀測方法數據比對一覽

一般水準法是精度相對高的一種經典測量方法，是高精度水準測定和國家控測網復測常用的基本方法。分析視距前后不等狀態的改進一般水準法的精度和可靠性時，把一般水準法測值當作標準值進行比對分析。與標準值相比，A、B 兩點經改進一般水準法所測得的高差存在0.60 mm 的互差，但其值小于基于一等水準測量所得的1.21 mm 限差。與標準值相比，A、B 兩點經全站儀三角高度法所測得的高差存在2.17 mm 的互差，但其值介于基于一二等水準測量所得的限差之間[4]。由此可知：在跨河測準精度上，改進一般水準法要稍強于全站儀三角高度法。分析原因主要有以下幾點：

（1）全站儀三角法誤差控制要求較多，控制難度相對大。最難于把控的一項誤差來自大氣折光影響誤差。盡管科技工作者不斷推進克服大氣折光誤差影響的諸多方法，但時下還未能給出一個普遍認同適用的基本計算公式。沒有經典的大氣折光應用常數，這直接影響到全站儀三角法的測量精度實現。

（2）跨河測準采用視距前后不等的測點布配方法，能夠一定程度消除了儀器i 角以及地球曲率對誤差控制的影響，此與一般跨河測準所能消除的誤差影響差不多。通過視距前后不等的測點布配方法控制誤差可以實現一般跨河測準的精度，可見，基于視距前后不等的測點布配方法的改進一般跨河測準，其精度完全能夠達到一般跨河測準的精度。

（3）盡管可以選用對向觀測或是往返觀測，對于源自地球曲率或大氣折光的影響，全站儀三角法只能降低影響，而無法完全消除影響。全站儀三角法的環境影響誤差顯然不可能低于改進一般跨河測準法源自環境的誤差影響。

（4）測邊誤差影響全站儀三角法測量精度，盡管現代科技比如測距儀，讓測邊誤差越來越小，但終歸不能完全克服測邊誤差。實際操作中，只能加增對向觀測和測回，以平均值控制降低邊長誤差。受垂直角誤差的影響，全站儀三角法測角誤差基本與所對應的邊距呈正比加增關系，角誤差對測度的影響相對大于邊長誤差，所以測量中要嚴格測定垂直角[5]。

4 結語

本文基于案例工程實用場地，采用實地實驗測量及數據比對分析的方式，對水工跨河測準課題開展了分析研究。主要收獲：（1）基于一般測準法、改進一般水準法和站儀三角高度法，對案例工程開展了跨河測準操作；（2）基于三種方法，獲得和整理分析了測量所得數據；（3）對三種方法跨河測準結果開展了比對分析；（4）得出三種方法跨河測準其精度均完全勝任國標二等以上測定標準，但在精度上是一般測準法優于改進一般水準法，改進一般水準法優于三角高度法。