李 堅

新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責(zé)任公司

奎屯河區(qū)是新疆重要的輕工業(yè)基地、物流中心、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)示范區(qū)?？秃右こ淌恰缎陆秃恿饔蛞?guī)劃》中推薦的重大工程[1]，位于天山山脈中段奎屯河上游出山口段附近，承擔(dān)著兵團第七師、烏蘇市、獨山子區(qū)和奎屯市的城市、工業(yè)、生活供水，以及河流域內(nèi)近14萬hm2農(nóng)用地灌溉供水任務(wù)，修建引水工程已是迫在眉睫的基礎(chǔ)工程。

1 項目概況

奎屯河引水工程，由將軍廟水利樞紐、山區(qū)引水隧洞、新龍口渠首電站等工程組成，功能上以供水、灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電，控制灌溉面積191.8萬畝，屬大（1）型I等工程。其中將軍廟水庫總庫容8 108萬m3，壩頂長595 m，最大壩高133 m[2]；山區(qū)引水隧道總長11.74 km，為加快施工進度，從三個支洞里分段進行隧道作業(yè)；新龍口工程區(qū)位于北端出山口，由電站工程、渠首工程組成，電站是利用隧道引水發(fā)電。建立奎屯河引水工程統(tǒng)一的、高精度施工控制網(wǎng)[3]目的是為引水工程各分項建筑工程施工提供統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)。工程總體布局如圖1所示。

圖1 奎屯河引水工程總體布局圖及施工控制網(wǎng)布設(shè)圖

2 項目區(qū)地形地貌情況及交通條件

奎屯河引水工程施工控制網(wǎng)項目區(qū)南起奎屯河上游將軍廟水文站，北至出山口新龍口，南北長約15 km，東西最寬處700 m，奎屯河在該段呈“V”字型[4]，為典型的高山峽谷地貌，奎屯河發(fā)源于天山北麓南大溝大板，屬于高山融冰（雪）及降雨補給類型的內(nèi)陸河流，水量隨氣溫的高低而漲落，夏季水多，冬季水枯。項目實施期五月份，多大風(fēng)、雨及雪，氣候變化無常，河段內(nèi)山勢崢嶸，河水湍急而冰冷。西岸為陡峭山體，基巖裸露、風(fēng)蝕破碎程度較高，東岸相對平緩，山體半坡上有G217（獨庫公路）傍山而過，為項目的實施提供了一定的便利。該項目實施起來具有一定的危險性，屬于困難類測區(qū)。

3 控制網(wǎng)方案設(shè)計

控制網(wǎng)采用CGCS2000坐標(biāo)下的獨立坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)；由于奎屯河引水工程是一個系統(tǒng)性的項目，位于高山峽谷中，地形起伏較大，為保證測量成果精度，同時考慮到測繪外業(yè)安全快捷，控制網(wǎng)采用GNSS網(wǎng)形式布設(shè)，采用雙頻GNSS接收機進行數(shù)據(jù)采集，采用隨機商用軟件進行數(shù)據(jù)處理；本項目為大型水利系統(tǒng)工程精度要求高，要求坐標(biāo)投影變形值控制在±2.5 cm/km以內(nèi)（規(guī)范要求±5 cm/km內(nèi)）；依據(jù)測區(qū)實情，選擇合適的投影中心點及高程抵償面，建立測區(qū)CGCS2000坐標(biāo)系下的獨立坐標(biāo)系，滿足引水工程施工建設(shè)的需要。

3.1 平面控制布網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)確定

（1）本項目屬于大型水利水電工程，大壩類型為鋼筋砼面板砂礫石壩，按規(guī)范要求，選用三等GNSS平面控制網(wǎng)。

（2）主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 三等GNSS平面控制網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)

GNSS網(wǎng)相鄰點間弦長精度按下式計算：

式中：σ為基線長度中誤差，單位為mm；A為固定誤差，單位為mm；B為比例誤差系數(shù)，單位為mm/km；d為平均邊長，單位為km。

（3）測距的主要技術(shù)要求如表2所示。

表2 測距作業(yè)技術(shù)要求

3.2 控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計

依據(jù)工程總體布局圖，在大壩兩肩、導(dǎo)流洞進出口、發(fā)電洞進出口、支洞口進口附近的地質(zhì)穩(wěn)固處布置強制對中觀測墩，每處建筑物附近布置三個墩，每墩滿足至少一處通視條件；控制網(wǎng)采用水利三等平面控制網(wǎng)精度，以邊連接方式組網(wǎng)，共設(shè)計35點，其中31點為強制對中觀測墩，4點為過渡點，采用簡易標(biāo)石埋設(shè)方式布設(shè)?？刂泣c平均間距553 m，最短邊邊長226.47 m，最長邊邊長1 038.84 m；控制網(wǎng)網(wǎng)型具體如圖1所示。

3.3 控制點的選點埋石

3.3.1 選點

（1）控制點須選在質(zhì)地堅硬、穩(wěn)固可靠[5]且能長期保存的地方。

（2）控制點應(yīng)保證兩點間能相互通視，每個控制點至少一個通視方向[6]。

（3）控制點應(yīng)選在視野開闊、通視良好、被測衛(wèi)星的地平高角度在15°以上的地方。

（4）控制點應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電及大面積水面。

3.3.2 造墩或埋石

（1）考慮到山區(qū)交通困難，采用鋼管墩標(biāo)石，直徑20 cm，長3.0 m（地下1.8 m，地上1.2 m），頂臺具有強制歸心裝置。結(jié)構(gòu)圖及實際效果圖見圖2、圖3所示。

圖2 鋼管墩標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 鋼管墩標(biāo)實際效果圖

（2）鋼管墩標(biāo)保持鉛直[5]，側(cè)面安裝有控制墩屬性牌（包含點名、實施單位、日期等）。

（3）造墩或埋石須經(jīng)過一個霜凍期，沉降穩(wěn)定后方可進行觀測作業(yè)。

3.4 邊長觀測

測距作業(yè)，應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）測站對中誤差和反光鏡對中誤差不應(yīng)大于2 ㎜。

（2）分別量取兩端點觀測始末的氣象數(shù)據(jù)，計算時取平均值。

（3）溫度計宜采用通風(fēng)干濕溫度計[7]，讀數(shù)精確至0.2 ℃；氣壓表宜選用高原型空盒氣壓表[7]，讀數(shù)精確至50 Pa。

（4）精確邊長值由邊長觀測值加入氣壓改正、溫度改正及加常數(shù)修正得到。

3.5 GNSS觀測

（1）觀測要求

三等GNSS靜態(tài)測量作業(yè)基本技術(shù)要求如表3所示。

表3 GNSS衛(wèi)星定位的主要技術(shù)要求

采用8臺套南方S82T雙頻GNSS接收機（標(biāo)稱精度優(yōu)于5 mm+1 ppm）聯(lián)合作業(yè)，須具有合格有效的儀器檢定證書。

（2）觀測注意事項

第一，觀測前對GNSS接收機進行自檢，確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)良好；

第二，事先制訂觀測計劃，觀測過程中嚴(yán)格執(zhí)行計劃；

第三，觀測前、后各量取天線高一次，兩次較差不大于3 mm，取平均值作為天線高；

第四，嚴(yán)禁在觀測站點50 m內(nèi)使用對講機或接打電話。

3.6 GNSS數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核及粗差的剔除、基線解算及合格性評定、同步環(huán)及異步環(huán)的計算及合格性評定、平差處理、整網(wǎng)精度評定。

（1）GNSS網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢驗及質(zhì)量要求

第一，重復(fù)基線的長度較差應(yīng)符合下式的規(guī)定：[8]

式中，ds為重復(fù)基線測量的差值；a為相應(yīng)等級控制網(wǎng)的固定誤差，單位為mm；b為相應(yīng)等級控制網(wǎng)的比例誤差系數(shù)，單位為mm/km；D為平均邊長，單位為km。

第二，異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差和全長閉合差應(yīng)符合下式的規(guī)定：

式中：w為環(huán)線全長閉合差，單位為mm；n為閉合環(huán)邊數(shù)；σ為相應(yīng)基線長度中誤差，單位為mm。

第三，同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差的限差值為異步環(huán)閉合差限差的1/2。

（2）GNSS網(wǎng)的平差處理

第一，在各項質(zhì)量檢驗符合要求后，所有獨立基線組成GNSS空間向量網(wǎng)在WGS-84橢球下進行三維無約束平差[3]，精度滿足（1）至（9）計算限差。

第二，在無約束平差確定有效基礎(chǔ)上，進行二維約束平差，加載已知坐標(biāo)，進行約束平差，得到CGCS2000坐標(biāo)成果。

（3）投影變形計算

建立GNSS工程施工控制網(wǎng)的關(guān)鍵是解決好坐標(biāo)投影變形問題。

投影變形由兩部分組成，一是高斯變形，離中央子午線越遠(yuǎn)，變形越大[9]；二是海拔高引起的變形，把地面上單位長度投影到參考橢球面上引起長度的變形。計算公式如下[8]：

考慮到從將軍廟水庫工程、引水隧道工程至測區(qū)南端的新龍口水利工程區(qū)，高差為212 m，由式（9）計算得到三個工程區(qū)的投影變形值，如表6；將軍廟水庫工程區(qū)的投影變形值為-18.79 cm/km，引水隧道工程中心區(qū)投影變形值為-18.66 cm/km，工程最北的新龍口工程區(qū)投影變形值為-15.04 cm/km，均不滿足規(guī)范±2.5 cm/km要求。

（4）施工控制網(wǎng)坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

建立施工控制網(wǎng)的目的就是消除投影變形的影響。選取施工中心區(qū)KH15為投影中心，以KH15-KH30方位為基準(zhǔn)方向，工程投影面一般選取測區(qū)平均高程面[10]，本案例以1 080 m為高程抵償面，建立CGCS2000坐標(biāo)系下的高程抵償面坐標(biāo)系。在高程抵償面獨立坐標(biāo)系下變形值如表4，均滿足±2.5 cm/km要求。

表4 奎屯河引水工程投影變形情況及平均高程面投影變形值

依據(jù)CGCS2000坐標(biāo)反算得到KH15-KH30邊長為5 858.019 6 m，將此邊長投影換算到1 080 m高程抵償面上長度為5 859.012 6 m，保持投影中心點KH15坐標(biāo)不變，以KH15-KH30為基準(zhǔn)方向，以5 859.012 6 m反算KH30的新坐標(biāo)，以KH15、KH30兩點新坐標(biāo)作為基準(zhǔn)對整網(wǎng)進行再次強制性約束平差，即可得到以KH15為中心，以KH15-KH30為基準(zhǔn)方向，以1 080 m為高程抵償面的控制網(wǎng)的施工坐標(biāo)系成果。

（5）控制網(wǎng)測量成果可靠性檢驗

為了驗證本方案控制網(wǎng)成果精度可靠性，選取位于測區(qū)不同位置的控制網(wǎng)邊14條，采用兩秒級全站儀進行光學(xué)測距檢測，以對向觀測、4個測回的方式，測距加氣象改正，加常數(shù)乘常數(shù)改正，可以得到精確測距值，與施工控制網(wǎng)控制點坐標(biāo)反算值進行檢查對比，情況見表5所示，均在限差范圍內(nèi)，充分說明本項目采取施測方案測得的成果精度是可靠的。

4 結(jié)語

本文針對奎屯河引水工程建立高精度施工控制網(wǎng)項目任務(wù)，提出獨特的建立工程施工GNSS控制網(wǎng)的思路及方案，重點探討了方案設(shè)計、投影變形計算及施工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并采用傳統(tǒng)測距方式對測量成果精度進行了驗證，確保施工控制網(wǎng)成果精度的可靠性。本文旨在為各類工程建設(shè)項目建立施工控制網(wǎng)提供一定的參考。