華能青居水電站工程廠房施工控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

華能青居水電站工程廠房施工控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐摘要:青居水電站廠房工程由進(jìn)水渠、前池、廠房、尾水渠等4個(gè)部分組成.在首級(jí)施工控制網(wǎng)密度或精度等因素不能滿足工程施工需要的前提下，有必要對(duì)工程施工控制網(wǎng)進(jìn)行加密或新建，根據(jù)工程實(shí)際情況盡可能對(duì)布網(wǎng)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)精度分析、測(cè)量、平差，最終建立一個(gè)即能滿足施工要求，又經(jīng)濟(jì)、合理的施工控制網(wǎng)，然而，控制測(cè)量在布網(wǎng)、測(cè)量、平差等諸多環(huán)節(jié)和因素上，我們?nèi)绾谓Y(jié)合水利水電工程施工的特點(diǎn)、結(jié)合工程實(shí)際情況，重點(diǎn)把應(yīng)把握哪些環(huán)節(jié)和因素，通過(guò)該工程施工控制網(wǎng)測(cè)量的全過(guò)程，探討工程施工控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，及其一般規(guī)律。關(guān)鍵詞：施工控制網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；精度分析；測(cè)量平差；青居電站工程概況四川華能青居水電站位于四川南充市高坪區(qū)青居鎮(zhèn)境內(nèi)的嘉陵江十流上，是嘉陵江十流蒼溪至合川河段十三級(jí)開(kāi)發(fā)中的第十個(gè)梯級(jí)電站.該工程是以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)效益的綜合利用工程。青居電站工程由攔河閘壩、廠區(qū)樞紐、船閘等建筑組成，電站總裝機(jī)容量為128MW.廠房工程主要項(xiàng)目有引水渠、前池、主副廠房、升壓站、尾水渠等水工建筑物.引水渠長(zhǎng)490m，寬度為45?96.3m，主廠房裝有4x32MW貫流式機(jī)組，其長(zhǎng)x寬x高為84mx71.7mx49m，其主要水工建筑物施工面積不小于3.5萬(wàn)m2，最大開(kāi)挖高差65.5m.工程施工控制網(wǎng)情況2.1地形概況：青居電站是嘉陵江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的一座中型水利水電工程?測(cè)區(qū)東西兩側(cè)為嘉陵江，內(nèi)側(cè)江岸山涯陡峭，外側(cè)江岸沙灘平緩，相對(duì)高差達(dá)一百米以上，植被茂盛，場(chǎng)填人口稠密，屬于比較困難類別。2.2平面控制網(wǎng)：平面控制網(wǎng)采用兩級(jí)布網(wǎng)，首級(jí)網(wǎng)為III等三角邊角網(wǎng)，控制整個(gè)水利樞紐建筑物，共布設(shè)10個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)位均遠(yuǎn)離施工區(qū)域，標(biāo)石采用混凝土觀測(cè)墩，上部均安置強(qiáng)制對(duì)中基座，加密網(wǎng)為W等點(diǎn)組成兩條附合導(dǎo)線，附合到I等邊角網(wǎng)上，其編號(hào)為青電W01至青電W10，標(biāo)石采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的地面標(biāo).如圖1（控制網(wǎng)布置示圖）。2.3廠區(qū)樞紐可用網(wǎng)點(diǎn)現(xiàn)況：廠房工程區(qū)域共有3個(gè)W等導(dǎo)線點(diǎn)，經(jīng)前期開(kāi)挖爆破施工后僅剩下1個(gè)W-07平面控制點(diǎn)，根本無(wú)法滿足工程施工的要求，急需新建廠房工程施工控制網(wǎng)，確保廠區(qū)工程施工順利進(jìn)行。廠區(qū)控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3.1可利用布網(wǎng)的III等控制點(diǎn)地理位置分析經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，青電I-06、青電I-08，在廠房區(qū)域通視情況較好，青電IIL07雖然距引水渠進(jìn)口段較近，但山上植被茂密，幾乎無(wú)法通視，青電I-02,雖在引水渠進(jìn)口段可以通視，但其位于東側(cè)嘉陵江的右岸，且距離較遠(yuǎn)，其它III等點(diǎn)距廠區(qū)較遠(yuǎn)，也不能通視，因此，布設(shè)廠區(qū)施工控制網(wǎng)可利用的控制點(diǎn)僅為111-06、III-08、III-02三點(diǎn).3.2預(yù)布控制網(wǎng)點(diǎn)的密度的確定3.2.1放樣精度分析全站儀的全面普及使得極坐標(biāo)放樣和坐標(biāo)趨近法放樣成為工程放樣方法的主流，其特點(diǎn)是：靈活、便捷、快速、精度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)僅分析極坐標(biāo)放樣的精度(坐標(biāo)趨近法基本與其相同)。極坐標(biāo)法放樣在不考慮對(duì)中、標(biāo)高誤差及起始點(diǎn)誤差情況下，主要放樣數(shù)據(jù)有兩個(gè)：一個(gè)是角度。，一個(gè)是長(zhǎng)度s。具體詳見(jiàn)圖2。見(jiàn)圖2極坐標(biāo)放樣精度示意圖當(dāng)放樣或觀測(cè)角度P含有誤差士mpi時(shí)，則使p點(diǎn)產(chǎn)生橫向位移土△】，該誤差偶然誤差，位移值與s大小有關(guān)，即△1=±m(xù)°/p"s它偏離AP方向左或右，與P角相應(yīng)的共軛直徑方向?yàn)锳1A2，與AP平行的兩條直線，它與AP的間隔為△】.當(dāng)放樣觀測(cè)長(zhǎng)度含有誤差土ms時(shí)，產(chǎn)生縱向位移±^2即△2=±m(xù)s相應(yīng)的共軛半徑方向?yàn)閏1c2，它與AP垂直，兩條平行線到cl、c2之間隔為^2。以點(diǎn)位中誤差公式表示為(1)其中：（2）（3）a、b分別為測(cè)距儀固定誤差與比例誤差，為方向中誤差，以標(biāo)稱精度2”、3+2ppm全站儀為例，按⑴、⑵、⑶計(jì)算s分別為20m、200m、500m、1000m、2000m時(shí)，放樣的點(diǎn)位中誤差，p〃=206265，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表1極坐標(biāo)放樣距離與點(diǎn)位中誤差關(guān)系表3.2.2控制網(wǎng)點(diǎn)個(gè)數(shù)確定：施工控制網(wǎng)控制點(diǎn)的密度（即控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)）在工程施工控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)占重要地位，密度過(guò)大，雖然對(duì)施工放樣、測(cè)量便利，但同時(shí)也增加了選點(diǎn)難度，且網(wǎng)型復(fù)雜、控制網(wǎng)精度低，內(nèi)、外業(yè)工作量大等，不利因素；密度過(guò)小，滿足不了工程放樣要求，還要進(jìn)行二級(jí)加密。因此，合理地選擇其密度，不僅能減少內(nèi)、外業(yè)工作量，同時(shí)也能使控制網(wǎng)容易達(dá)到相應(yīng)的精度要求?？刂凭W(wǎng)點(diǎn)的密度（個(gè)數(shù)）的確定，主要考慮在單一控制點(diǎn)上在保證施工放樣精度前提下，其所能控制施工區(qū)域的面積（A）。設(shè)廠區(qū)施工面積為Q，則控制點(diǎn)個(gè)數(shù)N=Q/A，為此，有必要分析施工放樣的精度，用以確定A值。由表1可知，放樣邊長(zhǎng)即使達(dá)到1公里，理論上也能保證放樣精度，但考慮氣象、成像、對(duì)中等各項(xiàng)誤差影響，取s<250m時(shí)，對(duì)放線精度有保證。設(shè)單一控制網(wǎng)點(diǎn)，以極坐標(biāo)法放樣可控制角度為90°，半徑為s=250m的扇形面積時(shí)，該面積為：A=ns2=x3.14x2502=4.9萬(wàn)m2廠區(qū)概略施工面積Q=35萬(wàn)m2，則N=35/4.9=7.1，即預(yù)布控制網(wǎng)點(diǎn)個(gè)數(shù)不應(yīng)小于7個(gè)，方能滿足工程施工放樣、定線等測(cè)量任務(wù)的需求.3.3控制網(wǎng)的精度要求.依照廠房設(shè)計(jì)要求，廠房建筑物的輪廓點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差<±20mm（相對(duì)鄰邊基本控制點(diǎn)）.而輪廓點(diǎn)的點(diǎn)位誤差大小取決于放樣精度和控制點(diǎn)精度，現(xiàn)就控制點(diǎn)精度作如下分析：設(shè)控制點(diǎn)的中誤差為m1,放樣誤差m2則放樣點(diǎn)的中誤差為3.3-1顯然m1<m2則m1/m2<1將3.3-1式展開(kāi)為級(jí)數(shù)，并略去高次項(xiàng)，則有：3.3-2欲使控制網(wǎng)點(diǎn)的誤差對(duì)放樣點(diǎn)位影響可以忽略（僅占總誤差的10%）,則僅即與3.3-2聯(lián)解，得m1~0.4m取放樣點(diǎn)中誤差m<±20mm，則按控制點(diǎn)中誤差要求為m1=0.4m<±8mm假設(shè)控制點(diǎn)的平均邊長(zhǎng)為250?400米，由此可推出施工控制網(wǎng)的最弱邊相對(duì)中誤差應(yīng)滿足1/3.12萬(wàn)。3.4選點(diǎn)與布網(wǎng)青居水電站廠房工程施工區(qū)域?qū)侏M長(zhǎng)地帶，主要建筑物集中在廠房84mx71.7mx49m區(qū)域，地形復(fù)雜，通視困難施工干擾大，給選點(diǎn)帶來(lái)了不少困難，根據(jù)上面求得的控制網(wǎng)個(gè)數(shù)N不少于7個(gè)的原則，初步在現(xiàn)場(chǎng)選定8個(gè)控制點(diǎn)，（選點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意有一定層次），編號(hào)左岸s2、s4、s6右岸s1、s3、s5、sW-07、s9,電111-6、III-8作為起算條件，與以上各點(diǎn)夠成一個(gè)導(dǎo)線閉合環(huán)（見(jiàn)圖3）（施工控制網(wǎng)布置圖）由外業(yè)測(cè)得各控制點(diǎn)的概略坐標(biāo)、及概略高程（見(jiàn)表2）。計(jì)算出各邊概略值及概略導(dǎo)線總長(zhǎng)，為估算控制網(wǎng)精度作準(zhǔn)備。表2青居廠房工程施工控制網(wǎng)概坐標(biāo)及概略邊長(zhǎng)一覽表3.5控制網(wǎng)精度優(yōu)化控制網(wǎng)精度優(yōu)化時(shí)，應(yīng)先固定觀測(cè)值精度，對(duì)選取的網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)所有可能的邊和方向指標(biāo)，若質(zhì)量偏低，則必須提高觀測(cè)精度。在某一組先驗(yàn)精度下，若網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)偏高了，這時(shí)可按觀測(cè)值指標(biāo)R，刪減觀測(cè)值，R太大，說(shuō)明該觀測(cè)值顯得多余，應(yīng)刪去；若R很小，則觀測(cè)值精度不宜增加，這種觀測(cè)值的方法，是從“密”到“疏”，從“肥”到“瘦”的優(yōu)化策略，從這種優(yōu)化的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，是一種逐次漸近一種方法，在沒(méi)有較好的優(yōu)化軟件前提下很難完成的，故在估算控制網(wǎng)精度時(shí)，選用考慮平差后，該導(dǎo)線網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差及邊長(zhǎng)相對(duì)精度，是否滿足該控制網(wǎng)的精度要求。顯然，最弱點(diǎn)即為該導(dǎo)線網(wǎng)中點(diǎn)。公式為：閉合導(dǎo)線平差后上點(diǎn)縱向誤差(t)t=3.5-1(2)閉合導(dǎo)線平差后中點(diǎn)橫向中誤差(Q|i=3.5-2(3)閉合導(dǎo)線中點(diǎn)中位中誤差mm=3.5-3其中：n為導(dǎo)線邊數(shù)；ms為邊長(zhǎng)測(cè)量中誤差；入為測(cè)距系統(tǒng)誤差；1為導(dǎo)線全長(zhǎng)，，為導(dǎo)線的平均邊長(zhǎng)，m。為測(cè)角中誤差，p〃=206265由表2和圖3不難得到，L=2.3公里，s=255米，n=9，平工地使用儀器為瑞士Leac302全站儀，測(cè)角標(biāo)稱精度2〃，測(cè)距3+2.sppm,取公里單位權(quán)測(cè)距中誤差ms=3.6mm，由測(cè)距基線檢驗(yàn)誤差值X=2mm，設(shè)定外業(yè)觀測(cè)按W等導(dǎo)線網(wǎng)精度進(jìn)行觀測(cè)，則m。=2.5〃，按上述三式求得導(dǎo)線網(wǎng)最弱點(diǎn)(中點(diǎn))中誤差為：t=±5.87(mm)p=±7.1(mm)m=±9.2(mm)則邊長(zhǎng)相對(duì)精度約為1/2.77萬(wàn)，控制網(wǎng)的最弱邊相對(duì)中誤差應(yīng)滿足1/3.12萬(wàn)，雖然比較接近，但仍不能保證精度要求，故在外業(yè)觀測(cè)時(shí)做如下設(shè)計(jì)：(一)、水平角觀測(cè)水平角觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)仍按W導(dǎo)線網(wǎng)精度要求，設(shè)定為6個(gè)測(cè)回，但在觀測(cè)方法上選用三聯(lián)腳架法左、右角全圓方向法.（二）、天頂距及邊長(zhǎng)觀測(cè)天頂距觀測(cè)增加到4測(cè)回，邊長(zhǎng)往返測(cè)由2測(cè)回增加至4測(cè)回.（三）各項(xiàng)限差按文獻(xiàn)①中三等導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量技術(shù)要求執(zhí)行。具體要求如表如表3、表4。表3水平角方向觀測(cè)法技術(shù)要求表4測(cè)距作業(yè)技術(shù)要求3.6坐標(biāo)系統(tǒng)與投影帶面的選擇坐標(biāo)系統(tǒng)與投影帶面與III等邊角網(wǎng)保持一致，即選用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，邊長(zhǎng)歸算至260m廠區(qū)平均高程面上。其中大氣折光系數(shù)k=0.13,廠區(qū)地球曲率半徑R=6367960m。該網(wǎng)不需作專項(xiàng)設(shè)計(jì)，在其它工程施工控制網(wǎng)中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，經(jīng)計(jì)算后，合理地對(duì)其做出選擇。施工控制網(wǎng)施測(cè)結(jié)果4.1外業(yè)觀測(cè)精度共觀測(cè)水平角10個(gè)，邊長(zhǎng)9個(gè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5（邊長(zhǎng)已經(jīng)氣象、加乘常數(shù)、傾斜投影改正后）（一）測(cè)角中誤差：（二）邊長(zhǎng)對(duì)向觀測(cè)平均值中誤差:mD=±4.2平差與精度評(píng)定在沒(méi)有平差程序下，條件平差雖然在法方程解算上較間接平差容易，但不易求得各點(diǎn)的點(diǎn)位誤差及誤差橢圓參數(shù)，故本網(wǎng)采用嚴(yán)密間接平差，利用office中的Execl電子表格的計(jì)算功能，直接解算出來(lái)各點(diǎn)的協(xié)因數(shù)陣Qx,求得各點(diǎn)位中誤差，見(jiàn)表6。表6導(dǎo)線平差各待定點(diǎn)精度成果表單位權(quán)中誤差m0=1.03〃，導(dǎo)線閉合差=-5.68〃縱坐標(biāo)閉合差fx=-7.472(mm)橫坐標(biāo)閉合差fy=2.586(mm)導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差1/23.4萬(wàn)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)最弱點(diǎn)中誤差為±8mm，最弱邊長(zhǎng)相對(duì)精度1/3.12萬(wàn)，實(shí)際最弱點(diǎn)中誤差僅為3.92mm，最弱邊長(zhǎng)相對(duì)精度1/3.77萬(wàn)，整個(gè)導(dǎo)線網(wǎng)在沒(méi)有大量增加勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的情況下，不僅滿足優(yōu)