新疆奎屯河引水工程施工控制网的建立

李 坚

新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司

奎屯河区是新疆重要的轻工业基地、物流中心、现代化农业示范区。奎屯河引水工程是《新疆奎屯河流域规划》中推荐的重大工程[1]，位于天山山脉中段奎屯河上游出山口段附近，承担着兵团第七师、乌苏市、独山子区和奎屯市的城市、工业、生活供水，以及河流域内近14万hm2农用地灌溉供水任务，修建引水工程已是迫在眉睫的基础工程。

1 项目概况

奎屯河引水工程，由将军庙水利枢纽、山区引水隧洞、新龙口渠首电站等工程组成，功能上以供水、灌溉为主，兼顾防洪、发电，控制灌溉面积191.8万亩，属大（1）型I等工程。其中将军庙水库总库容8 108万m3，坝顶长595 m，最大坝高133 m[2]；山区引水隧道总长11.74 km，为加快施工进度，从三个支洞里分段进行隧道作业；新龙口工程区位于北端出山口，由电站工程、渠首工程组成，电站是利用隧道引水发电。建立奎屯河引水工程统一的、高精度施工控制网[3]目的是为引水工程各分项建筑工程施工提供统一的坐标基准。工程总体布局如图1所示。

图1 奎屯河引水工程总体布局图及施工控制网布设图

2 项目区地形地貌情况及交通条件

奎屯河引水工程施工控制网项目区南起奎屯河上游将军庙水文站，北至出山口新龙口，南北长约15 km，东西最宽处700 m，奎屯河在该段呈“V”字型[4]，为典型的高山峡谷地貌，奎屯河发源于天山北麓南大沟大板，属于高山融冰（雪）及降雨补给类型的内陆河流，水量随气温的高低而涨落，夏季水多，冬季水枯。项目实施期五月份，多大风、雨及雪，气候变化无常，河段内山势峥嵘，河水湍急而冰冷。西岸为陡峭山体，基岩裸露、风蚀破碎程度较高，东岸相对平缓，山体半坡上有G217（独库公路）傍山而过，为项目的实施提供了一定的便利。该项目实施起来具有一定的危险性，属于困难类测区。

3 控制网方案设计

控制网采用CGCS2000坐标下的独立坐标系，1985国家高程基准；由于奎屯河引水工程是一个系统性的项目，位于高山峡谷中，地形起伏较大，为保证测量成果精度，同时考虑到测绘外业安全快捷，控制网采用GNSS网形式布设，采用双频GNSS接收机进行数据采集，采用随机商用软件进行数据处理；本项目为大型水利系统工程精度要求高，要求坐标投影变形值控制在±2.5 cm/km以内（规范要求±5 cm/km内）；依据测区实情，选择合适的投影中心点及高程抵偿面，建立测区CGCS2000坐标系下的独立坐标系，满足引水工程施工建设的需要。

3.1 平面控制布网技术指标确定

（1）本项目属于大型水利水电工程，大坝类型为钢筋砼面板砂砾石坝，按规范要求，选用三等GNSS平面控制网。

（2）主要技术指标如表1所示。

表1 三等GNSS平面控制网技术指标

GNSS网相邻点间弦长精度按下式计算：

式中：σ为基线长度中误差，单位为mm；A为固定误差，单位为mm；B为比例误差系数，单位为mm/km；d为平均边长，单位为km。

（3）测距的主要技术要求如表2所示。

表2 测距作业技术要求

3.2 控制网网型设计

依据工程总体布局图，在大坝两肩、导流洞进出口、发电洞进出口、支洞口进口附近的地质稳固处布置强制对中观测墩，每处建筑物附近布置三个墩，每墩满足至少一处通视条件；控制网采用水利三等平面控制网精度，以边连接方式组网，共设计35点，其中31点为强制对中观测墩，4点为过渡点，采用简易标石埋设方式布设。控制点平均间距553 m，最短边边长226.47 m，最长边边长1 038.84 m；控制网网型具体如图1所示。

3.3 控制点的选点埋石

3.3.1 选点

（1）控制点须选在质地坚硬、稳固可靠[5]且能长期保存的地方。

（2）控制点应保证两点间能相互通视，每个控制点至少一个通视方向[6]。

（3）控制点应选在视野开阔、通视良好、被测卫星的地平高角度在15°以上的地方。

（4）控制点应远离大功率无线电及大面积水面。

3.3.2 造墩或埋石

（1）考虑到山区交通困难，采用钢管墩标石，直径20 cm，长3.0 m（地下1.8 m，地上1.2 m），顶台具有强制归心装置。结构图及实际效果图见图2、图3所示。

图2 钢管墩标的结构图

图3 钢管墩标实际效果图

（2）钢管墩标保持铅直[5]，侧面安装有控制墩属性牌（包含点名、实施单位、日期等）。

（3）造墩或埋石须经过一个霜冻期，沉降稳定后方可进行观测作业。

3.4 边长观测

测距作业，应符合下列规定：

（1）测站对中误差和反光镜对中误差不应大于2 ㎜。

（2）分别量取两端点观测始末的气象数据，计算时取平均值。

（3）温度计宜采用通风干湿温度计[7]，读数精确至0.2 ℃；气压表宜选用高原型空盒气压表[7]，读数精确至50 Pa。

（4）精确边长值由边长观测值加入气压改正、温度改正及加常数修正得到。

3.5 GNSS观测

（1）观测要求

三等GNSS静态测量作业基本技术要求如表3所示。

表3 GNSS卫星定位的主要技术要求

采用8台套南方S82T双频GNSS接收机（标称精度优于5 mm+1 ppm）联合作业，须具有合格有效的仪器检定证书。

（2）观测注意事项

第一，观测前对GNSS接收机进行自检，确认设备状态良好；

第二，事先制订观测计划，观测过程中严格执行计划；

第三，观测前、后各量取天线高一次，两次较差不大于3 mm，取平均值作为天线高；

第四，严禁在观测站点50 m内使用对讲机或接打电话。

3.6 GNSS数据处理

数据处理包括外业数据质量检核及粗差的剔除、基线解算及合格性评定、同步环及异步环的计算及合格性评定、平差处理、整网精度评定。

（1）GNSS网观测数据的质量检验及质量要求

第一，重复基线的长度较差应符合下式的规定：[8]

式中，ds为重复基线测量的差值；a为相应等级控制网的固定误差，单位为mm；b为相应等级控制网的比例误差系数，单位为mm/km；D为平均边长，单位为km。

第二，异步环坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式的规定：

式中：w为环线全长闭合差，单位为mm；n为闭合环边数；σ为相应基线长度中误差，单位为mm。

第三，同步环各坐标分量闭合差的限差值为异步环闭合差限差的1/2。

（2）GNSS网的平差处理

第一，在各项质量检验符合要求后，所有独立基线组成GNSS空间向量网在WGS-84椭球下进行三维无约束平差[3]，精度满足（1）至（9）计算限差。

第二，在无约束平差确定有效基础上，进行二维约束平差，加载已知坐标，进行约束平差，得到CGCS2000坐标成果。

（3）投影变形计算

建立GNSS工程施工控制网的关键是解决好坐标投影变形问题。

投影变形由两部分组成，一是高斯变形，离中央子午线越远，变形越大[9]；二是海拔高引起的变形，把地面上单位长度投影到参考椭球面上引起长度的变形。计算公式如下[8]：

考虑到从将军庙水库工程、引水隧道工程至测区南端的新龙口水利工程区，高差为212 m，由式（9）计算得到三个工程区的投影变形值，如表6；将军庙水库工程区的投影变形值为-18.79 cm/km，引水隧道工程中心区投影变形值为-18.66 cm/km，工程最北的新龙口工程区投影变形值为-15.04 cm/km，均不满足规范±2.5 cm/km要求。

（4）施工控制网坐标系建立及坐标转换

建立施工控制网的目的就是消除投影变形的影响。选取施工中心区KH15为投影中心，以KH15-KH30方位为基准方向，工程投影面一般选取测区平均高程面[10]，本案例以1 080 m为高程抵偿面，建立CGCS2000坐标系下的高程抵偿面坐标系。在高程抵偿面独立坐标系下变形值如表4，均满足±2.5 cm/km要求。

表4 奎屯河引水工程投影变形情况及平均高程面投影变形值

依据CGCS2000坐标反算得到KH15-KH30边长为5 858.019 6 m，将此边长投影换算到1 080 m高程抵偿面上长度为5 859.012 6 m，保持投影中心点KH15坐标不变，以KH15-KH30为基准方向，以5 859.012 6 m反算KH30的新坐标，以KH15、KH30两点新坐标作为基准对整网进行再次强制性约束平差，即可得到以KH15为中心，以KH15-KH30为基准方向，以1 080 m为高程抵偿面的控制网的施工坐标系成果。

（5）控制网测量成果可靠性检验

为了验证本方案控制网成果精度可靠性，选取位于测区不同位置的控制网边14条，采用两秒级全站仪进行光学测距检测，以对向观测、4个测回的方式，测距加气象改正，加常数乘常数改正，可以得到精确测距值，与施工控制网控制点坐标反算值进行检查对比，情况见表5所示，均在限差范围内，充分说明本项目采取施测方案测得的成果精度是可靠的。

4 结语

本文针对奎屯河引水工程建立高精度施工控制网项目任务，提出独特的建立工程施工GNSS控制网的思路及方案，重点探讨了方案设计、投影变形计算及施工坐标系转换，并采用传统测距方式对测量成果精度进行了验证，确保施工控制网成果精度的可靠性。本文旨在为各类工程建设项目建立施工控制网提供一定的参考。