小水電工程地面控制測(cè)量的幾種有效方法

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小水電工程按其布置的方式分為堤壩式、引水式和混合式３種。堤壩式電站屬于低水頭大流量型，大多位于水流平緩處，工程主要由大壩、壩后的廠房及庫(kù)區(qū)構(gòu)成，一般沒(méi)有引水隧洞，這種電站的測(cè)量工作比較簡(jiǎn)單，只需在壩址處建立控制網(wǎng)，用以測(cè)量壩址和庫(kù)區(qū)地形圖，測(cè)繪工作相對(duì)比較簡(jiǎn)單；而引水式和混合式電站是高水頭式，它的結(jié)構(gòu)除大壩和廠房外，一般還有引水隧洞、壓力管等。這類電站傳統(tǒng)的地面控制測(cè)量方法是建立小三角網(wǎng)，但目前由于ＧＰＳ和全站儀（測(cè)距儀）的全面普及，傳統(tǒng)的小三角網(wǎng)控制已完全被ＧＰＳ測(cè)量或與ＥＤＭ導(dǎo)線結(jié)合的方法所代替。本文結(jié)合作者多年來(lái)小水電工程的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，著重介紹引水式或混合式高水頭小水電工程的地面控制測(cè)量。
    １、小水電工程的特點(diǎn)

    小水電一般裝機(jī)５０００ｋＷ以下，整個(gè)工程由攔水壩、引水洞（支洞）、壓力管和廠房等組成。引水式或混合式小水電站多處于山地狹谷地帶，交通不便，林木茂盛通視差，它的地面控制測(cè)量工作相對(duì)于堤壩式電站更加復(fù)雜和困難。這種電站水頭多在３０ｍ以上，高的可達(dá)數(shù)百米，引水隧洞由一個(gè)或一個(gè)以上的洞組成，單個(gè)洞長(zhǎng)一般小于２ｋｍ，洞內(nèi)坡度０．２％，橫向貫通允許限差為２０ｃｍ，高程貫通限差為５ｃｍ。
　　小水電工程測(cè)量工作的主要內(nèi)容有建立平面和高程控制網(wǎng)，測(cè)繪庫(kù)區(qū)、壩址、進(jìn)出洞口（中洞）、壓力管和廠房的數(shù)字化地形圖（庫(kù)區(qū)和其他區(qū)域的比例尺一般分別為１：２０００和１：５００），以及工程施工放樣。測(cè)區(qū)采用任意直角坐標(biāo)系和假定高程系，如是流域綜合開(kāi)發(fā)，可用區(qū)域內(nèi)或國(guó)家統(tǒng)一的平面和高程系統(tǒng)。

    ２、地面控制測(cè)量

    ２．１ ＧＰＳ與ＥＤＭ導(dǎo)線結(jié)合的方法對(duì)于高水頭的小水電工程，輸水隧洞的控制是整個(gè)工程的核心。由于小水電工程處位于山地狹谷這種特殊的位置，采用ＧＰＳ測(cè)量往往受到地形條件的限制，不能直接在壩址、進(jìn)出洞口（支洞口）、廠房等關(guān)鍵位置上施測(cè)，而只能在附近山脊等開(kāi)闊處選取合適的點(diǎn)，再用ＥＤＭ導(dǎo)線延伸至需要的位置上。
    在各施工區(qū)如壩址、洞口、廠房等處布點(diǎn)時(shí)，每處至少應(yīng)布設(shè)２～３個(gè)點(diǎn)，并使各相鄰點(diǎn)兩兩通視，最好能組成一個(gè)三角形。ＧＰＳ觀測(cè)的時(shí)間依工程對(duì)點(diǎn)位的精度要求不同而不同，一般２０～３０分鐘即可，檢驗(yàn)測(cè)量成果精度的方法，通常有３種：用全站儀（測(cè)距儀）測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的平距與ＧＰＳ二維約束邊長(zhǎng)進(jìn)行比較（同一投影面上）［１］；用全站儀測(cè)量單角，與ＧＰＳ坐標(biāo)反算角度值進(jìn)行比較；用ＧＰＳ對(duì)原測(cè)點(diǎn)位在不同時(shí)間進(jìn)行重測(cè)等方法進(jìn)行檢驗(yàn)。
    ＧＰＳ測(cè)量的二維精度可靠，但高程精度偏低，其高程中誤差一般為±１０ｃｍ，不能滿足施工要求而需重新布設(shè)一條具有四等精度的測(cè)距三角高程導(dǎo)線或水準(zhǔn)路線，這項(xiàng)測(cè)量工作特別是在交通不便的山區(qū)，工作量也是非常大的。

    ２．２ ＥＤＭ三維導(dǎo)線

    測(cè)距導(dǎo)線作為小水電工程的地表控制，也是非常合適的。一方面全站儀在生產(chǎn)單位已得到全面的普及，同時(shí)它又有良好的測(cè)角、測(cè)距精度，目前２秒級(jí)全站儀每公里測(cè)距精度一般都在３＋２ｐｐｍ（ｍｍ）以內(nèi)，另一方面，測(cè)距導(dǎo)線選點(diǎn)的自由度大，能在所需要的地方布點(diǎn)，并能一次性完成平面和高程控制測(cè)量。為提高隧洞的貫通精度，減少壩址與廠房間的控制點(diǎn)的數(shù)量，導(dǎo)線宜布設(shè)成直伸型。

    １）閉合導(dǎo)線：這種閉合導(dǎo)線的布設(shè)形式為狹長(zhǎng)型（如圖１），Ａ為進(jìn)洞口控制點(diǎn)，Ｄ為出洞口控制點(diǎn)，１、２、……６點(diǎn)為中間點(diǎn)，單號(hào)點(diǎn)與雙號(hào)點(diǎn)各構(gòu)成一條導(dǎo)線，選點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使１與２，３與４等兩兩相鄰的點(diǎn)間距為２ｍ以內(nèi)，并用鋼卷尺量出間距。

 
    觀測(cè)時(shí)按閉合導(dǎo)線的要求施測(cè)，從Ａ始按１、２、３……６順序至Ｄ。水平角、豎直角、斜距的觀測(cè)及往返平距和高差的限差要求，視隧洞的長(zhǎng)度分別依一或二級(jí)導(dǎo)線和四、五等ＥＤＭ三角高程的要求。這種形式布設(shè)的導(dǎo)線點(diǎn)位坐標(biāo)不僅可以得到檢核和精度衡量，同時(shí)最大限度的減少了工作量。

    ２）雙支導(dǎo)線：當(dāng)狹長(zhǎng)的閉合導(dǎo)線中的某一點(diǎn)或幾點(diǎn)重合時(shí)，即成此類型（如圖２）。這種導(dǎo)線與閉合導(dǎo)線的觀測(cè)相同。一般地，這種導(dǎo)線可單雙站交替設(shè)置，在重合點(diǎn)上只需設(shè)置一次儀器或覘牌。計(jì)算既可按兩條支導(dǎo)線單獨(dú)進(jìn)行，也可按閉合導(dǎo)線的方法進(jìn)行計(jì)算（當(dāng)路線交叉時(shí)，只能按雙支導(dǎo)線計(jì)算），此外，還可以比較重合點(diǎn)以及終點(diǎn)的坐標(biāo)值而得到檢核。
    上述兩種導(dǎo)線還可通過(guò)比較兩鄰近點(diǎn)的實(shí)測(cè)距離與它們的坐標(biāo)反算距離進(jìn)行檢核〔２〕。

    ３）單支導(dǎo)線：當(dāng)引水洞較短時(shí)（一般小于１．５ｋｍ），可布設(shè)成單支導(dǎo)線（如圖３）。觀測(cè)的內(nèi)容與各項(xiàng)精度指標(biāo)與上述兩類導(dǎo)線一致。為便于檢核，水平角觀測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)左右角各觀測(cè)一至二測(cè)回，圓周閉合差應(yīng)小于１０秒。在進(jìn)行距離和高差觀測(cè)時(shí)，可用兩次儀高法觀測(cè)，以獲得兩組數(shù)據(jù)而得到校核。
    ４）高程測(cè)量：小水電工程的高程測(cè)量一般在施測(cè)ＥＤＭ導(dǎo)線時(shí)同時(shí)完成。施測(cè)時(shí)按照四等或五等的三角高程要求進(jìn)行，要特別注意各項(xiàng)限差要求，確保精度要求（特別是往返高差），以防返工。也可在條件較好時(shí)用水準(zhǔn)測(cè)量的方法觀測(cè)高差。

    ３、ＥＤＭ三維導(dǎo)線的長(zhǎng)度及精度估算

    地面導(dǎo)線的建立除了測(cè)圖外，主要是為了指導(dǎo)隧洞的開(kāi)挖并使之貫通，以及放樣攔水壩、廠房及壓力管等，其中最主要的是用于前者。根據(jù)貫通誤差的來(lái)源與分配的原則［３］，對(duì)于雙向開(kāi)挖的隧洞，地面控制對(duì)橫向貫通的影響值為
    Ｍｑ為貫通誤差，以Ｍｑ＝１０ｃｍ代入，Ｍｑ＝５．８ｃｍ，即得地面導(dǎo)線最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差。對(duì)于上述的三種形式導(dǎo)線，都可用直伸支導(dǎo)線終點(diǎn)精度的估算方法來(lái)估算導(dǎo)線最弱點(diǎn)的精度。在任意平面直角坐標(biāo)系中，支導(dǎo)線由于沒(méi)有起算數(shù)據(jù)誤差和因起算數(shù)據(jù)誤差引起的誤差〔４〕，其最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差的計(jì)算如下式：
　　根據(jù)大量的ＥＤＭ一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)距精度等于或高于５＋５ｐｐｍ的２″全站儀的測(cè)距中誤差≤±５ｍｍ，測(cè)角中誤差約為±３″〔５〕，據(jù)此并依（１）式計(jì)算不同長(zhǎng)度和邊數(shù)的支導(dǎo)線最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差Ｍ（如表１）。
    從上表可以看出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)２０００ｍ時(shí)，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差達(dá)到或超過(guò)了５．８ｃｍ，也即在地面導(dǎo)線長(zhǎng)度在２０００ｍ以內(nèi)時(shí)，可用單支導(dǎo)線（一級(jí)導(dǎo)線的觀測(cè)要求）控制；當(dāng)長(zhǎng)度在２０００ｍ以上時(shí)，應(yīng)用閉合或雙支導(dǎo)線作控制，它們的最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為單支導(dǎo)線
    ４、結(jié)論

    １）ＧＰＳ與ＥＤＭ導(dǎo)線相結(jié)合用于小水電工程的地面控制測(cè)量，是一種效率高、平面精度高，并省力的好方法，但該法投入大，外業(yè)儀器多，高程精度欠佳。在高程精度要求稍低時(shí)（±１０ｃｍ），可直接用其成果，不需再進(jìn)行四等ＥＤＭ三角高程測(cè)量。

    ２）ＥＤＭ三維導(dǎo)線是小水電工程測(cè)量中常用的方法，但布點(diǎn)時(shí)要盡量使導(dǎo)線成直伸狀，以提高精度減少橫向貫通誤差。

３）對(duì)于地面控制導(dǎo)線長(zhǎng)度小于１５００ｍ的短隧洞，單支導(dǎo)線作為它的地面控制測(cè)量方法，是個(gè)很好的選擇，不但省時(shí)省力，而且效益好。該法在近幾年省內(nèi)外的小水電工程的隧洞施工中被作者多次應(yīng)用，效果非常好，貫通誤差均在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。單支導(dǎo)線的測(cè)量要注意自身的校核，如測(cè)左右角，雙儀高法重測(cè)等。