小水電工程地面控制測量的幾種有效方法

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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、壩后的廠房及庫區(qū)構(gòu)成，一般沒有引水隧洞，這種電站的測量工作比較簡單，只需在壩址處建立控制網(wǎng)，用以測量壩址和庫區(qū)地形圖，測繪工作相對比較簡單；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)的地面控制測量方法是建立小三角網(wǎng)，但目前由于ＧＰＳ和全站儀（測距儀）的全面普及，傳統(tǒng)的小三角網(wǎng)控制已完全被ＧＰＳ測量或與ＥＤＭ導線結(jié)合的方法所代替。本文結(jié)合作者多年來小水電工程的測量經(jīng)驗，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量。
    １、小水電工程的特點

    小水電一般裝機５０００ｋＷ以下，整個工程由攔水壩、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，它的地面控制測量工作相對于堤壩式電站更加復雜和困難。這種電站水頭多在３０ｍ以上，高的可達數(shù)百米，引水隧洞由一個或一個以上的洞組成，單個洞長一般小于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。
　　小水電工程測量工作的主要內(nèi)容有建立平面和高程控制網(wǎng)，測繪庫區(qū)、壩址、進出洞口（中洞）、壓力管和廠房的數(shù)字化地形圖（庫區(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。測區(qū)采用任意直角坐標系和假定高程系，如是流域綜合開發(fā)，可用區(qū)域內(nèi)或國家統(tǒng)一的平面和高程系統(tǒng)。

    ２、地面控制測量

    ２．１ ＧＰＳ與ＥＤＭ導線結(jié)合的方法對于高水頭的小水電工程，輸水隧洞的控制是整個工程的核心。由于小水電工程處位于山地狹谷這種特殊的位置，采用ＧＰＳ測量往往受到地形條件的限制，不能直接在壩址、進出洞口（支洞口）、廠房等關(guān)鍵位置上施測，而只能在附近山脊等開闊處選取合適的點，再用ＥＤＭ導線延伸至需要的位置上。
    在各施工區(qū)如壩址、洞口、廠房等處布點時，每處至少應(yīng)布設(shè)２～３個點，并使各相鄰點兩兩通視，最好能組成一個三角形。ＧＰＳ觀測的時間依工程對點位的精度要求不同而不同，一般２０～３０分鐘即可，檢驗測量成果精度的方法，通常有３種：用全站儀（測距儀）測量兩點間的平距與ＧＰＳ二維約束邊長進行比較（同一投影面上）［１］；用全站儀測量單角，與ＧＰＳ坐標反算角度值進行比較；用ＧＰＳ對原測點位在不同時間進行重測等方法進行檢驗。
    ＧＰＳ測量的二維精度可靠，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距三角高程導線或水準路線，這項測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三維導線

    測距導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，同時它又有良好的測角、測距精度，目前２秒級全站儀每公里測距精度一般都在３＋２ｐｐｍ（ｍｍ）以內(nèi)，另一方面，測距導線選點的自由度大，能在所需要的地方布點，并能一次性完成平面和高程控制測量。為提高隧洞的貫通精度，減少壩址與廠房間的控制點的數(shù)量，導線宜布設(shè)成直伸型。

    １）閉合導線：這種閉合導線的布設(shè)形式為狹長型（如圖１），Ａ為進洞口控制點，Ｄ為出洞口控制點，１、２、……６點為中間點，單號點與雙號點各構(gòu)成一條導線，選點時，應(yīng)使１與２，３與４等兩兩相鄰的點間距為２ｍ以內(nèi)，并用鋼卷尺量出間距。

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

    ２）雙支導線：當狹長的閉合導線中的某一點或幾點重合時，即成此類型（如圖２）。這種導線與閉合導線的觀測相同。一般地，這種導線可單雙站交替設(shè)置，在重合點上只需設(shè)置一次儀器或覘牌。計算既可按兩條支導線單獨進行，也可按閉合導線的方法進行計算（當路線交叉時，只能按雙支導線計算），此外，還可以比較重合點以及終點的坐標值而得到檢核。
    上述兩種導線還可通過比較兩鄰近點的實測距離與它們的坐標反算距離進行檢核〔２〕。

    ３）單支導線：當引水洞較短時（一般小于１．５ｋｍ），可布設(shè)成單支導線（如圖３）。觀測的內(nèi)容與各項精度指標與上述兩類導線一致。為便于檢核，水平角觀測時應(yīng)對左右角各觀測一至二測回，圓周閉合差應(yīng)小于１０秒。在進行距離和高差觀測時，可用兩次儀高法觀測，以獲得兩組數(shù)據(jù)而得到校核。
    ４）高程測量：小水電工程的高程測量一般在施測ＥＤＭ導線時同時完成。施測時按照四等或五等的三角高程要求進行，要特別注意各項限差要求，確保精度要求（特別是往返高差），以防返工。也可在條件較好時用水準測量的方法觀測高差。

    ３、ＥＤＭ三維導線的長度及精度估算

    地面導線的建立除了測圖外，主要是為了指導隧洞的開挖并使之貫通，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)貫通誤差的來源與分配的原則［３］，對于雙向開挖的隧洞，地面控制對橫向貫通的影響值為
    Ｍｑ為貫通誤差，以Ｍｑ＝１０ｃｍ代入，Ｍｑ＝５．８ｃｍ，即得地面導線最弱點的點位中誤差。對于上述的三種形式導線，都可用直伸支導線終點精度的估算方法來估算導線最弱點的精度。在任意平面直角坐標系中，支導線由于沒有起算數(shù)據(jù)誤差和因起算數(shù)據(jù)誤差引起的誤差〔４〕，其最弱點的點位中誤差的計算如下式：
　　根據(jù)大量的ＥＤＭ一級導線測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，測距精度等于或高于５＋５ｐｐｍ的２″全站儀的測距中誤差≤±５ｍｍ，測角中誤差約為±３″〔５〕，據(jù)此并依（１）式計算不同長度和邊數(shù)的支導線最弱點的點位中誤差Ｍ（如表１）。
    從上表可以看出，當導線的長度達到或超過２０００ｍ時，最弱點的點位中誤差達到或超過了５．８ｃｍ，也即在地面導線長度在２０００ｍ以內(nèi)時，可用單支導線（一級導線的觀測要求）控制；當長度在２０００ｍ以上時，應(yīng)用閉合或雙支導線作控制，它們的最弱點的點位中誤差為單支導線
    ４、結(jié)論

    １）ＧＰＳ與ＥＤＭ導線相結(jié)合用于小水電工程的地面控制測量，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（±１０ｃｍ），可直接用其成果，不需再進行四等ＥＤＭ三角高程測量。

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

３）對于地面控制導線長度小于１５００ｍ的短隧洞，單支導線作為它的地面控制測量方法，是個很好的選擇，不但省時省力，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)。單支導線的測量要注意自身的校核，如測左右角，雙儀高法重測等。