新疆奎屯河引水工程施工控制網(wǎng)的建立

李 堅(jiān)

新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

奎屯河區(qū)是新疆重要的輕工業(yè)基地、物流中心、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)示范區(qū)。奎屯河引水工程是《新疆奎屯河流域規(guī)劃》中推薦的重大工程[1]，位于天山山脈中段奎屯河上游出山口段附近，承擔(dān)著兵團(tuán)第七師、烏蘇市、獨(dú)山子區(qū)和奎屯市的城市、工業(yè)、生活供水，以及河流域內(nèi)近14萬(wàn)hm2農(nóng)用地灌溉供水任務(wù)，修建引水工程已是迫在眉睫的基礎(chǔ)工程。

1 項(xiàng)目概況

奎屯河引水工程，由將軍廟水利樞紐、山區(qū)引水隧洞、新龍口渠首電站等工程組成，功能上以供水、灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電，控制灌溉面積191.8萬(wàn)畝，屬大（1）型I等工程。其中將軍廟水庫(kù)總庫(kù)容8 108萬(wàn)m3，壩頂長(zhǎng)595 m，最大壩高133 m[2]；山區(qū)引水隧道總長(zhǎng)11.74 km，為加快施工進(jìn)度，從三個(gè)支洞里分段進(jìn)行隧道作業(yè)；新龍口工程區(qū)位于北端出山口，由電站工程、渠首工程組成，電站是利用隧道引水發(fā)電。建立奎屯河引水工程統(tǒng)一的、高精度施工控制網(wǎng)[3]目的是為引水工程各分項(xiàng)建筑工程施工提供統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)。工程總體布局如圖1所示。

圖1 奎屯河引水工程總體布局圖及施工控制網(wǎng)布設(shè)圖

2 項(xiàng)目區(qū)地形地貌情況及交通條件

奎屯河引水工程施工控制網(wǎng)項(xiàng)目區(qū)南起奎屯河上游將軍廟水文站，北至出山口新龍口，南北長(zhǎng)約15 km，東西最寬處700 m，奎屯河在該段呈“V”字型[4]，為典型的高山峽谷地貌，奎屯河發(fā)源于天山北麓南大溝大板，屬于高山融冰（雪）及降雨補(bǔ)給類型的內(nèi)陸河流，水量隨氣溫的高低而漲落，夏季水多，冬季水枯。項(xiàng)目實(shí)施期五月份，多大風(fēng)、雨及雪，氣候變化無(wú)常，河段內(nèi)山勢(shì)崢嶸，河水湍急而冰冷。西岸為陡峭山體，基巖裸露、風(fēng)蝕破碎程度較高，東岸相對(duì)平緩，山體半坡上有G217（獨(dú)庫(kù)公路）傍山而過(guò)，為項(xiàng)目的實(shí)施提供了一定的便利。該項(xiàng)目實(shí)施起來(lái)具有一定的危險(xiǎn)性，屬于困難類測(cè)區(qū)。

3 控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)采用CGCS2000坐標(biāo)下的獨(dú)立坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)；由于奎屯河引水工程是一個(gè)系統(tǒng)性的項(xiàng)目，位于高山峽谷中，地形起伏較大，為保證測(cè)量成果精度，同時(shí)考慮到測(cè)繪外業(yè)安全快捷，控制網(wǎng)采用GNSS網(wǎng)形式布設(shè)，采用雙頻GNSS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用隨機(jī)商用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；本項(xiàng)目為大型水利系統(tǒng)工程精度要求高，要求坐標(biāo)投影變形值控制在±2.5 cm/km以內(nèi)（規(guī)范要求±5 cm/km內(nèi)）；依據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)情，選擇合適的投影中心點(diǎn)及高程抵償面，建立測(cè)區(qū)CGCS2000坐標(biāo)系下的獨(dú)立坐標(biāo)系，滿足引水工程施工建設(shè)的需要。

3.1 平面控制布網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)確定

（1）本項(xiàng)目屬于大型水利水電工程，大壩類型為鋼筋砼面板砂礫石壩，按規(guī)范要求，選用三等GNSS平面控制網(wǎng)。

（2）主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 三等GNSS平面控制網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)

GNSS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度按下式計(jì)算：

式中：σ為基線長(zhǎng)度中誤差，單位為mm；A為固定誤差，單位為mm；B為比例誤差系數(shù)，單位為mm/km；d為平均邊長(zhǎng)，單位為km。

（3）測(cè)距的主要技術(shù)要求如表2所示。

表2 測(cè)距作業(yè)技術(shù)要求

3.2 控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)

依據(jù)工程總體布局圖，在大壩兩肩、導(dǎo)流洞進(jìn)出口、發(fā)電洞進(jìn)出口、支洞口進(jìn)口附近的地質(zhì)穩(wěn)固處布置強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，每處建筑物附近布置三個(gè)墩，每墩滿足至少一處通視條件；控制網(wǎng)采用水利三等平面控制網(wǎng)精度，以邊連接方式組網(wǎng)，共設(shè)計(jì)35點(diǎn)，其中31點(diǎn)為強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，4點(diǎn)為過(guò)渡點(diǎn)，采用簡(jiǎn)易標(biāo)石埋設(shè)方式布設(shè)。控制點(diǎn)平均間距553 m，最短邊邊長(zhǎng)226.47 m，最長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)1 038.84 m；控制網(wǎng)網(wǎng)型具體如圖1所示。

3.3 控制點(diǎn)的選點(diǎn)埋石

3.3.1 選點(diǎn)

（1）控制點(diǎn)須選在質(zhì)地堅(jiān)硬、穩(wěn)固可靠[5]且能長(zhǎng)期保存的地方。

（2）控制點(diǎn)應(yīng)保證兩點(diǎn)間能相互通視，每個(gè)控制點(diǎn)至少一個(gè)通視方向[6]。

（3）控制點(diǎn)應(yīng)選在視野開(kāi)闊、通視良好、被測(cè)衛(wèi)星的地平高角度在15°以上的地方。

（4）控制點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電及大面積水面。

3.3.2 造墩或埋石

（1）考慮到山區(qū)交通困難，采用鋼管墩標(biāo)石，直徑20 cm，長(zhǎng)3.0 m（地下1.8 m，地上1.2 m），頂臺(tái)具有強(qiáng)制歸心裝置。結(jié)構(gòu)圖及實(shí)際效果圖見(jiàn)圖2、圖3所示。

圖2 鋼管墩標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 鋼管墩標(biāo)實(shí)際效果圖

（2）鋼管墩標(biāo)保持鉛直[5]，側(cè)面安裝有控制墩屬性牌（包含點(diǎn)名、實(shí)施單位、日期等）。

（3）造墩或埋石須經(jīng)過(guò)一個(gè)霜凍期，沉降穩(wěn)定后方可進(jìn)行觀測(cè)作業(yè)。

3.4 邊長(zhǎng)觀測(cè)

測(cè)距作業(yè)，應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）測(cè)站對(duì)中誤差和反光鏡對(duì)中誤差不應(yīng)大于2 ㎜。

（2）分別量取兩端點(diǎn)觀測(cè)始末的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)取平均值。

（3）溫度計(jì)宜采用通風(fēng)干濕溫度計(jì)[7]，讀數(shù)精確至0.2 ℃；氣壓表宜選用高原型空盒氣壓表[7]，讀數(shù)精確至50 Pa。

（4）精確邊長(zhǎng)值由邊長(zhǎng)觀測(cè)值加入氣壓改正、溫度改正及加常數(shù)修正得到。

3.5 GNSS觀測(cè)

（1）觀測(cè)要求

三等GNSS靜態(tài)測(cè)量作業(yè)基本技術(shù)要求如表3所示。

表3 GNSS衛(wèi)星定位的主要技術(shù)要求

采用8臺(tái)套南方S82T雙頻GNSS接收機(jī)（標(biāo)稱精度優(yōu)于5 mm+1 ppm）聯(lián)合作業(yè)，須具有合格有效的儀器檢定證書(shū)。

（2）觀測(cè)注意事項(xiàng)

第一，觀測(cè)前對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行自檢，確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)良好；

第二，事先制訂觀測(cè)計(jì)劃，觀測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)劃；

第三，觀測(cè)前、后各量取天線高一次，兩次較差不大于3 mm，取平均值作為天線高；

第四，嚴(yán)禁在觀測(cè)站點(diǎn)50 m內(nèi)使用對(duì)講機(jī)或接打電話。

3.6 GNSS數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核及粗差的剔除、基線解算及合格性評(píng)定、同步環(huán)及異步環(huán)的計(jì)算及合格性評(píng)定、平差處理、整網(wǎng)精度評(píng)定。

（1）GNSS網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢驗(yàn)及質(zhì)量要求

第一，重復(fù)基線的長(zhǎng)度較差應(yīng)符合下式的規(guī)定：[8]

式中，ds為重復(fù)基線測(cè)量的差值；a為相應(yīng)等級(jí)控制網(wǎng)的固定誤差，單位為mm；b為相應(yīng)等級(jí)控制網(wǎng)的比例誤差系數(shù)，單位為mm/km；D為平均邊長(zhǎng)，單位為km。

第二，異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差應(yīng)符合下式的規(guī)定：

式中：w為環(huán)線全長(zhǎng)閉合差，單位為mm；n為閉合環(huán)邊數(shù)；σ為相應(yīng)基線長(zhǎng)度中誤差，單位為mm。

第三，同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差的限差值為異步環(huán)閉合差限差的1/2。

（2）GNSS網(wǎng)的平差處理

第一，在各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)符合要求后，所有獨(dú)立基線組成GNSS空間向量網(wǎng)在WGS-84橢球下進(jìn)行三維無(wú)約束平差[3]，精度滿足（1）至（9）計(jì)算限差。

第二，在無(wú)約束平差確定有效基礎(chǔ)上，進(jìn)行二維約束平差，加載已知坐標(biāo)，進(jìn)行約束平差，得到CGCS2000坐標(biāo)成果。

（3）投影變形計(jì)算

建立GNSS工程施工控制網(wǎng)的關(guān)鍵是解決好坐標(biāo)投影變形問(wèn)題。

投影變形由兩部分組成，一是高斯變形，離中央子午線越遠(yuǎn)，變形越大[9]；二是海拔高引起的變形，把地面上單位長(zhǎng)度投影到參考橢球面上引起長(zhǎng)度的變形。計(jì)算公式如下[8]：

考慮到從將軍廟水庫(kù)工程、引水隧道工程至測(cè)區(qū)南端的新龍口水利工程區(qū)，高差為212 m，由式（9）計(jì)算得到三個(gè)工程區(qū)的投影變形值，如表6；將軍廟水庫(kù)工程區(qū)的投影變形值為-18.79 cm/km，引水隧道工程中心區(qū)投影變形值為-18.66 cm/km，工程最北的新龍口工程區(qū)投影變形值為-15.04 cm/km，均不滿足規(guī)范±2.5 cm/km要求。

（4）施工控制網(wǎng)坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

建立施工控制網(wǎng)的目的就是消除投影變形的影響。選取施工中心區(qū)KH15為投影中心，以KH15-KH30方位為基準(zhǔn)方向，工程投影面一般選取測(cè)區(qū)平均高程面[10]，本案例以1 080 m為高程抵償面，建立CGCS2000坐標(biāo)系下的高程抵償面坐標(biāo)系。在高程抵償面獨(dú)立坐標(biāo)系下變形值如表4，均滿足±2.5 cm/km要求。

表4 奎屯河引水工程投影變形情況及平均高程面投影變形值

依據(jù)CGCS2000坐標(biāo)反算得到KH15-KH30邊長(zhǎng)為5 858.019 6 m，將此邊長(zhǎng)投影換算到1 080 m高程抵償面上長(zhǎng)度為5 859.012 6 m，保持投影中心點(diǎn)KH15坐標(biāo)不變，以KH15-KH30為基準(zhǔn)方向，以5 859.012 6 m反算KH30的新坐標(biāo)，以KH15、KH30兩點(diǎn)新坐標(biāo)作為基準(zhǔn)對(duì)整網(wǎng)進(jìn)行再次強(qiáng)制性約束平差，即可得到以KH15為中心，以KH15-KH30為基準(zhǔn)方向，以1 080 m為高程抵償面的控制網(wǎng)的施工坐標(biāo)系成果。

（5）控制網(wǎng)測(cè)量成果可靠性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證本方案控制網(wǎng)成果精度可靠性，選取位于測(cè)區(qū)不同位置的控制網(wǎng)邊14條，采用兩秒級(jí)全站儀進(jìn)行光學(xué)測(cè)距檢測(cè)，以對(duì)向觀測(cè)、4個(gè)測(cè)回的方式，測(cè)距加氣象改正，加常數(shù)乘常數(shù)改正，可以得到精確測(cè)距值，與施工控制網(wǎng)控制點(diǎn)坐標(biāo)反算值進(jìn)行檢查對(duì)比，情況見(jiàn)表5所示，均在限差范圍內(nèi)，充分說(shuō)明本項(xiàng)目采取施測(cè)方案測(cè)得的成果精度是可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)奎屯河引水工程建立高精度施工控制網(wǎng)項(xiàng)目任務(wù)，提出獨(dú)特的建立工程施工GNSS控制網(wǎng)的思路及方案，重點(diǎn)探討了方案設(shè)計(jì)、投影變形計(jì)算及施工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并采用傳統(tǒng)測(cè)距方式對(duì)測(cè)量成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證，確保施工控制網(wǎng)成果精度的可靠性。本文旨在為各類工程建設(shè)項(xiàng)目建立施工控制網(wǎng)提供一定的參考。