小水电工程地面控制测量的几种有效方法

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小水电工程按其布置的方式分为堤坝式、引水式和混合式３种。堤坝式电站属于低水头大流量型，大多位于水流平缓处，工程主要由大坝、坝后的厂房及库区构成，一般没有引水隧洞，这种电站的测量工作比较简单，只需在坝址处建立控制网，用以测量坝址和库区地形图，测绘工作相对比较简单；而引水式和混合式电站是高水头式，它的结构除大坝和厂房外，一般还有引水隧洞、压力管等。这类电站传统的地面控制测量方法是建立小三角网，但目前由于ＧＰＳ和全站仪（测距仪）的全面普及，传统的小三角网控制已完全被ＧＰＳ测量或与ＥＤＭ导线结合的方法所代替。本文结合作者多年来小水电工程的测量经验，着重介绍引水式或混合式高水头小水电工程的地面控制测量。
    １、小水电工程的特点

    小水电一般装机５０００ｋＷ以下，整个工程由拦水坝、引水洞（支洞）、压力管和厂房等组成。引水式或混合式小水电站多处于山地狭谷地带，交通不便，林木茂盛通视差，它的地面控制测量工作相对于堤坝式电站更加复杂和困难。这种电站水头多在３０ｍ以上，高的可达数百米，引水隧洞由一个或一个以上的洞组成，单个洞长一般小于２ｋｍ，洞内坡度０．２％，横向贯通允许限差为２０ｃｍ，高程贯通限差为５ｃｍ。
　　小水电工程测量工作的主要内容有建立平面和高程控制网，测绘库区、坝址、进出洞口（中洞）、压力管和厂房的数字化地形图（库区和其他区域的比例尺一般分别为１：２０００和１：５００），以及工程施工放样。测区采用任意直角坐标系和假定高程系，如是流域综合开发，可用区域内或国家统一的平面和高程系统。

    ２、地面控制测量

    ２．１ ＧＰＳ与ＥＤＭ导线结合的方法对于高水头的小水电工程，输水隧洞的控制是整个工程的核心。由于小水电工程处位于山地狭谷这种特殊的位置，采用ＧＰＳ测量往往受到地形条件的限制，不能直接在坝址、进出洞口（支洞口）、厂房等关键位置上施测，而只能在附近山脊等开阔处选取合适的点，再用ＥＤＭ导线延伸至需要的位置上。
    在各施工区如坝址、洞口、厂房等处布点时，每处至少应布设２～３个点，并使各相邻点两两通视，最好能组成一个三角形。ＧＰＳ观测的时间依工程对点位的精度要求不同而不同，一般２０～３０分钟即可，检验测量成果精度的方法，通常有３种：用全站仪（测距仪）测量两点间的平距与ＧＰＳ二维约束边长进行比较（同一投影面上）［１］；用全站仪测量单角，与ＧＰＳ坐标反算角度值进行比较；用ＧＰＳ对原测点位在不同时间进行重测等方法进行检验。
    ＧＰＳ测量的二维精度可靠，但高程精度偏低，其高程中误差一般为±１０ｃｍ，不能满足施工要求而需重新布设一条具有四等精度的测距三角高程导线或水准路线，这项测量工作特别是在交通不便的山区，工作量也是非常大的。

    ２．２ ＥＤＭ三维导线

    测距导线作为小水电工程的地表控制，也是非常合适的。一方面全站仪在生产单位已得到全面的普及，同时它又有良好的测角、测距精度，目前２秒级全站仪每公里测距精度一般都在３＋２ｐｐｍ（ｍｍ）以内，另一方面，测距导线选点的自由度大，能在所需要的地方布点，并能一次性完成平面和高程控制测量。为提高隧洞的贯通精度，减少坝址与厂房间的控制点的数量，导线宜布设成直伸型。

    １）闭合导线：这种闭合导线的布设形式为狭长型（如图１），Ａ为进洞口控制点，Ｄ为出洞口控制点，１、２、……６点为中间点，单号点与双号点各构成一条导线，选点时，应使１与２，３与４等两两相邻的点间距为２ｍ以内，并用钢卷尺量出间距。

 
    观测时按闭合导线的要求施测，从Ａ始按１、２、３……６顺序至Ｄ。水平角、竖直角、斜距的观测及往返平距和高差的限差要求，视隧洞的长度分别依一或二级导线和四、五等ＥＤＭ三角高程的要求。这种形式布设的导线点位坐标不仅可以得到检核和精度衡量，同时最大限度的减少了工作量。

    ２）双支导线：当狭长的闭合导线中的某一点或几点重合时，即成此类型（如图２）。这种导线与闭合导线的观测相同。一般地，这种导线可单双站交替设置，在重合点上只需设置一次仪器或觇牌。计算既可按两条支导线单独进行，也可按闭合导线的方法进行计算（当路线交叉时，只能按双支导线计算），此外，还可以比较重合点以及终点的坐标值而得到检核。
    上述两种导线还可通过比较两邻近点的实测距离与它们的坐标反算距离进行检核〔２〕。

    ３）单支导线：当引水洞较短时（一般小于１．５ｋｍ），可布设成单支导线（如图３）。观测的内容与各项精度指标与上述两类导线一致。为便于检核，水平角观测时应对左右角各观测一至二测回，圆周闭合差应小于１０秒。在进行距离和高差观测时，可用两次仪高法观测，以获得两组数据而得到校核。
    ４）高程测量：小水电工程的高程测量一般在施测ＥＤＭ导线时同时完成。施测时按照四等或五等的三角高程要求进行，要特别注意各项限差要求，确保精度要求（特别是往返高差），以防返工。也可在条件较好时用水准测量的方法观测高差。

    ３、ＥＤＭ三维导线的长度及精度估算

    地面导线的建立除了测图外，主要是为了指导隧洞的开挖并使之贯通，以及放样拦水坝、厂房及压力管等，其中最主要的是用于前者。根据贯通误差的来源与分配的原则［３］，对于双向开挖的隧洞，地面控制对横向贯通的影响值为
    Ｍｑ为贯通误差，以Ｍｑ＝１０ｃｍ代入，Ｍｑ＝５．８ｃｍ，即得地面导线最弱点的点位中误差。对于上述的三种形式导线，都可用直伸支导线终点精度的估算方法来估算导线最弱点的精度。在任意平面直角坐标系中，支导线由于没有起算数据误差和因起算数据误差引起的误差〔４〕，其最弱点的点位中误差的计算如下式：
　　根据大量的ＥＤＭ一级导线测量数据统计，测距精度等于或高于５＋５ｐｐｍ的２″全站仪的测距中误差≤±５ｍｍ，测角中误差约为±３″〔５〕，据此并依（１）式计算不同长度和边数的支导线最弱点的点位中误差Ｍ（如表１）。
    从上表可以看出，当导线的长度达到或超过２０００ｍ时，最弱点的点位中误差达到或超过了５．８ｃｍ，也即在地面导线长度在２０００ｍ以内时，可用单支导线（一级导线的观测要求）控制；当长度在２０００ｍ以上时，应用闭合或双支导线作控制，它们的最弱点的点位中误差为单支导线
    ４、结论

    １）ＧＰＳ与ＥＤＭ导线相结合用于小水电工程的地面控制测量，是一种效率高、平面精度高，并省力的好方法，但该法投入大，外业仪器多，高程精度欠佳。在高程精度要求稍低时（±１０ｃｍ），可直接用其成果，不需再进行四等ＥＤＭ三角高程测量。

    ２）ＥＤＭ三维导线是小水电工程测量中常用的方法，但布点时要尽量使导线成直伸状，以提高精度减少横向贯通误差。

３）对于地面控制导线长度小于１５００ｍ的短隧洞，单支导线作为它的地面控制测量方法，是个很好的选择，不但省时省力，而且效益好。该法在近几年省内外的小水电工程的隧洞施工中被作者多次应用，效果非常好，贯通误差均在规定的误差范围内。单支导线的测量要注意自身的校核，如测左右角，双仪高法重测等。