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【摘 要】本文对向家坝水电站平面控制网的设计、建立与施测过程，进行了详细的介绍。通过计算与分析，提出了以GPS网为主、精密测量地面边为辅的联合网，值得在水电工程施工测量控制网中推广应用。
【关键词】水电站施工；控制网；测量
1概述
向家坝水电站是金沙江流域梯级电站之一，为了满足向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工建设的需要，受中国三峡总公司向家坝工程建设部委托中国水电顾问集团中南勘测设计研究院测绘工程公司承担该工程项目施工控制网的布设和首次测量工作。
灌区首部取水隧洞分南、北总干渠二段，南干渠测区属云南省水富县，取水隧洞长约5.1Km，取水口闸室底板高程361.00m，内置检修和工作闸门各一扇，孔口宽6.0m，高6.0m。取水口后至斜井段末端前为圆形有压取水隧洞，直径6m，纵比降3/1000，斜井倾角为40°，斜井段后为洞穿pccp管穿过宜水高速，后接跨过内昆铁路横江的桥式倒虹管。出口段本阶段只设计到宜水高速公路处的倒虹管进口。北干渠测区属四川省宜宾县、屏山县，取水隧洞长约10.1Km，孔口宽8.2m，高8.2m。取水口后为圆形有压隧洞，直径8.2m，纵比降1/3000，出口底板高程353.639m，灌区明渠渠首底板高程360.70m，两者高差7.061m。
2施工控制网设计概述
2.1设计目的
为向家坝水电站灌区首部取水隧洞提供统一的平面、高程基準，确保向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工顺利进行。
2.2设计原则
（1）满足施工控制对测量基准的需要；
（2）施工测量控制网施测根据工程需要严格按照相应规范进行；
（3）施工测量控制网的布设应在满足工程需要的前提下，控制点的分布必须控制整个施工区，控制网的精度指标及布点密度，根据地形地质情况，合理布设；控制点应合理分布各施工支洞口，开挖区之外，地基稳定、能长期保存且便于加密的地方，并保证各网点具有一个以上的通视方向；
（4）坐标高程系统应与勘测设计阶段一致；
（5）平面控制网可布设为边角网、GPS网或混合网；DL/T5173-2003《水电水利工程施工测量规范》以点位中误差作为衡量测量精度的标准，以2倍中误差作为限差。根据规范及本工程的特点，确定三等施工测量控制网的最弱点点位中误差不大于10mm；
（6）高程路线应布设成附和（闭合）路线或结点网，最末级高程点相对于首级高程控制点的高程中误差不大于10mm。
2.3资料收集
1.工程区1：500地形图；
2.已有的向家坝首级施工控制网控制点成果；
3.施工总布置规划图；
4.有关的规程规范。
2.4平面施工控制网设计
根据工程规模等因素确定本施工测量控制网布设为三等GPS平面网、三等水准三等三角高程网，根据上述原则在施工总平面布置图上布网如下：
三等GPS平面网由18个观测墩标按边连式构网，为了与勘测设计阶段坐标系统相统一，平面网采用了2004年向家坝首级施工控制网大园子、火焰山两起算点。
依据向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工总体布置图，结合实地地形情况，经图上设计和实地查勘，并对多种图形结构进行精度优化设计和可靠性分析，确定平面控制网最佳方案。施工测量控制网的布设情况为云南省水富县南干渠S1支洞、倒虹管始端各3座、S2支洞为4座；四川省宜宾县北干渠汪家坝支洞、玉龙出口各4座，埋设具有强制归心装置的砼观测墩，同时校测了地形测量时布设的D级GPS点（GS09、GS10）。
3施工控制网建立
3.1平面网点的选点与施工
3.1.1选点
选点时参照向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工总平面布置图和本次施工控制网测量技术设计要求，结合现场情况进行选定。选定的网点间通视良好，视线离障碍物的距离均在1.5m以上。
三等GPS网利用GPS定位技术采用静态方式进行测量。三等GPS网共包括22个点。由于是采用GPS进行观测，故主要考虑常规测量加密及施工放样时的应用，控制网的网形与常规网比较要求较低，每点都有2个及以上的通视方向。
网点编号为CG40～CG57。
三等平面控制网点主要布置在南、北干渠隧洞支洞口处及出口处和倒虹管始端。南干渠S1支洞布设3个墩标，点号为CG47∽CG49，S2支洞布设4个墩标，点号为CG40∽CG43，倒虹管始端布设墩标3个，点号为CG44∽CG46；北干渠汪家坝支洞布设4个墩标，点号为CG54∽CG57，玉龙出口布设4个墩标，点号为CG50∽CG53，平面控制网见图3.1.2-1
图3.1.2-1
3.1.2施工
每个平面施工控制网点均埋设钢筋混凝土观测标墩。标墩由标座、标身和安装于标顶的仪器强制归心底盘组成。标墩参照《水电水利工程施工测量规范》DL/T5173–2003要求进行，结构见图3.1.2-2。所有标点基础均先进行开挖，现浇混凝土标墩；对于建于坚硬基岩上的标墩，先凿除表面松动岩石和污垢，再用混凝土浇出平整基础，保证基础混凝土与基岩连成一体后，再施工标墩；对建于原生土中的标墩，标墩基础适当加大，保证其基础坚实稳定。标墩顶安装仪器强制归心底盘时，用水平尺将对中底盘整平，其倾斜值不大于4′。标墩混凝土最少养护了3天，待混凝土正常凝固干燥后，选取晴朗天气再对标身用白墙漆刷3遍。标身用红油漆喷写标点编号、埋设时间、埋设单位（中南院）及“测量标志严禁破坏”等字样。
图3.1.2-2
4施工控制网观测与计算
4.1三等GPS网
4.1.1三等GPS网观测。GPS观测采用4台徕卡GXGPS1230双频接收机，接收机编号分别为451080、451083、451091、451134，已经过湖南省测绘仪器检测中心检定，检定结果：接收机相位一致性≤1mm，静态测量实测标准偏差满足±（3mm+0.5ppm），各项指标均符合要求。每天外业观测前，由计算人员根据当天的接收星历对卫星的情况进行预报，确定最佳观测时间，并根据作业的接收机台数，按照GPS网形设计，制定观测计划调度单。 4.1.2基线解算与分析。基线解算利用随机商用软件LEICAGeoOffice自动解算，部分基线解算截取了时间段、剔除了不健康的卫星。在基线解算过程中，星历数据直接使用接收机接收的广播星历，模糊度采用双差固定解。对流层模型采用了霍普菲尔德模型，电离层模型采用自动模型，由于每个时段的观测时间都较长，因此电离层可以根据双频数据自动计算出较为准确的理论模型。由专人把当天记录手簿作检查对照，所测数据及时进行质量分析，由于测区地处高山峡谷地带，接收卫星条件较差，对接收条件较差的网点，重复设站多次，重复观测较多，全网共计算合格基线133条。通过计算同步环，异步环和复测基线闭合差分析，删除其中的39条，只选用其中精度较好的94条基线参加最后的平差计算。
4.1.3控制网平差计算。网的平差计算采用武汉大学编制的“科傻GPS数据处理系统”在微机上进行。在控制网二维平差后，去掉与联测相关的39条基线，剩余94条基线参加控制网的平差。剩余94条基线中，复测基线46条，复测基线占基线总数的70.7%，远大于规范对于该项的10%的要求。三维平差。为了获得二维基线向量，进行了三维无约束平差，平差时采用央子午线为：100°23′40″。固定一个点火焰山54椭球上投影，进行三维自由网平差。平差所产生的三维基线改正数分析见表4.1.4-1。三维基线向量改正数的限差为3，弦长精度，根据规范和设计书对三等GPS网的要求在本项目中固定误差，比例误差。
表4.1.4-1平差所产生的三维基线改正数分析表
基线名 长度（m） Vx
（cm） Vy
（cm） Vz
（cm） 限差（cm） 备注
CG54-CG55 243.583 -0.1 -0.1 0.1 1.5 最短边
CG51-大园子 12415.157 0.3 -0.5 -0.1 7.6 最长边
CG42-CG40 707.427 0 0 0 1.6 残差最小
CG48-火焰山 3627.520 1.5 -1.4 0.7 2.6 残差最大
二维平差。为了提高控制网的精度，同时对整个GPS网进行尺长改正，加入了高精度全站仪施测的8条边长，进行约束平差。结果分析。由于在“科傻GPS数据处理系統”中所采用的平差模型三维平差和二维平差的坐标系统不一致，并且差别较大，使得三维基线残差和二维基线残差的较差比较失去意义。三维基线残差和二维基线残差的较差主要是为了检验约束条件对整网的影响，故没有三维基线残差和二维基线残差的较差进行比较。平差后点位中误差最大者CG45为±0.96mm，小于限差±10mm；最弱边CG54—CG55边长相对中误差为1/110000，小于限差1/80000，平均边长相对中误差1/983133，小于限差1/150000。因此三等GPS网的实际观测成果较优，满足且优于规范要求。
4.2三等水准和三等三角高程网
4.2.1观测实施。观测前Trimble水准仪（DiNi12NO：703418）和铟钢水准标尺（编码尺）（NO：50332.50335）送四川省测绘局计量检定，检定结论合格，在工地作业组对仪器及其配套设备的其它技术指标进行了自检.水准测量过程中，Trimble水准仪的i角分不同时间检查了16次，均满足规范要求，最大为-5.81″。水准仪外观清洁，无碰痕，脱漆等现象。各部件无松动，失调现象，转动灵活，平稳。
4.2.2数据处理与平差。高差计算利用Excel编制的“边长改化及高差计算表”与边长改化同步进行计算。对向观测边长和高差较差均符合规范要求。高程网采用“科傻地面控制测量数据处理系统”平差软件包进行平差计算。2条水准线路和4条三角高程路线闭合差特征统计见表4.2.2-1。
表4.2.2-1三等三角高程路线闭合差分布统计表
往返测较差Δ （0～1/3）Δ允 （1/3～2/3）Δ允 （2/3～1）Δ允 合格
测段个数 4 4
百分比 100% 100%
由上表可知，高程路线闭合差分布正常，在南干渠布设水准路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差MW=±0.09mm<±6mm/km（限差），在北干渠布设水准路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差MW=±0.93mm<±6mm/km（限差），在南干渠布设二条三角高程路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差分别为MW1=±0.57mm<±6mm/km（限差）和MW2=±2.12mm<±6mm/km（限差），在北干渠布设二条三角高程路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差分别为MW1=±1.15mm<±6mm/km（限差）和MW2=±2.73mm<±6mm/km（限差），满足规范要求。对所有的点都进行了正常水准面不平行改正，最后得到所有点最终的高程值。
6结束语
由于对向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工控制网测量现场进行了详细的查勘，结合施工范围对施工控制网进行了精心设计，控制网布置满足工程要求。观测采用仪器精度和自动化程度均较高，现场观测条件把握准确，观测成果正确、可靠满足且优于规范要求。GPS测量技术应用于水电工程测量，尤其是应用于长隧洞施工具有布网灵活，不需要通视条件就可以将隧洞两端联入一个坐标系统，减少了因为坐标传递而产生的误差，自动化程度高，人为和天气因素干扰少，这些都是常规边角网测量无法比拟的优势。在以后类似的工程中，可以加强GPS技术的推广和应用。
参考文献：
DL/T5173-2003《水电水利工程施工测量规范》；
GB/T17942-2000《国家三角测量规范》；
GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》；
GB12898-2009《国家三、四等水准测量规范》。
【关键词】水电站施工；控制网；测量
1概述
向家坝水电站是金沙江流域梯级电站之一，为了满足向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工建设的需要，受中国三峡总公司向家坝工程建设部委托中国水电顾问集团中南勘测设计研究院测绘工程公司承担该工程项目施工控制网的布设和首次测量工作。
灌区首部取水隧洞分南、北总干渠二段，南干渠测区属云南省水富县，取水隧洞长约5.1Km，取水口闸室底板高程361.00m，内置检修和工作闸门各一扇，孔口宽6.0m，高6.0m。取水口后至斜井段末端前为圆形有压取水隧洞，直径6m，纵比降3/1000，斜井倾角为40°，斜井段后为洞穿pccp管穿过宜水高速，后接跨过内昆铁路横江的桥式倒虹管。出口段本阶段只设计到宜水高速公路处的倒虹管进口。北干渠测区属四川省宜宾县、屏山县，取水隧洞长约10.1Km，孔口宽8.2m，高8.2m。取水口后为圆形有压隧洞，直径8.2m，纵比降1/3000，出口底板高程353.639m，灌区明渠渠首底板高程360.70m，两者高差7.061m。
2施工控制网设计概述
2.1设计目的
为向家坝水电站灌区首部取水隧洞提供统一的平面、高程基準，确保向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工顺利进行。
2.2设计原则
（1）满足施工控制对测量基准的需要；
（2）施工测量控制网施测根据工程需要严格按照相应规范进行；
（3）施工测量控制网的布设应在满足工程需要的前提下，控制点的分布必须控制整个施工区，控制网的精度指标及布点密度，根据地形地质情况，合理布设；控制点应合理分布各施工支洞口，开挖区之外，地基稳定、能长期保存且便于加密的地方，并保证各网点具有一个以上的通视方向；
（4）坐标高程系统应与勘测设计阶段一致；
（5）平面控制网可布设为边角网、GPS网或混合网；DL/T5173-2003《水电水利工程施工测量规范》以点位中误差作为衡量测量精度的标准，以2倍中误差作为限差。根据规范及本工程的特点，确定三等施工测量控制网的最弱点点位中误差不大于10mm；
（6）高程路线应布设成附和（闭合）路线或结点网，最末级高程点相对于首级高程控制点的高程中误差不大于10mm。
2.3资料收集
1.工程区1：500地形图；
2.已有的向家坝首级施工控制网控制点成果；
3.施工总布置规划图；
4.有关的规程规范。
2.4平面施工控制网设计
根据工程规模等因素确定本施工测量控制网布设为三等GPS平面网、三等水准三等三角高程网，根据上述原则在施工总平面布置图上布网如下：
三等GPS平面网由18个观测墩标按边连式构网，为了与勘测设计阶段坐标系统相统一，平面网采用了2004年向家坝首级施工控制网大园子、火焰山两起算点。
依据向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工总体布置图，结合实地地形情况，经图上设计和实地查勘，并对多种图形结构进行精度优化设计和可靠性分析，确定平面控制网最佳方案。施工测量控制网的布设情况为云南省水富县南干渠S1支洞、倒虹管始端各3座、S2支洞为4座；四川省宜宾县北干渠汪家坝支洞、玉龙出口各4座，埋设具有强制归心装置的砼观测墩，同时校测了地形测量时布设的D级GPS点（GS09、GS10）。
3施工控制网建立
3.1平面网点的选点与施工
3.1.1选点
选点时参照向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工总平面布置图和本次施工控制网测量技术设计要求，结合现场情况进行选定。选定的网点间通视良好，视线离障碍物的距离均在1.5m以上。
三等GPS网利用GPS定位技术采用静态方式进行测量。三等GPS网共包括22个点。由于是采用GPS进行观测，故主要考虑常规测量加密及施工放样时的应用，控制网的网形与常规网比较要求较低，每点都有2个及以上的通视方向。
网点编号为CG40～CG57。
三等平面控制网点主要布置在南、北干渠隧洞支洞口处及出口处和倒虹管始端。南干渠S1支洞布设3个墩标，点号为CG47∽CG49，S2支洞布设4个墩标，点号为CG40∽CG43，倒虹管始端布设墩标3个，点号为CG44∽CG46；北干渠汪家坝支洞布设4个墩标，点号为CG54∽CG57，玉龙出口布设4个墩标，点号为CG50∽CG53，平面控制网见图3.1.2-1
图3.1.2-1
3.1.2施工
每个平面施工控制网点均埋设钢筋混凝土观测标墩。标墩由标座、标身和安装于标顶的仪器强制归心底盘组成。标墩参照《水电水利工程施工测量规范》DL/T5173–2003要求进行，结构见图3.1.2-2。所有标点基础均先进行开挖，现浇混凝土标墩；对于建于坚硬基岩上的标墩，先凿除表面松动岩石和污垢，再用混凝土浇出平整基础，保证基础混凝土与基岩连成一体后，再施工标墩；对建于原生土中的标墩，标墩基础适当加大，保证其基础坚实稳定。标墩顶安装仪器强制归心底盘时，用水平尺将对中底盘整平，其倾斜值不大于4′。标墩混凝土最少养护了3天，待混凝土正常凝固干燥后，选取晴朗天气再对标身用白墙漆刷3遍。标身用红油漆喷写标点编号、埋设时间、埋设单位（中南院）及“测量标志严禁破坏”等字样。
图3.1.2-2
4施工控制网观测与计算
4.1三等GPS网
4.1.1三等GPS网观测。GPS观测采用4台徕卡GXGPS1230双频接收机，接收机编号分别为451080、451083、451091、451134，已经过湖南省测绘仪器检测中心检定，检定结果：接收机相位一致性≤1mm，静态测量实测标准偏差满足±（3mm+0.5ppm），各项指标均符合要求。每天外业观测前，由计算人员根据当天的接收星历对卫星的情况进行预报，确定最佳观测时间，并根据作业的接收机台数，按照GPS网形设计，制定观测计划调度单。 4.1.2基线解算与分析。基线解算利用随机商用软件LEICAGeoOffice自动解算，部分基线解算截取了时间段、剔除了不健康的卫星。在基线解算过程中，星历数据直接使用接收机接收的广播星历，模糊度采用双差固定解。对流层模型采用了霍普菲尔德模型，电离层模型采用自动模型，由于每个时段的观测时间都较长，因此电离层可以根据双频数据自动计算出较为准确的理论模型。由专人把当天记录手簿作检查对照，所测数据及时进行质量分析，由于测区地处高山峡谷地带，接收卫星条件较差，对接收条件较差的网点，重复设站多次，重复观测较多，全网共计算合格基线133条。通过计算同步环，异步环和复测基线闭合差分析，删除其中的39条，只选用其中精度较好的94条基线参加最后的平差计算。
4.1.3控制网平差计算。网的平差计算采用武汉大学编制的“科傻GPS数据处理系统”在微机上进行。在控制网二维平差后，去掉与联测相关的39条基线，剩余94条基线参加控制网的平差。剩余94条基线中，复测基线46条，复测基线占基线总数的70.7%，远大于规范对于该项的10%的要求。三维平差。为了获得二维基线向量，进行了三维无约束平差，平差时采用央子午线为：100°23′40″。固定一个点火焰山54椭球上投影，进行三维自由网平差。平差所产生的三维基线改正数分析见表4.1.4-1。三维基线向量改正数的限差为3，弦长精度，根据规范和设计书对三等GPS网的要求在本项目中固定误差，比例误差。
表4.1.4-1平差所产生的三维基线改正数分析表
基线名 长度（m） Vx
（cm） Vy
（cm） Vz
（cm） 限差（cm） 备注
CG54-CG55 243.583 -0.1 -0.1 0.1 1.5 最短边
CG51-大园子 12415.157 0.3 -0.5 -0.1 7.6 最长边
CG42-CG40 707.427 0 0 0 1.6 残差最小
CG48-火焰山 3627.520 1.5 -1.4 0.7 2.6 残差最大
二维平差。为了提高控制网的精度，同时对整个GPS网进行尺长改正，加入了高精度全站仪施测的8条边长，进行约束平差。结果分析。由于在“科傻GPS数据处理系統”中所采用的平差模型三维平差和二维平差的坐标系统不一致，并且差别较大，使得三维基线残差和二维基线残差的较差比较失去意义。三维基线残差和二维基线残差的较差主要是为了检验约束条件对整网的影响，故没有三维基线残差和二维基线残差的较差进行比较。平差后点位中误差最大者CG45为±0.96mm，小于限差±10mm；最弱边CG54—CG55边长相对中误差为1/110000，小于限差1/80000，平均边长相对中误差1/983133，小于限差1/150000。因此三等GPS网的实际观测成果较优，满足且优于规范要求。
4.2三等水准和三等三角高程网
4.2.1观测实施。观测前Trimble水准仪（DiNi12NO：703418）和铟钢水准标尺（编码尺）（NO：50332.50335）送四川省测绘局计量检定，检定结论合格，在工地作业组对仪器及其配套设备的其它技术指标进行了自检.水准测量过程中，Trimble水准仪的i角分不同时间检查了16次，均满足规范要求，最大为-5.81″。水准仪外观清洁，无碰痕，脱漆等现象。各部件无松动，失调现象，转动灵活，平稳。
4.2.2数据处理与平差。高差计算利用Excel编制的“边长改化及高差计算表”与边长改化同步进行计算。对向观测边长和高差较差均符合规范要求。高程网采用“科傻地面控制测量数据处理系统”平差软件包进行平差计算。2条水准线路和4条三角高程路线闭合差特征统计见表4.2.2-1。
表4.2.2-1三等三角高程路线闭合差分布统计表
往返测较差Δ （0～1/3）Δ允 （1/3～2/3）Δ允 （2/3～1）Δ允 合格
测段个数 4 4
百分比 100% 100%
由上表可知，高程路线闭合差分布正常，在南干渠布设水准路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差MW=±0.09mm<±6mm/km（限差），在北干渠布设水准路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差MW=±0.93mm<±6mm/km（限差），在南干渠布设二条三角高程路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差分别为MW1=±0.57mm<±6mm/km（限差）和MW2=±2.12mm<±6mm/km（限差），在北干渠布设二条三角高程路线闭合差计算的每千米高差中数全中误差分别为MW1=±1.15mm<±6mm/km（限差）和MW2=±2.73mm<±6mm/km（限差），满足规范要求。对所有的点都进行了正常水准面不平行改正，最后得到所有点最终的高程值。
6结束语
由于对向家坝水电站灌区首部取水隧洞施工控制网测量现场进行了详细的查勘，结合施工范围对施工控制网进行了精心设计，控制网布置满足工程要求。观测采用仪器精度和自动化程度均较高，现场观测条件把握准确，观测成果正确、可靠满足且优于规范要求。GPS测量技术应用于水电工程测量，尤其是应用于长隧洞施工具有布网灵活，不需要通视条件就可以将隧洞两端联入一个坐标系统，减少了因为坐标传递而产生的误差，自动化程度高，人为和天气因素干扰少，这些都是常规边角网测量无法比拟的优势。在以后类似的工程中，可以加强GPS技术的推广和应用。
参考文献：
DL/T5173-2003《水电水利工程施工测量规范》；
GB/T17942-2000《国家三角测量规范》；
GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》；
GB12898-2009《国家三、四等水准测量规范》。