水电工程中的快速施工控制测量

摘要：可靠的施工测量是保障正确执行设计意图的前提，测量工作在水电工程的建设中起着非常重要的作用。结合思林电站尾水洞工程的施工测量，介绍了在GPS控制点的基础上利用全站仪加密控制点，建立施工测量控制网的几种常用方法，并为工程快速施工打下了坚实的基础。

关键词：乡城水电站;快速施工;控制测量;导线测量

1、概述

水电工程施工测量工作量大，特别是在开挖施工阶段，既要进行开挖轮廓的放样测量，又要进行断面计量测量，且该阶段往往设计变更比较多，更增加了测量的工作量。现在土石方施工的机械化程度越来越高，施工速度越来越快，要求测量工作也要快速准确，并且能很快地提供测量成果，而传统的测量方法已很难满足这样的要求。本文介绍的方法已在实际施工中得以成功应用，对解决上述问题很有借鉴作用。（高程），相应库容12.05亿m3，装机容量为1000MW/（4×MW）;年发电量40.51×10kW・h。枢纽设置通航建筑物，可通航300～500t船舶。施工区属思南县管辖区，两岸地势险峻，高差较大，通视条件一般。测量路线走向为电站左右两岸。

2、测量组织

2.1首级控制网的建立

2.1.1平面控制网

施工区左右两岸有昆明勘测设计院所施测的施工控制网：①采用GPS静态测量在整个施工区内布设了4组首级控制;②使用4台TRIMDLE（天宝）4800接收机进行观测，每个时段不少于60分钟;③GPS接收机的数据采样率为15秒;④经过随机软件TGO基线解算和平差网计算后的GPS成果作为整个电站的首级控制成果。

2.1.2测量控制网的复测

施工区的首级控制网由6个主网点组成，我项目部测量队联同监理、业主测量队对其进行了全部复测，经过平差计算，各点精度、可靠性均能满足施工要求。（通常水电站的测量控制网都达到四等以上精度要求）根据测量规范，可以作为首级控制网。各级的复测工作是必须进行的，控制点的精度是准确施工放样的有力保障。

2.2二级控制网的施测

2.2.1水平方向观测

水平方向观测采用全圆方向观测法（采用瑞士徕卡TCR70（2”，2+2PPM）全站仪，施测前已由贵州省测绘仪器计量检定站检定），4个测回，施测时各项限差严格按规要求观测，并要在观测过程中保证目标成像清晰、稳定;另外为了减小大气折光的影响，要选择最佳观测时间进行观测。晴天作业时，测站应用测伞遮阳，不宜逆光观测。

此平面控制采用导线网布设，既能作独立平面控制，也可作首级三角网进行联测，并通过平差计算，成果满足规范要求。局部成果计算见表2。从表中可以看出，计算中的角度平差、配赋及各项限差都符合测量规范要求。这说明，此导线网的可靠性以及观测质量稳定良好，能够满足施工要求。

2.2.2光电测距

采用徕卡TCR702（2”，2+2PPM）全站仪及其辅助工具（如气压计、温度计等），都已经由计量部门进行了严格的检定，目标采用配套三棱镜。观测时采用往返观测两个测回，每一测回读取4个数。各测回2C值互差均按规范要求进行。所测距离均采用对向观测，同时作好温度、气压的记录，最后取各个观测值的平均值作为水平距离的起算数据。气压最小读数为：0.5°C，温度最小读数为：0.5MB。

2.2.3三角高程测量

严格按照光电测距三角高程测量技术规范要求进行施测。采用三丝法往返测量（各3个测回），盘左位置和盘右位置分别照准同一目标读数为一测回，用水平丝照准目标时均精确照准两次，各读数两次。测站平差，高程按改正数配赋计算，并注意仪器高和梭镜的正确量取（一般应量取两次，取其平均值），以确保观测是否满足精度要求。

3、测量控制及精度估算

3.1控制网的加密

由于原有的控制网（GPS点）都布设在左右两岸的山上，离施工现场比较远，不能够满足施工测量的需要，必须根据工地的实际情况，选择合适的位置埋设好控制点，进行施工测量控制网的测设。如果利用全站仪建立EDM导线网，其精度也可达到四等的精度要求。由于水电站的建筑物很多（例如厂房、大坝、尾水洞、船闸等），结构复杂，各个建筑物在平面位置和高程方面都有一定的联系。而各个建筑物又是独立进行施工，最后才联结为一个整体。为了保证建成后的各建筑物符合设计要求，就需要在施工前建立整体的施工控制网，以控制全局，作为各项工程放样的依据。

水电工程传统的地面控制测量方法就是建立小三角网，但现在GPS以及各类型全站仪的全面普及，传统的小三角网控制测量已不适用，完全被GPS测量或是全站仪测设导线的方法所替代。不过，GPS测量一般仅用于首级测量控制点的测设，至于施工区内的控制网加密则最常用的是全站仪测设导线网。结合思林电站的实际控制测量，介绍几种施工测量控制的有效方法。

3.1.1附合导线（如图1）

附合导线，由某一高级控制点出发最后附合到另一高级控制点的导线。附合导线选点比较灵活，能在所需要的地方布点，且易布设成直伸型，并能一次性完成平面和高程控制测量工作，这就使得导线测量成果的精度大大得到提高。

3.1.2闭合导线（如图2）

闭合导线，由某一高级控制点出发后最后又回到该点，组成一个闭合多边形。其具体布设如图1所示。II-09为左岸控制点，II-13为右岸控制点，1点至4点为中间点，所有点连成一条导线。野外选点时，导线边长要大致相等，相邻边长不应悬殊过大。同时，相邻点的高差也不能相差太大。所选的导线点，如有条件的话，最好就行埋石。这样，点不容易被破坏。下面就思林电站尾水洞出口明段的控制测量为例，进行闭合导线计算。过程如下：

观测时按闭合导线的测量规范要求进行施测。既从II-09开始，按顺序观测至II-13闭合，水平角、竖直角的观测以及往返高差的限差要求，应符合相应的测量规范要求。

以上两种的导线布设，其点位

坐标不但可以得到校核和精度衡量，还能够最大限度的减少工作量。

3.1.3双支导线（如图3）

当闭合导线中的某一点或几点发生重合时，就成了双支导线。此类型的导线，其观测的方法与闭合导线相同。一般来说，这种导线可以单双测站交替设置。在重合点上只需要架设一次仪器或是梭镜。它的计算既可按两条支导线独立进行，也可按闭合导线的方法进行计算。（当导线交叉时，只能按双支导线计算）另外，还可以较重合点以及终点的坐标值从而得到校核。

3.1.4单支导线（如图4）

随着工程的进展，需要在局部工程部位（如施工支洞、主机间、安装间）布设控制点，则可以布设成支导线。其观测的步骤与各项精度指标与上面两种类型的导线一致。为了便于校核，水平角的观测采用方向观测法，观测三个测回，测回间的方向值互差应小于6秒。在进行距离和高差观测时，结合正倒镜法往返观测，以便用两组数据进行校核。结合思林水电站的实际施工情况，在尾水洞内布设了两条支导线，既满足了施工测量的需要，又可以相互校核，进行被毁控制点的恢复工作。

3.1.5无定向导线

无定向导线作为导线的一种的布设形式，其原理是：在两个已知点不通视的情况下，先建立一假定坐标系（原点最好选建在一个已知点上），按照规范要求进行导线各相关要素的测量，计算两个已知点在假定坐标系中的坐标，然后利用坐标系间旋转及平移的原理，求出导线上各点的大地坐标。由于这种导线在测量中，某一测站数据一旦发生错误，不容易被发现，这就需要对整个导线进行重新测量，从而导致了测量工作量的增加，也会影响到施工。所以，此导线无论是对测量人员的技术水平、还是测量仪器的精度指标以及观测精度等，都有很高的要求。加之此导线具有一定的局限性，工程中基本不使用。

3.1.6导线网的精度估算

施工区域内导线网的建立，主要是为了指导施工放样。此外，也用于断面测量、地形图测量。

以上所述的三种导线，均可用直伸支导线终点精度的估算方法来估算导线最弱点的精度。在任意平面直角坐标系中，支导线由于没有起算数据误差（其误差忽略不计）和因起算数据误差引起的误差，其最弱点的点位中误差的计算如下式：

M=√（M2x+My2）

Ms=±u√sn（公式1）Mq=±nsmB"/p"√（n+15）/3

Mx、My分别由导线测量误差引起的导线终点的纵、横向误差

Ms、MB分别为导线测距和测角中误差

s、n分别为直伸导线平均边长和导线边数，S为支导线的总长。

根据大量的导线测量数据统计：测距精度等于或高于5+5ppm的2″全站仪的测距中误差≤±5mm，测角中误差约为±3″。而根据《水利水电施工测量规范》（SL52-93）中的相关规定，导线测量各项技术要求如表（1）

从表（1）中可以年看出，当导线测量的各项技术指标符合规范要求时，计算不同长度和边数的支导线弱点的点位中误差M可通过式（1）求出。而当在地面导线长度2000m以内时，可用单支导线（一级导线的观测要求）控制;当导线的长度在2000m以上时，应用闭合或双支导线作控制，其最弱点点位中误差为单支导线的1/√2。下面用一个实测导线（闭合导线见图2）的测量平差来加以说明。

从表中可看出，导线测设成果的精度达到了三等控制网的精度要求，完全符合施工测量四等控制网的精度要求。

3.1.7快速测设

从计算表中可以看出，经过平差后的成果为大地坐标。而设计施工图施工坐标（图上尺寸）。在进行施工放样时，需要把设计施工图上的坐标进行旋转，使整个施工区域在一个相对坐标网内，才能达到快速测量放样的目的。坐标转换公式如下：

X=a+X0cosa-Y0sina

Y=b+X0sina+Y0cosa

上式通过坐标换算得出以下实用公式：

S=（X-C）cosa+（Y-E）sina

G=-（X-C）sina+（Y-E）cosa

结合乡城水电站引水隧洞工程的情况。由于有1条主洞和2条施工支洞及出口明段的开挖和4个闸门的校模工作。场面较多，施工环境特差，又是交叉作业。每条洞每天都要有2至3轮炮的开挖放样工作。加之有的地段地质条件很差，容易塌方。如果不在有限的时间内快速测量放样，将会影响到整个工期的安排计划，甚至威胁到施工作业人员的生命安全。为此，将测量控制网内的所有点的大地坐标都经过公式转换，与设计施工图统一成为一个施工控制网，通过仪器测量出来的坐标（X，Y），X代表所测任意点相对于洞轴线的桩号，Y代表所所测任意点相对于洞轴线的偏距。（顺水流方向，洞轴线左为负，右为正）施工坐标的采用，大大减少了测站上的计算量，达到了快速施工测量的目的，从而也保证了施工的进度。

表（1）导线测量技术要求

表（2）闭合导线平差计算成果表

4、结束语

水电工程的地面控制测量，使用全站仪来测设导线网，是一种平面精度高、效率高、并节省费用的好方法。三角高程的精度要求完全可以满足四等水准测量的要求，可直接用其成果。EDM（测距）导线是水电工程测量中常用的方法，但布点时要尽量使导线成直伸型状，以提高精度、减小误差。单支导线的测量由于仅有一端连接在高级控制点上，如发生错误，根本没有办法进行校核。所以施测时要多注意自身的检核。比如观测左右角、多个测回施测等。如果重条件允许的话，应使其末端与其它的高级控制点相连接，以便校核其精度，保证其准确性。对于施工测量控制网，应定期进行复测，及时发现和纠正控制点可能出现的偏差和位移。

乡城水电站引水隧洞工程能够顺利和快速的施工，得益于建立了可靠的施工平面控制网。（已会同监理部复测了两次）而施工测量放样是整个施工过程中的一个组成部分，因此，必须与施工组织计划相协调，在精度和速度方面满足施工需要的同时，还要尽可能的避开施工的干扰。更为重要的是，测量人员不但要具有过硬的专业技术水平，还要具有高度的责任心，热爱本职工作、认真细心、吃苦耐劳，无论在多么艰苦的条件下，都必须保证测量成果的质量。否则，稍有差错，就会给单位造成重大的经济损失，也毁了自己的前途。

参考文献：

[1]李表青岳等.工程测量学[M].北京：测绘出版社，1995年（第二版）。

[2]SL52-93水利水电工程施工测量规范[S]，中国水利水电出版社，1994年。