三点起算法长条形水利枢纽首级平面施工控制网复测成果分析

何宝根，何定池

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

0 引言

某大型水利枢纽工程是一座以防洪、航运、发电、水资源配置为主，结合灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽建筑物包括泄水建筑物、河床式发电厂房、挡水坝、船闸、灌溉取水口、开关站及鱼道等。水库总库容为30.13亿m3，正常蓄水位61.0m，汛期洪水起调水位和死水位为47.60m，电站装机1600MW，过坝船闸3000吨级。

根据规范规定，施工测量工作应根据工程施工总布置图和有关测绘资料，布设首级施工控制网。首级施工控制网建成后，应加强维护管理，保障控制网点的正常使用和安全。在下列情况下应定期进行整体或局部复测。

(1)首级施工控制网建成1年后。

(2)开挖工程基本结束，进入混凝土工程和金属结构、机电安装工程开始之前应进行施工区局部控制网复测。

(3)处于高边坡部位或离开挖区较近的控制点，应适当增加局部复测次数。发现控制网点有被撞击的迹象或明显的沉降现象时，应对被撞击或沉降区局部控制点进行复测。

(4)控制网点周围有裂缝、沉陷或有新的工程活动时，应对周边局部控制点进行复测。

(5)遇明显有感地震，应对整网进行复测。

(6)利用控制网点作为起算数据进行布设局部专用控制网时，应对整网进行复测[1]。

首级施工控制网不仅是施工的基准，还可以作为变形监测网的基准，用以监测及分析大坝的变形[2]。

1 首级平面施工控制网起算原理

首级施工控制网在测图控制网[3]的基础上布设，在涉水一江两岸枢纽区一般采用一点一方向法或两点法作为起算点布设首级平面施工控制网。如石虎塘航电枢纽采用两点法布设首级平面施工控制网。首级平面施工控制网通过与国家控制网取得联系的测图控制网进行联测，进行第一次平差，取得在国家控制网控制下的施工控制网点坐标(相对精度不太高的国家坐标)；然后通过固定坝轴线一端某点A的坐标及该点到另一端的某点B的方位，以及两点间通过红外测距精确测定的边长进行起算，再平差，得到了高精度的二等平面首级施工控制网的坐标，满足了该枢纽一河两岸施工的需要[4-5]。能使用两点法起算的前提条件是以起算边画个圆能控制住主要施工区域，且红外测距边一般在2km左右。对于长达6km的长条形水利枢纽施工区域，限于红外测距边长度的限制，两点起算法会带来较大误差，不能满足首级施工控制网成果复测精度要求。角度误差偏离视准线的垂直距离d按公式(1)计算，示意图如图1所示。

图1 小角法偏移距离计算示意图

d=α/ρ×D

(1)

式中，α—偏角，(″)；D—监测点至测站点之间的距离，mm；ρ—常数，其值为206265″。

某大型水利枢纽工程A、B两点起算边的长度为1578m，要控制的长条形的长边长度为6945m，如图2所示。如采用AB短边作为起算边及起算方位，如短边角度1″的误差，则会引起长边最远点C点的误差达33.7mm，超过了首级施工控制网点点位中误差不应大于10mm的规定，会引起长边附近控制点的无规律摆动，实测成果也证明了这点。此时两点起算法不能满足首级平面施工控制网复测的需要。

图2 三点起算法示意图

此时就要采用三点起算法作为GNSS(全球导航定位系统)首级平面施工控制网的复测成果的起算基准。先用A、B两点起算法对全网进行平差，获得C点坐标；再固定C点坐标作为GNSS复测控制网的起算基准。复测成果满足了该长条形水利枢纽施工的需要，目前该项目主体工程已顺利竣工，库区已正常蓄水，全部机组投产并网发电并通航。

2 首级平面施工控制网复测方案

该长条形水利枢纽首级平面施工控制网于2014年建立，以后每年复测一次，下面以2017、2018年两年的复测成果进行说明。该控制网为二等GNSS控制网，围绕着主要施工区域沿江两岸布设。2018年共计复测20点，依次为DTX01、DTX02、DTX03、DTX04、DTX05、DTX06、DTX07、DTX08、DTX09、DTX10、DTX11、DTX12、DTX13、DTX14、DTX15、DTX16A、DTX17A、DTX18、DTX19、DTX20，其中DTX16A、DTX17A是恢复的新点。平面控制网网图如图3所示。

图3 某长条形水利枢纽首级平面施工控制网网点图

2.1 复测依据规范

复测依据参考以下标准、规范：①SL 52—2015《水利水电工程施工测量规范》，②GB/T 18314—2009《全球定位系统(GPS)测量规范》[6]，③GB/T 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》[7]，④GB/T 16818—2008《中、短程光电测距规范》[8]，⑤GB/T 17942—2000《国家三角测量规范》[9]，⑥CH 1016—2008《测绘作业人员安全规范》[10]，⑦GB/T 24356—2009《测绘成果质量检查与验收》[11]。

2.2 坐标高程系统

采用独立坐标系，1985国家高程基准。

2.3 起算点检测

该长条形水利枢纽首级平面施工控制网利用2014年首期测量的ⅡDTX04、ⅡDTX03和ⅡDTX11的坐标作为二等平面控制网的起算坐标。采用GNSS静态定位的方法测量，布设成二等平面控制网。整个控制网由多边形构成，以边连的方式组成二等平面控制网。

为了检测起算点ⅡDTX03、ⅡDTX04和DTX11三个点的稳定性，采用全站仪复测了起算边ⅡDTX03—ⅡDTX04以及基线ⅡDTX04—ⅡDTX05、ⅡDTX11—ⅡDTX10和ⅡDTX11—ⅡDTX12。2018年复测成果与原来测量值相比较的精度分析见表1。

表1 基线复测成果比较分析表

综上所述，经检查，DTX04、DTX03、DTX11等3个起算点满足规范的精度要求，可继续作为本期复测坐标起算使用。

2.4 GNSS控制网的观测

根据该长条形首级平面施工控制网的20个点，进行同步观测环图形设计及观测时段设计，编制出复测的作业计划进度表，设计好观测路线，按照计划依次进行观测。

GNSS观测采用经送国家授权的计量部门进行全面鉴定过的Trimble R8和Leica GS15共6台GNSS接收机进行观测。观测时，控制点仪器架设于强制观测墩。采用连接螺丝与仪器基座连接，对GNSS接收机严格整平对中，每时段观测前后各量取天线高1次，取其平均值。观测作业开始时做好野外记录，包括测站点名、观测者、测量等级、接收机类型及编号、观测日期、天气情况、时段号、观测开始及结束时间、天线号码、天线量测高等，并画好点位略图。

二等GNSS观测时，保证在有效观测卫星多于5个，PDOP小于6的条件下进行观测，每10s自动采集数据一次，连续观测120min以上，完成一个时段的观测后继续进入下一个时段的观测，确保每个环不少于两个时段的观测。当有效观测卫星小于5个或PDOP大于6时，即刻结束当前的观测，待观测条件稳定后进行重测，观测过程完全按规范要求操作。

2.5 复测平面控制网平差

GNSS观测完成后，Trimble接收机采用Trimble传输软件将数据传至笔记本电脑上，并转换为标准的Rinex格式；Leica接收机采用LGO传输软件将数据传至笔记本电脑上，并转换为标准的Rinex格式。转换后的数据导入HGO数据处理软件进行基线解算和平差计算。

利用ⅡDTX04、ⅡDTX03和ⅡDTX11的坐标作为二等GNSS控制网的起算坐标，采用HGO数据处理软件进行基线解算和平差计算。平差时认真对有关条件进行了检核，平差后最弱点点位中误差为4.1mm，经检查各项精度满足规范要求。2018年复测的二等GNSS控制网平差的精度及质量情况见表2—3。

表2 GNSS控制网精度统计

表3 同步环和异步环精度统计

按以上步骤进行了1980西安坐标系的二维约束平差和国家2000坐标系的二维约束平差。

平差结束后，将网图、重复基线、环线闭合差、三维平差、二维平差、点位误差等合并装订成册，及时对成果数据进行了总结。

3 复测平面成果比较分析

某长条形水利枢纽工程首级平面施工控制网，2018年复测成果与上期(2017年复测)成果及首期(2014年测量)成果比较分析表见表4。

表4 2018年平面坐标复测成果与上期、首期成果比较分析表

从表4中可看出，DTX16A和DTX17A是恢复的新点，其它点2018年复测值与上期2017年复测的测量成果比较，差值最大的点DTX19是8.7mm，差值最小的点DTX07是0.8mm，其中各点差值均小于10mm。从表4可以看出，相对于上期来说，平面点坐标是稳定的。

2018年复测值与首期2014年初值比较，差值最大的点DTX08是24.0mm，差值最小的点DTX18是2.9mm，其中差值大于10mm的有8个点，大于20mm的有4个点。相对于首期测量值来说，有4个点的平面坐标的差值已经大于20mm。说明长期来说，受施工等因素影响，平面坐标还是不稳定的，需要每年进行复测以观察平面坐标变化情况是否满足施工的需要。

4 结论

(1)经检测，DTX03、DTX04和DTX11比较稳定，可以作为三点起算法复测的起算点。

(2)经过复测和与往期测量成果比较分析，基于三点起算法的长条形水利枢纽首级平面施工控制网坐标与上期的比较差值均在10mm以内，满足规范精度要求；但是与首期的比较，差值大于10mm的有8个点；所以长条形水利枢纽首级平面施工控制网成果宜每年复测一次，并以最新的复测成果为准。

(3)目前该大型长条形水利枢纽工程主体工程施工已竣工并蓄水发电通航，实践证明三点起算法布设首级GNSS平面施工控制网能满足大型长条形水利枢纽工程施工需要。

(4)不足之处是复测时对起算点只进行了边长检测，未进行测角检测。