三角高程在山區(qū)送變電大型土石方工程中的應(yīng)用★

王旭東 宋華松 谷玉寶

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司,安徽 合肥 230031)

土石方量是豎向規(guī)劃或調(diào)整的重要依據(jù)，直接關(guān)系到工程造價(jià)。如何準(zhǔn)確、快速的確定土石方工程中的平衡標(biāo)高、土石方量，直接關(guān)系到施工進(jìn)度的掌握、工程量的計(jì)算和資金的結(jié)算。設(shè)計(jì)計(jì)算土石方量，必須借助勘測(cè)設(shè)備，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)采集方法獲得的項(xiàng)目所在現(xiàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)和相應(yīng)的地質(zhì)資料，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，計(jì)算獲得既定場(chǎng)地平整方案的土石填挖方量。要保證土石方工程中土石方量計(jì)算準(zhǔn)確，除了計(jì)算模型使用正確外，更重要的是要保證參與計(jì)算的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，能夠較為準(zhǔn)確的反映實(shí)際的地面起伏狀態(tài)[1]。

1 工程背景

2015年12月，國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)了國(guó)家電網(wǎng)公司大型工程項(xiàng)目“±1 100 kV準(zhǔn)東(昌吉)—皖南(古泉)特高壓直流工程”。該工程項(xiàng)目是目前世界上電壓等級(jí)最高的特高壓直流輸電工程。工程總投資407億元，于2016年3月開(kāi)工建設(shè)，于2018年建成投運(yùn)。“±1 100 kV古泉換流站工程”作為子工程，位于上述“特高壓直流工程”的受端，工程項(xiàng)目地址位于安徽省宣城市敬亭山地區(qū)(如圖1所示)，低海拔，起伏大，地形地貌復(fù)雜，植被茂密，常年覆蓋，屬于典型的皖南山區(qū)地形。工程項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)面積近38 hm2，平均標(biāo)高74 m，高低差最大處近38 m。

工程土石方算量是一個(gè)涉及多個(gè)影響因素的復(fù)雜問(wèn)題，無(wú)法做到事前精確計(jì)算。對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的土石方量與施工實(shí)際產(chǎn)生土石方量之間的誤差比例，當(dāng)前沒(méi)有規(guī)范統(tǒng)一規(guī)定。不同工程依據(jù)慣例或經(jīng)驗(yàn)，有的允許10%～20%的誤差，要求嚴(yán)格的則提高到5%。然而就是嚴(yán)格到5%的誤差，對(duì)于一些大型的土石方工程，工程費(fèi)用的偏差也都是可觀的[2，3]。以本項(xiàng)目為例，根據(jù)工程設(shè)計(jì)方提供的“站區(qū)土方初平圖”上數(shù)據(jù)，站區(qū)面積37.663 hm2(565畝)，設(shè)計(jì)挖方總量為124.5萬(wàn)m3，填方總量為129.6萬(wàn)m3[4]，按5%的允許誤差計(jì)算，誤差挖方總方量6.2萬(wàn)m3，誤差填方總方量6.5萬(wàn)m3，工程費(fèi)用偏差可能達(dá)幾百萬(wàn)元。此外，設(shè)計(jì)與實(shí)際土石方量的偏差過(guò)大，在影響工程進(jìn)度和資金預(yù)算的同時(shí)，可能還會(huì)受到工程項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐耐恋刭Y源和林業(yè)生態(tài)保護(hù)影響，無(wú)論余土外運(yùn)還是購(gòu)?fù)粱靥睿枷喈?dāng)困難。因此，選擇一種適合工程現(xiàn)場(chǎng)的地形數(shù)據(jù)采集方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形地貌條件下大型土石方工程量精確測(cè)量及計(jì)算，顯得迫切而必要。

2 方案選擇

當(dāng)前可用于大型土石方工程地形數(shù)據(jù)采集的方法有：地形圖數(shù)字化法、光電幾何量測(cè)定位法、GNSS衛(wèi)星定位、三維激光掃描法、傾斜攝影測(cè)量。表1從經(jīng)濟(jì)成本、采集速度、數(shù)據(jù)精度等方面對(duì)各種數(shù)據(jù)采集方法及各自特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要比較[5]。

表1 地形數(shù)據(jù)采集方法及各自特性一覽表

由表1可知，地形數(shù)據(jù)的各種采集方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和適用范圍，因此選擇土石方地形數(shù)據(jù)采集的方法，要從目的需求、精度要求、設(shè)備條件、經(jīng)費(fèi)條件等方面考慮選擇。工程項(xiàng)目位于皖南山區(qū)，植被茂密，常年覆蓋，“GNSS衛(wèi)星定位法”“三維激光掃描法”和“傾斜攝影測(cè)量法”不能很好的去除植被覆蓋的影響，無(wú)法采用。“地形圖數(shù)字化法”精度較低，達(dá)不到提高土石方量計(jì)算精度的要求，只有“光電幾何量測(cè)定位法”適合本項(xiàng)目工程的需要。所謂“光電幾何量測(cè)定位法”，即采用電子全站儀獲取平面坐標(biāo)，采用水準(zhǔn)儀(電子或光學(xué))獲取水準(zhǔn)高程或采用電子全站儀獲取三角高程，從而獲取項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)三維空間數(shù)據(jù)的一種全野外數(shù)字化量測(cè)定位方法。電子全站儀采集平面坐標(biāo)的精度，在1 km2范圍內(nèi)，量測(cè)精度可以非常容易的控制在5 cm以內(nèi)，滿足項(xiàng)目土石方量算精度的要求。因此平面維度的數(shù)據(jù)采集方案選用電子全站儀獲取，無(wú)需討論。要使采集的空間數(shù)據(jù)滿足工程項(xiàng)目的土石方計(jì)算精度要求，重點(diǎn)是要保證高程數(shù)據(jù)滿足精度要求。表2列出了高程誤差對(duì)工程項(xiàng)目土石方計(jì)算誤差的安排影響情況。

表2 高程誤差對(duì)本工程項(xiàng)目土方量計(jì)算誤差的影響情況表

由表2可知，高程中誤差只要控制在20 cm以內(nèi)，本項(xiàng)目土石方計(jì)算相對(duì)誤差即可控制在5%以內(nèi)，如果高程中誤差能控制在5 cm內(nèi)，則土石方計(jì)算相對(duì)誤差可控制在2%以內(nèi)。采用電子水準(zhǔn)儀或光學(xué)水準(zhǔn)儀以水準(zhǔn)測(cè)量的方式獲取測(cè)點(diǎn)的高程值，量測(cè)精度也可以非常容易控制在5 cm以內(nèi)，但是效率低下，尤其是在山區(qū)，萬(wàn)不得已不會(huì)采用。采用電子全站儀以三角高程測(cè)量方法獲取點(diǎn)位的高程值，同一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)獲取點(diǎn)位的平面坐標(biāo)值，即采用電子全站儀可以同時(shí)采集點(diǎn)位的三維空間數(shù)據(jù)，相比采用“電子全站儀獲取平面坐標(biāo)+水準(zhǔn)儀獲取高程”的方法，效率要高很多。問(wèn)題的關(guān)鍵是三角高程測(cè)量方法受大氣折光、地球曲率以及山區(qū)高程異常的影響較為顯著，在具體的工程項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)應(yīng)用，是否能達(dá)到指定量測(cè)精度要求，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

依據(jù)表1,表2，為驗(yàn)證使用測(cè)角精度±2 s，測(cè)距精度±(2+2 ppm·D)mm的普通電子全站儀，在不加球氣差改正，未采用對(duì)向觀測(cè)的情況下，通過(guò)三角高程測(cè)量方法采集項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)的高程值，高程中誤差能否達(dá)到5 cm以內(nèi)的精度要求，在項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)西北角選擇了一塊面積151.7畝(占場(chǎng)區(qū)總面積的1/4多)，包含場(chǎng)區(qū)最大高低差37.628 m的典型區(qū)域(如圖2所示)，并在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)了G01～G10等10個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)(如圖3所示)。

按“G08→G01→G02→G03→G10→G08→G07→G06→G05→G09→G04→G03”的測(cè)量順序，布設(shè)成水準(zhǔn)網(wǎng)(如圖4所示)，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)方案[6]，采集水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)嚴(yán)密平差，獲得驗(yàn)證點(diǎn)的平差高程值(如表3所示)。

表3 驗(yàn)證點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量成果表

由表3結(jié)果數(shù)據(jù)可知，G01～G10的平差高程值中誤差都在毫米級(jí)別，可以作為三角高程測(cè)量所得成果的比對(duì)參考值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證點(diǎn)通視條件，選擇G01，G03，G06和G09作為測(cè)站點(diǎn)，架設(shè)電子全站儀(如圖5所示)，采用三角高程測(cè)量方法采集G01～G10的高程值作為比對(duì)值，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 全站儀三角高程與水準(zhǔn)高程比對(duì)成果表

從表4中可知，三角高程值與水準(zhǔn)高程值較差絕對(duì)值最大為45.3 mm(G09),最小11.6 mm(G05)，優(yōu)于50 mm的設(shè)定驗(yàn)證目標(biāo)。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)下，項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)采用測(cè)角精度±2 s，測(cè)距精度±(2+2 ppm·D)mm的普通電子全站儀，在不加球氣差改正，未采用對(duì)向觀測(cè)的情況下，通過(guò)三角高程測(cè)量方法采集了項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)地形特征點(diǎn)的三維空間數(shù)據(jù)，通過(guò)專門(mén)的土石方量計(jì)算軟件，計(jì)算出項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)高，以及填方和挖方總量。經(jīng)后期施工結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)際填挖總量與設(shè)計(jì)值較差小于1萬(wàn)m3，較好的實(shí)現(xiàn)了植被覆蓋茂密的山區(qū)大型土石方工程的土石方精確量算，減少了無(wú)謂的余土外運(yùn)或購(gòu)?fù)粱靥睿s短了工期，提升了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

山區(qū)送變電大型土石方工程，尤其是以皖南為代表的植被茂密覆蓋，無(wú)法采用衛(wèi)星定位方法獲取地形數(shù)據(jù)的地區(qū)，可以采用基于“光電幾何量測(cè)原理”的三角高程測(cè)量方法，采用普通的電子全站儀，在不加球氣差改正，未采用對(duì)向觀測(cè)的情況下，通過(guò)三角高程測(cè)量方法采集點(diǎn)位空間數(shù)據(jù)，高程中誤差可以控制在5 cm以內(nèi)，設(shè)計(jì)土石方量和實(shí)際產(chǎn)生土石方量誤差比例可以控制在5%以內(nèi)，理想狀態(tài)下可達(dá)2%，可有效的減少余土外運(yùn)或購(gòu)?fù)粱靥钋闆r發(fā)生，提升工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。