三點起算法長條形水利樞紐首級平面施工控制網復測成果分析

何寶根，何定池

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

0 引言

某大型水利樞紐工程是一座以防洪、航運、發電、水資源配置為主，結合灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐建筑物包括泄水建筑物、河床式發電廠房、擋水壩、船閘、灌溉取水口、開關站及魚道等。水庫總庫容為30.13億m3，正常蓄水位61.0m，汛期洪水起調水位和死水位為47.60m，電站裝機1600MW，過壩船閘3000噸級。

根據規范規定，施工測量工作應根據工程施工總布置圖和有關測繪資料，布設首級施工控制網。首級施工控制網建成后，應加強維護管理，保障控制網點的正常使用和安全。在下列情況下應定期進行整體或局部復測。

(1)首級施工控制網建成1年后。

(2)開挖工程基本結束，進入混凝土工程和金屬結構、機電安裝工程開始之前應進行施工區局部控制網復測。

(3)處于高邊坡部位或離開挖區較近的控制點，應適當增加局部復測次數。發現控制網點有被撞擊的跡象或明顯的沉降現象時，應對被撞擊或沉降區局部控制點進行復測。

(4)控制網點周圍有裂縫、沉陷或有新的工程活動時，應對周邊局部控制點進行復測。

(5)遇明顯有感地震，應對整網進行復測。

(6)利用控制網點作為起算數據進行布設局部專用控制網時，應對整網進行復測[1]。

首級施工控制網不僅是施工的基準，還可以作為變形監測網的基準，用以監測及分析大壩的變形[2]。

1 首級平面施工控制網起算原理

首級施工控制網在測圖控制網[3]的基礎上布設，在涉水一江兩岸樞紐區一般采用一點一方向法或兩點法作為起算點布設首級平面施工控制網。如石虎塘航電樞紐采用兩點法布設首級平面施工控制網。首級平面施工控制網通過與國家控制網取得聯系的測圖控制網進行聯測，進行第一次平差，取得在國家控制網控制下的施工控制網點坐標(相對精度不太高的國家坐標)；然后通過固定壩軸線一端某點A的坐標及該點到另一端的某點B的方位，以及兩點間通過紅外測距精確測定的邊長進行起算，再平差，得到了高精度的二等平面首級施工控制網的坐標，滿足了該樞紐一河兩岸施工的需要[4-5]。能使用兩點法起算的前提條件是以起算邊畫個圓能控制住主要施工區域，且紅外測距邊一般在2km左右。對于長達6km的長條形水利樞紐施工區域，限于紅外測距邊長度的限制，兩點起算法會帶來較大誤差，不能滿足首級施工控制網成果復測精度要求。角度誤差偏離視準線的垂直距離d按公式(1)計算，示意圖如圖1所示。

圖1 小角法偏移距離計算示意圖

d=α/ρ×D

(1)

式中，α—偏角，(″)；D—監測點至測站點之間的距離，mm；ρ—常數，其值為206265″。

某大型水利樞紐工程A、B兩點起算邊的長度為1578m，要控制的長條形的長邊長度為6945m，如圖2所示。如采用AB短邊作為起算邊及起算方位，如短邊角度1″的誤差，則會引起長邊最遠點C點的誤差達33.7mm，超過了首級施工控制網點點位中誤差不應大于10mm的規定，會引起長邊附近控制點的無規律擺動，實測成果也證明了這點。此時兩點起算法不能滿足首級平面施工控制網復測的需要。

圖2 三點起算法示意圖

此時就要采用三點起算法作為GNSS(全球導航定位系統)首級平面施工控制網的復測成果的起算基準。先用A、B兩點起算法對全網進行平差，獲得C點坐標；再固定C點坐標作為GNSS復測控制網的起算基準。復測成果滿足了該長條形水利樞紐施工的需要，目前該項目主體工程已順利竣工，庫區已正常蓄水，全部機組投產并網發電并通航。

2 首級平面施工控制網復測方案

該長條形水利樞紐首級平面施工控制網于2014年建立，以后每年復測一次，下面以2017、2018年兩年的復測成果進行說明。該控制網為二等GNSS控制網，圍繞著主要施工區域沿江兩岸布設。2018年共計復測20點，依次為DTX01、DTX02、DTX03、DTX04、DTX05、DTX06、DTX07、DTX08、DTX09、DTX10、DTX11、DTX12、DTX13、DTX14、DTX15、DTX16A、DTX17A、DTX18、DTX19、DTX20，其中DTX16A、DTX17A是恢復的新點。平面控制網網圖如圖3所示。

圖3 某長條形水利樞紐首級平面施工控制網網點圖

2.1 復測依據規范

復測依據參考以下標準、規范：①SL 52—2015《水利水電工程施工測量規范》，②GB/T 18314—2009《全球定位系統(GPS)測量規范》[6]，③GB/T 12897—2006《國家一、二等水準測量規范》[7]，④GB/T 16818—2008《中、短程光電測距規范》[8]，⑤GB/T 17942—2000《國家三角測量規范》[9]，⑥CH 1016—2008《測繪作業人員安全規范》[10]，⑦GB/T 24356—2009《測繪成果質量檢查與驗收》[11]。

2.2 坐標高程系統

采用獨立坐標系，1985國家高程基準。

2.3 起算點檢測

該長條形水利樞紐首級平面施工控制網利用2014年首期測量的ⅡDTX04、ⅡDTX03和ⅡDTX11的坐標作為二等平面控制網的起算坐標。采用GNSS靜態定位的方法測量，布設成二等平面控制網。整個控制網由多邊形構成，以邊連的方式組成二等平面控制網。

為了檢測起算點ⅡDTX03、ⅡDTX04和DTX11三個點的穩定性，采用全站儀復測了起算邊ⅡDTX03—ⅡDTX04以及基線ⅡDTX04—ⅡDTX05、ⅡDTX11—ⅡDTX10和ⅡDTX11—ⅡDTX12。2018年復測成果與原來測量值相比較的精度分析見表1。

表1 基線復測成果比較分析表

綜上所述，經檢查，DTX04、DTX03、DTX11等3個起算點滿足規范的精度要求，可繼續作為本期復測坐標起算使用。

2.4 GNSS控制網的觀測

根據該長條形首級平面施工控制網的20個點，進行同步觀測環圖形設計及觀測時段設計，編制出復測的作業計劃進度表，設計好觀測路線，按照計劃依次進行觀測。

GNSS觀測采用經送國家授權的計量部門進行全面鑒定過的Trimble R8和Leica GS15共6臺GNSS接收機進行觀測。觀測時，控制點儀器架設于強制觀測墩。采用連接螺絲與儀器基座連接，對GNSS接收機嚴格整平對中，每時段觀測前后各量取天線高1次，取其平均值。觀測作業開始時做好野外記錄，包括測站點名、觀測者、測量等級、接收機類型及編號、觀測日期、天氣情況、時段號、觀測開始及結束時間、天線號碼、天線量測高等，并畫好點位略圖。

二等GNSS觀測時，保證在有效觀測衛星多于5個，PDOP小于6的條件下進行觀測，每10s自動采集數據一次，連續觀測120min以上，完成一個時段的觀測后繼續進入下一個時段的觀測，確保每個環不少于兩個時段的觀測。當有效觀測衛星小于5個或PDOP大于6時，即刻結束當前的觀測，待觀測條件穩定后進行重測，觀測過程完全按規范要求操作。

2.5 復測平面控制網平差

GNSS觀測完成后，Trimble接收機采用Trimble傳輸軟件將數據傳至筆記本電腦上，并轉換為標準的Rinex格式；Leica接收機采用LGO傳輸軟件將數據傳至筆記本電腦上，并轉換為標準的Rinex格式。轉換后的數據導入HGO數據處理軟件進行基線解算和平差計算。

利用ⅡDTX04、ⅡDTX03和ⅡDTX11的坐標作為二等GNSS控制網的起算坐標，采用HGO數據處理軟件進行基線解算和平差計算。平差時認真對有關條件進行了檢核，平差后最弱點點位中誤差為4.1mm，經檢查各項精度滿足規范要求。2018年復測的二等GNSS控制網平差的精度及質量情況見表2—3。

表2 GNSS控制網精度統計

表3 同步環和異步環精度統計

按以上步驟進行了1980西安坐標系的二維約束平差和國家2000坐標系的二維約束平差。

平差結束后，將網圖、重復基線、環線閉合差、三維平差、二維平差、點位誤差等合并裝訂成冊，及時對成果數據進行了總結。

3 復測平面成果比較分析

某長條形水利樞紐工程首級平面施工控制網，2018年復測成果與上期(2017年復測)成果及首期(2014年測量)成果比較分析表見表4。

表4 2018年平面坐標復測成果與上期、首期成果比較分析表

從表4中可看出，DTX16A和DTX17A是恢復的新點，其它點2018年復測值與上期2017年復測的測量成果比較，差值最大的點DTX19是8.7mm，差值最小的點DTX07是0.8mm，其中各點差值均小于10mm。從表4可以看出，相對于上期來說，平面點坐標是穩定的。

2018年復測值與首期2014年初值比較，差值最大的點DTX08是24.0mm，差值最小的點DTX18是2.9mm，其中差值大于10mm的有8個點，大于20mm的有4個點。相對于首期測量值來說，有4個點的平面坐標的差值已經大于20mm。說明長期來說，受施工等因素影響，平面坐標還是不穩定的，需要每年進行復測以觀察平面坐標變化情況是否滿足施工的需要。

4 結論

(1)經檢測，DTX03、DTX04和DTX11比較穩定，可以作為三點起算法復測的起算點。

(2)經過復測和與往期測量成果比較分析，基于三點起算法的長條形水利樞紐首級平面施工控制網坐標與上期的比較差值均在10mm以內，滿足規范精度要求；但是與首期的比較，差值大于10mm的有8個點；所以長條形水利樞紐首級平面施工控制網成果宜每年復測一次，并以最新的復測成果為準。

(3)目前該大型長條形水利樞紐工程主體工程施工已竣工并蓄水發電通航，實踐證明三點起算法布設首級GNSS平面施工控制網能滿足大型長條形水利樞紐工程施工需要。

(4)不足之處是復測時對起算點只進行了邊長檢測，未進行測角檢測。