水利枢纽施工控制网建设中若干问题的探讨

摘 要：利用GPS技术在水利枢纽施工控制网建设中经常会遇到通视条件差，布点位置局限，距离较近，观测条件差等问题，在施工控制网选点、观测、解算中如何避免无效观测，提高观测精度、验证和考证观测结果，本文通过项目实施对这些问题进行了分析，并在工程运用中得到了很好的实施。

关键词：控制网 选点 观测 处理 验证

中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0031-02

某南疆水利枢纽建立施工控制网，测区位于山区陡峭，河道为山谷的狭隘区域，施工控制网主要为拦河坝、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流发电系统、发电厂房等水利设施和施工道路开挖等施工所用，其中挡水建筑物、泄洪洞及发电洞进水口为1级建筑物；发电引水隧洞、电站厂房、生态发电引水洞及其厂房为2级建筑物；多数的洞室施工都是对向开挖，甚至还有施工支洞，例如发电引水隧洞长约6 km左右，包括进、出口还有2个施工之洞；各洞口的施工控制网布点位置局限，距离较近，观测条件不好，基本上三面环山，卫星的观测颗数及所构成的空间分布受到限制。

平面控制网基本网（首级控制）等级为二等，各控制点联测成为一整体，没有增设加密点；高程基本网为二等，加密为三等，平面点标石为混凝土观测墩（1.1～1.3 m高度），墩顶装有强制对中设备，观测墩的底座上埋有水准标志，便于施工控制网的使用。

使用的设备主要有Trimble双频GPS接收机8台套（标称精度：5 mm+0.5 ppm×D），日本Sokkia NET05智能型全站仪1套。（标称精度：0.5″，0.8 mm+1 ppm×D），用于边长的检测和验证。

执行的规范标准为《水利水电工程测量规范》（SL197-97）和《水利水电工程施工测量规范》（SL 52-93）。使用的处理软件为随机商用软件《Trimble Business Center》，和武汉大学编写的《科傻GPS数据处理软件》。

1 选点

施工控制网点通常密度较大、精度较高、使用频繁、受施工干扰大，有可能随工程开挖遭到破坏，此外还必须考虑施工的便利性和控制点必要性，尤其在水利枢纽区域还会遇到通视条件差，地质条件不稳定，点位之间距离较近，观测条件差、布点位置局限的状况，在本次在项目中更加突出这方面的情况，技术方案中，控制网点的平面位置采用的是GPS观测，测区又属于高山区，视场内障碍物的高度角的基本都大于15°、布设的点位根据施工、地形、地质和观测等条件太局限，部分点与点之间为了保持通视，距离很近，而且有个别点选在高压线或发射台（联通、电信）附近的情况。点位布设如图1所示。

图中从点号W21开始到W04沿公路两边一直有35 kV电线来回穿梭，造成W04、W09、W11、W13、W17等点距离高压线20～50 m不等，而且W16、W17附近有小功率的移动和联通发射塔（用于山区较小的无线电发射塔），对此又要保证施工控制点埋设的必要性还要保证其精度质量，必需对这些点进行验证，解决的方案是我们通过高精度的全站仪观测多组边长来考证成果的可靠性和准确性。

此外结合水利设施建筑物的特点，应该在建筑物轴线上布置控制点，便于常规设备的放样施工，但因选点条件有限及现代设备比较先进的特点，控制点埋设可不考虑建筑物轴线上设计点位，可以充分发挥控制点选埋的灵活性，但一定要考虑施工便利、破坏几率小、稳定且能满足观测的要求。

2 观测

对于山区作业，GPS观测可能遇到可见卫星数较少、障碍物的高度角影响；为了提高GPS网点可靠性和准确性就要增加观测时间、增加观测时段、增加重复设站次数保证多余的观测量；为了提高作业效率还要合理安排多台GPS作业、避免无效观测等情况，GPS观测前必需制定观测计划尤为重要。观测方案的合理性决定成果的可靠性和准确性，同时还要提高作业效率，节约成本，这都是本项目要着重考虑的问题。

（1）根据的测区的星历预报（可见卫星数），从中午13点开始到16点，卫星数在4～6颗，测区又位于山区，中午不适宜观测。

（2）为了增加GPS网可靠性，适当地增加了观测时段数（增加基线数），即增加了重复设站次数；规范规定每个点的观测时段数不低于2个，实际操作时平均每站均大于2个时段，增加的时段数主要是卫星数有可能较少的区域（山谷狭窄的地方）、或起算点和起算方位的控制点。

（3）为了提高GPS网的精度，延长了观测时间，规范的观测时间为90～120 min，实际上均大于120 min，以获得更多的同步观测时间和同步观测卫星；此外对于网中距离较近的点都进行了同步观测，获得它们之间的直接观测基线，有助于提高精度；同时在观测计划表中也要考虑同一建筑物的控制点尽可能在同一个观测时段内，如右岸的发电隧洞进口、施工之洞和出口控制点安排在一个时段内观测，同样其他的为一整体的建筑物也可安排在同一时段内，有助于精度的提高和顺利贯通，同时也进行了长边控制。

对于上述观测条件不太好的情况，例如W03点三面环山、也可以通过高精度的全站仪观测多组边长来验证。

3 数据处理

前期规划测量时按照规范规定投影长度变形值不大于5 cm/km可不做投影，测区实际投影变形值为4.7 cm/km，前期测量工作都在高斯面进行，但对于高精度的施工控制网都要求投影变形值为最小，实际测量边长=坐标成果反算边长，因此，观测边长应投影测区所选定的高程面上，而且使得本次成果能与前期规划的成果衔接或相差最小。本次施工控制网先引测了前期规划阶段的控制点，保证了成果的衔接，再利用引测的施工控制网点坐标，使用一定的投影方式进行投影计算，本项目是以测区中心的一点为投影中心，以距离较远的点位起算方向进行最小约束平差，实际项目操作为：以W18为投影中心，以W18-W30为起算方位角，进行最小约束平差，中央子午线为W18的经度，避免了成果不配套的问题，也减小了投影变形的差值。

GPS数据处理主要有两个方面，首先是外业数据的检核，其目的对观测值进行残差分析，发现粗差，检核基线长度的精度，计算和检核基线向量环闭合差；项目观测完毕后发现还是遇到了有观测基线质量不好的现象，复测基线和异步环虽然没有超限，但同步环有2个超限的现象，主要是与位于山区特别狭窄区域控制点相连的基线，原因是同步观测卫星时间较短，而且卫星数量不多且分布不均，与控制点构成的空间结构图形较差，这在处理软件中timeline命令和卫星分布区域可以看出，由于在观测计划编制的时候已考虑到此区域观测条件不好，增加了观测期数和时间长度，因此，在选择基线时就有了很大的余地，不用再重新返测。其次是GPS平差计算，包括三维无约束平差和二维约束平差，三维平差的目的就是检验本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差，基线精度差，最弱边边长中误差就大，因此，提高GPS控制网精度也可通过三维平差结果的筛选，去除精度不好的基线，但不宜过多（有规范要求）；二维约束平差将GPS基线向量观测值及其方差阵转换到国家（或地方）坐标系的二维平面（或球面）上，然后在国家（或地方）坐标系中进行二维约束平差，运用《科傻GPS数据处理软件》能很好处理此项工作。

4 结果验证

对于距离高压线、无线发射塔过近和障碍物高度角过大的现象，究竟有多少影响，影响值有多大，在通过高精度的全站仪施测边长进行比较后，我们就可以确认我们的成果是否可靠。边长观测的方法和改正严格按照规范的要求执行，边长进行了气象、加乘常数、斜改平、投影改正，比较如表1。

W17、W16附近有发射塔，W04、W9、W13、W17附近有高压线。其它均为障碍物高度角过大的现象，通过比较边长差值都在6.8 mm以内，大部分在3 mm以内，也可以推出边网交会得出的坐标也相差不大，这可以说明以上的几种情况对成果影响很小，结果得到了验证。

对于删减精度不好的基线，GPS网的边长精度也得到了提高，但点位误差基本没有提高多少（见表2）。

5 结语

在山区进行GPS控制测量必需对方案进行详细的设计，进行事前控制，对预计困难的环节提出有效方案和解决办法，通过项目的实施和对结果的验证，在设计中考虑到的方案得到了很好的运用，提高了GPS网的可靠性和精度，而且提高了作业效率，避免了无效观测，节约了成本。

参考文献

[1] 孔祥元，郭际明，刘宗泉.大地测量学基础[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[2] 张正禄.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.

[3] 徐邵铨.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2001.

[4] SL197-97水利水电工程测量规范[Z].

[5] SL 52-93水利水电工程施工测量规范[Z].

[6] GB/T 19314-2009全球定位系统（GPS）测量规范[Z].