1、目 录摘 要01第一章 绪 论021.1 中小型水电站工程的特点02第二章 控制网布设的技术措施及精度估算032.1 起算数据032.2 首级控制网等级要求042.3 控制网施测方法052.3.1 边角网的布设要求052.3.2 施工控制网选点06第三章 施工控制网施测073.1 水平角观测073.2 垂直角观测093.3 距离测量11第四章 平差12第五章 结论13参 考 文 献 141摘 要摘 要： 随着社会的发展，人们生活水平日益提高，生产、生活中的较多劳动已逐渐被电气化取代。电力的供应逐渐处于紧张的环境中，国家要求大力发展电力事业，在我国南方地区，由于其独特的地理地势条件，中小型水利水
2、电工程的建设与开发就成为了缓解部分地区电力不足的重要项目，但由于其较多均建设于山区中，交通不便，前期的测绘作业工作艰难。本文介绍了中小型水电站工程的特点及其在施工期的控制网布设及施测，GPS 和全站仪在现代化水电工程建设中的重要作用。关键词：水电工程、控制网、大坝、全站仪2第一章 绪 论11 中小型水电站工程的特点中小型水电站较多承建于山区狭谷中，林木茂盛，地形条件通视差，交通不便，作业环境艰苦，控制网的布设受到较多因素限制，控制网等级及精度常常受到各种因素制约，为加强控制网精度，中小型水电工程施工控制网通常采用测区内建立独立观测控制网。随着 GPS和全站仪的全面普及，较多科研项目的建设已逐渐
3、将 GPS 和全站仪代替了传统的小三角网控制。中小型水电站按坝体结构分主要有面板堆石坝、混凝土拱坝，混凝土重力坝、土坝等，按其主体结构的布设形式分为引水式、河床式、混合式等。面板堆石坝多选择采用高水头蓄水，通过高压隧洞引水，低位置处设置厂房发电。这种电站的控制网布设结构一方面要能够满足大坝工程和溢洪道工程的施工放样，另一方面不但要满足引水隧洞的开挖施工，还要满足发电厂房内的机组安装与调试等工作。混凝土拱坝、混凝土重力坝而较多采用河床式大流量发电机组，主体结构包括大坝和厂房，集中在小面积内建设施工,通视条件较好，施工控制网布设比较简单。3第二章 控制网布设的技术措施及精度估算较多中小型水电站工程
4、均位于山区，交通不便，引测国家控制点较困难，GPS 在这里发挥了重大作用。根据国家对中小型水电站建设的施工技术要求，通常采用三四等控制网作为首级控制，控制网设计在全面了解工程建筑物的总体布置，工区的地形特征及施工放样精度要求的基础上，根据中小型水电站的特点，一般情况下将坝区及溢洪道内的控制网布设成大地四边形、近似等边三角形、中心多边形等图形，三角形的内角不宜小于 30，受地形限制个别角不应小于 25。如图 2-1。c a bA BoC D a b e cd(1)大地四边形 (2)近似等边三角形 (3)中心多边形图 2-1 各种控制网图形21 起算数据GPS 全称“卫星测时测距导航/全球定位系统
5、” ，其原理是以卫星为基础，无线电导航定位，具有全能性、全球性、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。随着 GPS 的普及，中小型水电站的控制网起算数据通常采用4GPS 测定三维数据，工程控制网按基准情况通常分为三种类型：（1）约束网：具有多余的已知数据；（2）最小约束网（经典自由网）：只有必要的已知数据；（3）无约束网（自由网）：无必要的已知数据。作为施工控制网普遍采用三维网中的最小约束网，即网中有两个点的三维坐标已知，另一条边的方位角已知；或网中有一个点的三维坐标已知，一条边已知，一条边的方位角已知，两条边的高度角已知。根据最小约束网的要求，作
6、为中小型水电站控制网的起算数据，只需两个已知点即可，为了达到检核条件，减少后期的施工对控制网点带来的影响，在可通视的情况下，通常在较近的测区内选取三个控制点，组成近似等边三角形作为中小型水电站施工控制网的起算数据。起算数据的测设，根据 GPS 网的测设要求，为确定工程施工平面控制网的绝对位置，GPS 网需联测就近的高一等级的国家控制网点。22 首级控制网等级要求作为施工控制网的起算数据，该控制网的等级相应的必须高于施工控制网，国家水利水电工程施工测量规范对首级平面施工控制网作如表 2.1 规定：表 2.1 各等级首级平面控制网适用范围工程规模 混凝土建筑物 土石建筑物大型水利水电工程 二 二三
7、中型水利水电工程 三 三四小型水利水电工程 四五 五对于特大型的水利水电工程，也可布设一等平面控制网，其技术指标应专门设计。随着全站仪的普及，各类型水电站较多选用测设边角网的观测方5法进行施工控制网观测，考虑到施工区内的各种制约因素，中小型水电站首级平面施工控制网选用四等边角网，这样要求的起算数据就必须达到三等点精度。测量工作均先行于工程施工，山区内通视条件差、交通不便，前期采用 GPS 来测设已知点是最有效的的方法。23 施工控制网布设根据最小约束网要求的条件，施工控制网起算数据选取二个已知点坐为起算参数，根据枢纽建筑物的布置情况，将大坝坝区及溢洪道部位的控制网布设成独立的四等边角网，考虑到
8、后期的施工便利，通常控制网没有特定的网型，主要由相互可通视的点组成三角形，观测三角形的边和角，重复观测相应的边和角来满足后期的平差精度。2.3.1 边角网的布设要求：（1）边角网的测角与测边的精度匹配，应符合：式中 M 、Mi-四等控制网的测角中误差、方向中误差（）Ms-测距中误差，mm；S -测距边长，m；-206065。（2）各等级边角网的各项技术要求还应符合表 2.2 要求：表 2.2 边角网技术要求测 回 数垂 直 角 水 平 角等级边 长 （m）测角中误 差平均边长相对中误差测距仪等 级 边 长DJ1 DJ2 DJ1 DJ2三 3001000 1.8 1:15 万 2 往返各 2 3
9、 4 6 903 is=或6四 200800 2.5 1:10 万 23 往返各 2 - 3 4 6注：光电测距仪一测回的定义为：照准一次，读数四次。（3）各站仪器高、棱镜高的丈量误差三等网不应大于 1mm，四等不应该大于 2mm。2.3.2 施工控制网选点选点是控制网观测前的重要工作，点位选取的得当与否将直接关系到该控制网的图形结构强度、控制网精度和是否满足后期施工放样的精度。控制网点应选在通视条件较好，基础稳定且能够长期保存的地方。离视线障碍物（上、下、左、右侧）不宜小于 2m，控制点位的分布应做到坝轴线以下点多于坝轴线以上的点，如图 2-2。选定点位后，在条件允许的情况下，各控制网点均应
10、采用埋设强制对中混凝土观测墩，对于需长期利于施工放样的控制点应埋设强制对中混凝土观测墩。点位埋设完成后，周边设立醒目的保护并禁止破坏的标志。在大型水利工程中，选点还应考虑后期采用的光电测距三角高程测量遇到跨河或跨湖的情况带来的影响。GPS3-10E 大坝A河道 D BGPS3-09 C 图 2-2 大坝施工控制网图7第三章 施工控制网施测目前测绘行业已大量采用全站仪作为施工放样及各种测绘事业。例如国产的全站仪有南方测绘公司生产的 NTS302，NTS305 等系列，进口的全站仪有日本拓普康 600、720 等系列，瑞士徕卡TC1700，TC2002，TCA2003 等系列。根据水利水电测量施工
11、规范各种技术要求，作为四等控制网观测，有条件的情况下，宜选用性能较稳，精度较高的仪器观测，本人较多使用徕卡全站仪，故就采用TCA2003 为例做论述，TCA2003 全站仪属高精度测量仪器，其标称精度：测距精度1+1ppm，测角精度 0.5,经检定后测距精度为0.83mm+0.97mm，测角精度 0.52，经过长期的使用，感觉徕卡的仪器性能较为稳定。做为观测四等边角网完全能满足其精度要求。任何精度仪器在使用前均要查看是否在检验和校正时间使用期内。3.1 水平角观测水平角观测视线成像应清晰，在夏天，特别是晴天在日出前，中午前后和日落后呈像特别容易跳动，山区海拔较高的地区，还应考虑雾气带来的影响，
12、此时应停止观测，此季节观测时间宜定在日出后一小时到上午 10 点，下午 3 点至日落前一小时。观测过程中，仪器不得受日光直接照射，以免仪器过热产生自动关机现象。四等边角网的水平角观测测回数及限差应严格按水利水电工程施工测量规范要求进行观测，通常采用全圆方向观测法对各可通视网点进行观测，观测控制点的顺序可根据当地的气候条件进行适当的选择，如上午太阳上升时，测站可选择靠东边控制点，下午太阳下落，则可选择靠西边控制点，以避免观测过程中，逆光产生的观测不适带来的误差。水平角8观测步骤如下：将仪器照准零方向标志， （在多测回观测中，为了便于区分测回 1数，根据作业习惯，适当按一定的秒值或分值调整一定的零
13、方向度盘读数，由于采用全站仪观测，可不考虑像经纬仪测微器行差所带来的误差影响而要调整各测回度盘读数） ，配置好度盘，精确照准读数，转动照准部，再次精确照准读数。顺时针方向旋转照准部，精确照准第 2 个方向标志读数，转动 2照准部，再次精确照准读数。依次精确照准第 3 个，第 4 个n 个方向按前面观测方法读数，最后闭合至零方向，当观测的方向少于或等于 3 个时，可以不闭合零方向。倒镜，逆时针方向旋转照准部，精确照准零方向后读数，转动 3照准部，再次精确照准读数。依次逆时针方向，按上半测回相反的顺序测回至零方向。以上完成一个测回观测操作。若一个测站里，方向数超过 6 个时，应分组进行观测，分组观
14、测时应包括两个共同方向，其中一个为零方向。且两组共同方向观测角值之差，不应大于同等级测角中误差的两倍。根据水利水电施工测量规范要求，平面控制网的水平角方向观测各项限差应该满足表 3-1 要求：表 3-1 水平角方向观测法技术要求等 级 仪器型号两次照准读数差半测回归零差一测回2c 较差同方向值各测回互差DJ1 1 6 9 6二、三、四 DJ2 3 8 13 99注：当观测方向的垂直角大于3时，该方向的 2c 较差，按相邻测回同方向进行比较，其差值仍应符合上表规定。水平角观测误差超过上表应再进行重测或补测，具体重测方式：上半测回归零差或零方向 2C 超限，该测回应立即重测，但不计 1重测回数；同
15、测回 2C 较差或各测回同一方向值较差超限，可重测超限方向 2（应联测原零方向） 。一测回中，重测方向数超过本测站方向总数的1/3 时，该测回全部重测；因测错方向、读错、记错、仪器气泡不居中或个别方向临时被 3挡时，均可随时进行重测或补测；重测必须在全测回数测完后进行。当重测测回数超过该站测回 4总数的 1/3 时，该项站应全部重测。在等级控制测量中，手簿的记录、检查、观测数据的划改，均要严格要求：水平角观测的秒值读、记错误，应重新观测，度分读、记错误 1可在现场更正。但同一方向盘左、盘右不得同时更改相关数字；垂直角观测中，分的读数在各测回中不得连环更改； 2距离测量中，每测回开始要读、记完整
16、的数字，以后可以读、 3记尾数。厘米以下数字不得划改。米和厘米部分的读、记错误，在同一距离的往返测量中，只能划改一次。3.2 垂直角观测中小型水电站较多位于山区中，地势条件严重制约着水准线路，高精度高等级的水准测量在施工期间较少使用，中小型水电站普遍采用光电测距三角高程测量代替三、四、五等水准测量。三角高程测量10可结合平面控制网，布设成三维网，根据 GPS 起算点高程，引用一较为稳定可长期保存的控制点高程值做为控制整个施工区的高程起算量，结合各个控制点统一观测，统一平差，以便各个控制点高程值均可满足各部位放样精度要求。光电测距三角高程测量代替三、四、五等水准，视各控制点的控制区，可采用单向、
17、对向或隔点设站法进行，隔点设站法的测站数应为偶数，中小型水利水电工程中采用对向观测较多。光电测距三角高程测量的技术要求应满足表 3-2 要求。表 3-2 光电测距三角高程测量的技术要求最大边长 m 垂直角观测测回数等级仪器 单向 对向隔点设站中丝法三丝法指标差较差测回差仪器高丈量精度mm对向观测高差较差mm三DJ1DJ2- 500 300 4 2 9 9 1 50D四 DJ2 300 800 500 3 2 9 9 2 70D五 DJ2 1000 - 500 3 1 10 10 2 -注：D 为平距，以 km 计。单向、对向光电测距三角高程测量，观测方法为：1）仪器和棱镜架设好后，量取仪器高与
18、棱镜高，读取测站的气象数据（气温、气压） ；2）观测斜距、观测垂直角；3）垂直角观测步骤为：仪器盘左位置精确照准棱镜目标，测量读数，微动仪器，再次 111精确照准，测量读数；纵转望远镜，精确照准棱镜目标，测量读数，微动仪器，再次 2精确照准，测量读数；光电测距三角高程测量代替四等水准，垂直角观测要求三测回， 3测回间的观测顺序可依次为盘左、盘右、盘右、盘左、盘左、盘右；垂直角测量的限差比较方法与重测：测回差比较的方法为：同一方向，由各测回所测得的全部垂直 1角值结果互相比较；指标差互差的比较方法为仅在一测回内各方向的指标差进行互 2相比较；若有某项误差超限，可立即重测。 3在大型水利工程中，光
19、电测距三角高程测量通常会遇到跨河或跨湖的情况，作为中小型水电站，通常建设于峡谷中，这里就论述在跨河或跨湖测量时采用的特殊测量方法。33 距离测量采用全站仪测量各控制点间的斜距时，应注意记录本测站点和棱镜点气压、温度，徕卡仪器通常具有直接将气压、温度输入仪器内部进行计算和改正的功能，作为控制网的观测，建议采用仪器零改正，记录好后，待整理内业资料时添加进去做各项改正后化为平距。测距过程中要尽量避免仪器直接受到阳光的照射，不宜逆光观测，严禁将测距头对准太阳。根据水利水电施工测量规范要求，控制网边长斜距观测应往返测设各 2 测回，各边斜距应加入气象、加常数、乘常数、地球曲率、大气折光、投影区域的高程面
20、等改正后，才能化算成平距。12第四章 平 差随着全站仪的普及，电子平差软件也逐渐的取代了手动平差，如有南方 CASS、清华三维软件平差系统、测量工程控制内外业一体化和数据处理自动化系统等等，采用电子平差软件，提高了内业资料整理效率，减少失误，省去了一大堆烦琐的计算表格，在平差过程中，结合现有网形情况，还可以及时调整控制网的精度。采用电子平差软件系统在计算闭合差时，能计算并统计控制网每一项闭合差、权倒数、限差。在平差过程中，应加入各种改正数，如仪器加、乘常数、气象改正、测区平均高程面上的边长归算改正、地球曲率、大气折光等改正数。如图 2-2 为板面乡水电站工程施工控制网布设图，该电站施工控制网布
21、设成五边形四等边角网结构，全网共 7 个控制点，2 个已知点，5 个加密点，采用观测各边、角的方法，严格按照国家水利水电工程施工测量规范的四等边角网各项技术要求测设，测设后计算出平均边长为 444.983m。采用清华三维平差软件系统，经过精密平差后，其精度为：方向误差 1.62“，最大点位误差 2.6mm，最大点间误差1.8mm，最大边长比例误差 1/186000，往返观测高差较差高大为21mm。根据水利水电工程施工测量规范四等边角网的技术要求，平差后各项误差限差均远远高于其技术精度的要求，完全能达到后期施工放样的精度要求。13第五章 结 论从中小型水利水电工程的特点出发，根据其特有的地理地势
22、条件，结合现代型的测绘仪器，中小型水利水电工程施工控制网布设成边角网，从网型的结构模式和要求的精度来看，均是目前施工测量中较适用的首级控制网方式。水利水电工程的施工控制网布设，应考虑最经济的建网经费、最灵活的建网模型、最适用的布网方式，最优良的控制网型，以满足后期施工过程中的各种控制。 中小型水利水电工程的建设与开发，不但可以缓解少部份地区的电力紧张问题，还可以带动贫困山区经济的建设，是我国现有电力事业开发的重点，测绘人员作为工程施工的先进军，务必认真做好施工的控制与放样工作，努力为祖国的发展尽已一份力。14参 考 文 献1水利电力部发布.水利水电工程施工测量规范.中华人民共国行业标准.SL20032张正禄等.工程测量学.武汉:武汉大学出版社.20023王文中主编.控制测量学.地质出版社.19944徐正扬 刘振华 吴国良主编 .大地控制测量学.解放军出版社.1992 年 6月5吴子安、吴栋材.水利工程测量.北京.测绘出版社.19906於宗俦等.测量平差原理.武汉.武汉测绘科技大学出版社.19907卓健成.工程控制测量建网理论.成都.西南交通大学出版社.19968钱东辉.水电工程测量学.北京.中国电力出版社.1998
