苗家坝施工测量控制网技术设计.doc

白龙江苗家坝水电站
施工测量控制网技术设计

1. 工程规模和测区概况
白龙江苗家坝水电站位于甘肃省文县境内，距下游已建成的碧口水电站31.5km。苗家坝水电站工程的主要任务是发电。预可研初拟的低坝方案正常蓄水位为800m，共安装三台90MW水轮发电机组，总装机容量270MW，设计年发电量9.3亿kW·h，水库总库容2.5亿m3 。工程规模属二等大（2）型。枢纽由拦河砼面板堆石坝（最大坝高114m，趾板置于覆盖层上）、左岸排沙泄洪洞与导流洞采用“龙抬头”形式结合的溢洪洞、引水发电系统及岸边式厂房等组成。
苗家坝水电站工程区地理坐标为：东经105°02′、北纬32°54′，工程范围内现有一条简易公路沿白龙江左岸可以到达施工区，白龙江右岸只有人行小路可以通行，整个工程施工区内没有交通桥，总体交通极为不便。
2. 平面控制网和高程控制网的精度指标
2.1控制网测量的作业依据
根据苗家坝水电站的地形、地貌和主要水工建筑物的各种特征（坝体类型、建材类别）；根据《关于苗家坝水电站变形网及水准网设计有关要求的通知》，依据以下水电测量规程规范进行作业：
《水利水电工程测量规范》(SL 197—97)
《水利水电工程施工测量规范》(SL 52—93)
《国家一、二等水准测量规范》（GB 12897—91）
《工程测量规范》(GB50026—93)
《国家三角测量规范》(GB/T17942)
《混凝土坝安全监测技术规范》(DL/T5178—2003)
2.2 控制网点的精度指标
根据苗家坝水电站的整体规模，以及其地形情况和施工控制网需控制的范围，为保证该工程枢纽施工的整体精度，依据规范中的有关规定，拟定该控制网的精度指标见表一。
拟定的控制网精度指标
表一
类 别
等 级
最弱点点
位中误差
每公里高差中数偶然中误差
每公里高差
中数全中误差
备 注
平面控制网
专用三级
±5.0mm

相对起始点
高程控制网
II等

±1.0mm
±2.0mm

3 平面控制网
3.1 平面控制网的选点
平面控制网点布设的位置和密度依据能够满足该工程施工测量工作的需要，并顾及所构成的网形应有足够的几何强度，宜采用边角网一次布设，网中图形不宜过于复杂，但应具有足够的多于观测条件，网边倾角要小，并高出地面或障碍物1.5m以上，并结合该电站工程施工区的地形地貌，在室内图上技术设计的基础上，进行野外实地踏勘比较，最终选定点位。所选点位既要考虑到地基的稳定性，又要便于埋石和施工测量工作的实施，且能长期保存、使用。
3.2 平面控制网点的造埋
根据国家《水利水电施工测量规范》中有关平面控制网点观测墩建造规格和埋设深度的规定，结合各点位处的地质条件及当地的气候情况，在参考国内同类型观测墩建造规格的基础上，我们拟定以下埋设规格，详见附图2《施工测量控制网平面桩点结构图》。
对于平面控制网点，要求有较高的稳定性，按照覆盖层的情况，决定地基处理深度。有基岩露头的点位，在建造时应挖去表面风化的松动碎石，基座平台高度可适当调整。必要时，先采用钢筋锚固岩基，在此基础上浇筑混凝土观测墩。
观测墩顶面安置强制对中盘，为保证仪器和觇标的置中精度达到0.1mm，应将其安置水平，强制对中盘平面的倾斜度应小于4′。因而在观测墩浇筑时，应待混凝土凝固到适当时再安置强制对中盘，并用管水准气泡反复检查调整。

3.3 平面控制网的概况
平面控制网的布设经过反复比较，最后确定全网由12点组成，详见附图1《白龙江苗家坝水电站施工测量控制网布置图》。平面控制网点编号规则为：点号前冠以字母“MS”，其中“M”表示苗家坝，“S”表示施工网的意思。
平面控制网网形多由大地四边形、中点多边形相互交织组成，河道左岸坝址区至导流洞出口段由于受地形条件限制，只布设了2点，将来对导流洞、下游围堰等水工建筑物的施工放样工作可使用右岸的控制点。控制网中最大边长1206米，最短边长132米，平均边长521米。
4 平面控制网的优化设计
4.1平面控制网的优化原则
平面控制网进行优化的目的，是在控制网点具有充分图形结构的前提下，选择观测仪器和方案，选用较经济的观测工作量，确保点位精度满足规范要求，并具有充分的可靠性。
由于平面控制网的点位在图上和实地选点时已充分考虑了其用途，即点位已做了实地优化考虑，不宜对其点位做较大幅度的变动。而且拟投入使用的仪器是TC2003高精度全站仪，其测距精度为1mm+1ppm,测角精度为0.5〞,即观测精度已确定。只能做观测量——图形结构的优化，即I类优化。
4.2 平面控制网点的概略坐标
拟定的平面控制网点的概略坐标，见表二。
表二
点名
等级
X（m）
Y（m）
H（m）
备 注
MS01

3642047.81
502148.16
739.5

MS02

3641725.25
502014.84
721.9

MS03

3641506.90
502094.16
762.1

MS04

3641610.53
501948.01
735.6

MS05

3641377.40
502343.58
828.9
拟作为起算点
MS06

3641187.00
502011.80
819.6
拟作为起算点
MS07

3641108.00
502567.70
738.0
拟作为起算点
MS08

3640903.26
502482.22
749.4

MS09

3641765.80
503326.50
755.0

MS10

3640949.61
502638.82
723.8

MS11

3641378.00
503103.00
711.6

MS12

3641168.59
502923.12
723.2

4.3 平面控制网的优化
平面控制网的优化步骤为：先做边角全测网估算，若精度冗余较多，再适当的减少一些测边、测角工作量，并进行估算，直至最弱点的精度达到控制网的拟定精度指标，又相对工作量较少的方案即为最优方案。但是由于受苗家坝水电站枢纽区地形条件的制约，左岸控制点的可通视方向很少，所以在本次控制网的优化设计时主要做不同起算点的边角全测网的估算。
优化程序采用清华大学编制的“NASEW95工程测量控制网微机平差系统”。在该平差系统中，控制网内可靠性为R，当R＜5时，内可靠性好，当5≤R≤10时，内可靠性一般，当R＞10时，内可靠性差。控制网的外可靠性用R′表示，当R′＜3时，外可靠性好，当3≤R′≤8时，外可靠性一般，当R′＞8时，外可靠性差。使用此平差优化系统共做了两套优化方案。
方案一：
以MS06点为起算点，以MS06点至MS05点的方位角为已知方向，观测全部48个方向，方向值观测精度0.5″。观测全部边长23条，测边精度：1mm+1ppm•D 。经估算，最弱点位中误差为±4.7mm。内、外可靠性较好，此方案可行。
方案二：
网形图同方案一，以MS06点为起算点，以MS06点至MS07点的方位角为已知方向。观测精度不变，经估算，其最弱点位中误差为±3.5 mm，内、外可靠性合乎要求，此方案也满足拟定的平面点位精度要求。
通过以上两套方案的优化比较，我们认为方案一中作为起算方位的MS05
点距离坝轴线较近，在开挖等施工过程中有可能造成点位位移，会给以后控制网的补充和加密工作带来影响。方案二估算的点位精度良好，而且MS07点远离坝址施工区，点位受影响程度相对较小，故把方案二作为推荐的最终方案。
5 平面控制网的施测要求
5.1仪器的检验与校正
为了确保仪器设备在观测中处于良好状态，每年应送到权威计量检验部门进行一次全面检验，并应在观测过程中加强维护保养，并在观测前、后对仪器的主要性能指标进行必要的检验和校正。
5.1.1经纬仪部分的检验校正
① 一般查看
光学系统是否正常，水准器是否灵敏，各轴系旋转是否自如，固定或微动螺旋松紧是否适度，各种按键的功能是否正常，显示窗显示是否正确。
② 照准部水准管的检验与校正
首先将仪器整平，然后缓慢旋转照准部，在旋转过程中如果水准管气泡偏离中心一个格值，则应对其进行校正后方可使用。
③ 视准轴误差的检验与校正
按照TC2003全站仪说明书中所述，测定并存储视准轴误差，以便对所有水平角自动施加该项改正，如果检测结果表明视准轴误差大于±16″，则应将仪器送到专业检修部门检校，不得私自动手校正该项仪器误差。
④ 横轴误差（经纬仪横轴与竖轴不严格垂直）
按照TC2003全站仪使用说明书中所述，测定并存储横轴误差，以便对所有水平角自动地施加改正。但应注意在进行该项检验时，不规范的操作或较大的温度升降，都会引起横轴误差的增大，所以应选择气象条件较佳的观测时段并进行规范操作。如果该项误差过大时也不要随意调整，应交送专业检修部门检校。
⑤ 方向中误差的检测
在室外选择清晰稳定、距离较远的几个目标作为观测方向，按一等三角要求观测9个测回，并计算方向值中误差。
方向值的平均值
LA=[La]19／9......LD=[Ld]19／9
各测回方向观测值改正数
Vai=LA-Lai…… Vdi=LD-Ldi
根据平均误差计算一测回观测值的中误差：

式中n为方向数。9测回方向中数的中误差M为：

式中m为测回数。
5.1.2测距部分的检验
根据《中、短程光电测距规范》的规定，测距仪一般应每年送到权威计量检验部门检验一次，最长不得超过两年，但当仪器出现异常时，应及时检验仪器的加、乘常数。
正常情况下，测距误差满足以下条件：
①测距中误差：Ms≤(a+b*s)
②加常数误差：Mc≤a/2
③乘常数误差：Mr≤((a/2)-(a/5))
其中，a为测距仪固定误差；b为测距仪比例误差。
当检定的加常数C>2Mc,乘常数R>2Mr时，即采用新的检验值。
5.2平面控制网的观测
5.2.1水平角的观测
水平角采用TC2003全站仪观测，标称精度±0.5″。
① 一般注意事项
水平方向观测应在目标清晰稳定的条件下进行，起始方向应选择通视良好、目标清晰稳定、距离适中的方向，当方向数超过7个时应分组进行水平方向观测。
打开仪器箱后，应使仪器温度与外界温度充分一致后方可开始观测，观测过程中，仪器水准气泡中心偏移不得超过一格，接近极限时，应在测回之间重新整平仪器。
由于觇牌的选择直接影响到照准精度，而本控制网观测精度要求较高，根据我们长期的测绘实践，选取飞翔测绘工具厂生产的M－450型固定觇标，其图形简单，几何中心轴明显，可用双丝或单丝照准。

2

测距的技术要求
表四
控制网等级
仪器
类型
标称精度
一测回
读数次数
测回数
备注
往
返
专三
TC2003
1mm+1PPm
3
4
4
各测回间应重新照准和调整光强
测 距 限 差
表五
控制网等级
一测回间读数互差(mm)
测回中数间互差(mm)
往返观测较差(mm)
备注
专三

各项限差从严选取其中误差
注：（1）往、返较差必须将斜距化算在同一水平面上方可进行比较。
（2）每测回始末，分别在测线两端点上测定温度和气压，温度数据读至0.2℃,气压数据读至0.5mb。
③ 数据记录
距离观测数据使用PC-E500袖珍计算机进行电子手簿记录，自动计算和检核观测数据，并于作业当日打印输出观测结果。
6 平面控制网的数据处理
6.1 坐标系统及起算点的引测
6.1.1 坐标系统
为了与该电站前期工作各个阶段的资料保持统一，该施工网的平面坐标系统仍采用1954年北京坐标系。
6.1.2 起算点的使用
苗家坝水电站施工测量控制网的平面起算数据选择原苗家坝坝址区GPS控制网中的M400、M401两点，并与施工测量控制网中的MS06、MS07两点构成如下图形，完成起算数据的引测，引测网网形图见图一。

已知数据
表六
点名
等级
X（m）
Y（m）
H（m）
备 注
M400
Ⅳ等
3640959.885
502639.309
720.524

M401
Ⅳ等
3641135.172
502252.388
716.521

本成果来源于我大队资料室。
引测网网形图
图一
△MS06

△MS07
△M401

△ M400
6.1.3 投影面的选择
为了限制边长投影误差，使该工程主要轴线的边长变形较小，综合考虑各单元工程所在的高程，选取各主要水工建筑物的平均高程750米作为该控制网边长的投影面高程。在平差计算时首先将该控制网的所有边长投影到750米高程面，再进行平差计算，不进行高斯投影。
6.2 外业数据的预处理
6.2.1角度观测成果的验算
角度测量结果的检验，包括测站平差、三角形闭合差的统计和计算有关角、边极条件自由项，采用三角形闭合差的符号检验法，检验方向观测值中是否存在明显的系统误差。
6.2.2 边长观测值的改化
边长的改化参数如表七。
序号
改化项目
公式及常数
1
气象改正

2
加、乘常数改正

3
平距化算（利用高差）

4
投影改正
（投影到750m高程面）

表七
式中：P——气压，mb； K、R——测距仪加、乘常数；
T——温度，℃； S斜——经第1、2项改化后的倾斜距离；
R——地球平均曲率半径取6371km； H测、H站——测站、镜站高程。
6.3 平差计算
6.3.1边角权的确定
按照边角网定权原则，采用方向中误差的先验值ma=±0.5″作为平差计算中的单位权中误差。边长观测值的中误差，按其标称精度：ms=±(1mm+1ppm×S)计算，具体定权如下：
Pi=C/m2a=m2a / m2a =1
Ps=C/m2s=0.72/（1+1×10-6×S）2
式中：ma——方向中误差的先验值，取ma=±0.5″
Pi——方向观测值的权；
Ps——边长观测值的权，单位：秒2/mm2；
ms——测距仪的标称精度，取ms=±(1mm+1ppm)。
6.3.2 控制网的平差
外业观测数据经过必要的检查和验算，做了数据预处理后，方可进行平差计算。
平差计算使用“清华山维”平差软件，按经典方法进行严密平差。该软件操作界面为流行的视窗方式，外形美观、输入简便、功能完备，适合各种类型控制网的平差计算。平差过程中，可进行观测值的可靠性分析、粗差剔除以及三角形闭合差、极条件自由项的计算等。
平差后输出的结果包括以下内容：平差后的单位权中误差、点位中误差、点位相对中误差、最弱边长相对中误差、各方向值、边长值的改正数及中误差、平差后的方向值、边长值、控制网点坐标成果。
7 高程控制网的布设
7.1 高程控制网点的选点
高程控制网点的布设主要考虑工程施工测量过程中各网点的高程引测和内业计算过程中边长化平的需要，同时考虑点位地基的稳定和便于长期保存等因素，经过实地踏勘选择合适的点位布设，对于交通不便的点位需要修筑水准观测道路。
高程控制网是水电站工程施工放样的高程基础，该项目基本高程控制网共计布设水准点18个，其中包括设置于基岩上的永久水准点6个，其余12个水准点位于各平面观测墩基座上。路线总体沿白龙江两岸布设，其布点原则以方便工程各部位施工放样和平面控制点高程联测为主要目的，并顾及到水准施测的需要，同时也要考虑点位的使用寿命，尽量选择在易长期保存的地点建造。
7.2 高程控制网点的造埋
所有永久水准点均埋设永久性水准点标志，其规格见附图3 《施工测量控制网高程桩点结构图》，在埋设时也要对点位基础进行处理，尽量埋设在基岩上或多年沉降稳定区，确保其稳定性。
7.3 高程控制网的概况
根据测区的实际地形选定的高程控制网网形图，详见附图1 《白龙江苗家坝水电站施工测量控制网布置图》。
该高程控制网分两级布设：首级由沿白龙江两岸布设的闭合水准环线（全线长度约5.2km），以及长度约3Km的支水准路线组成，全线共联测永久水准点6个，平面观测墩基座上水准点5个。二级全部为支水准路线，起点是首级中的点位，共联测7个位于平面观测墩上的水准点。
7.4 高程控制网起算点的引测
为了与前期资料在高程系统方面保持一致，同时也为了与下游已建成的碧口水电站测量资料相衔接，本高程控制网起算点选择已在前期勘测工作中使用过的国家II等水准点：武碧II15-1（高程：731.234m），以支线水准的方式纳入高程控制网，以其高程作为高程控制网的起算高程。
8 高程控制网的精度估算
高程控制网的精度估算，以附图1《白龙江苗家坝水电站施工测量控制网布置图》为依据，以国家水准点II15-1为高程起算点，用II等水准的精度进行估算。
全网的最弱点MS05距高程起算点II15-1的水准路线长度约6 km，以II等水准每公里高差偶然中误差±1.0mm推算，最弱点相对于起算点的高差中误差=±2.4mm，满足最弱点相对于起始点的高差中误差小于±2.5mm的要求，此方案可行。所以全部水准测段均按II等水准测量的精度施测。
9 高程控制网的施测要求
水准测量应采用DS05级的高精度水准仪及其附属设备测量，测段间的水准站数必须为偶数，并必须在作业前后对仪器的有关项目进行检验和校正，以保证仪器工作性能稳定、良好。
水准测量的主要观测技术要求，见表八、表九。

表八（单位：m）
等级
仪器
类型
视线
长度
前后视距差
任一测站前后
视距差累积
视线高度
（下丝读数）
II
DS1，DS05
≤50
≤1.0
≤3.0
≥0.3

表九（单位：mm）
等级
上下丝读数的均值与中丝读数之差
基辅分划
读数之差
基辅分划所
测高差之差
检测间歇点高差之差
0.5cm刻划标尺
1cm刻划标尺
II
1.5
3.0
0.4
0.6
1.0

10 高程控制网的计算
10.1 高程控制网测量的成果检验
水准测量的成果检验包括往、返观测高差不符值的计算，水准环线闭合差的计算，见表十。
表十（单位：mm）
等级
测段、区段、路线
往返测高差不符值
附合路线闭合差
环闭合差
检测已测测段高差之差
II
或
或
或
或
注：K——测段、区段或路线长度，Km;
L——附合路线长度，Km;
F——环线长度，Km;
R——检测测段长度，Km；
n——水准路线单程测站数。

10.2 高程控制网的平差计算
高程控制网的平差计算以II15-1点做为已知点，以II等水准每公里高差中误差作为单位权中误差，进行整体严密平差。使用“清华山维”平差软件，在计算机上完成。平差过程中，程序自动探测并剔除粗差值，确保平差精度最优。
平差后，打印输出以下成果：每公里单位权中误差、各测段高差中误差、各测段高差值、各点高程中误差及高程成果。
11 成果的检查验收

施工测量控制网的全部内、外业工作结束后，按照国家测绘局颁布的《测绘产品检查验收规定》，对资料进行严格的两级检查和一级验收工作。检查验收工作的项目内容参见《规定》的第4.3.4节。
两级检查分过程检查和最终检查。过程检查由作业组人员在自查互检的基础上，按照技术设计、相应的技术标准和有关的技术规定，进行100%的检查，把各类缺陷消灭在作业过程中。最终检查由本单位的质量管理部门负责实施，按合同规定和计划进行测绘资料交验。
检查中如发现有不符合有关技术要求之处，应提出处理意见，责令改正，直到检查合格为止，经最终检查后，以书面形式向业主单位申请验收，并提交最终检查报告。
验收工作由业主单位组织实施，或由其委托具有检验资格的检验机构验收，验收中在质量问题的处理上有分歧时，由生产单位的上级质量管理机构裁定，也可报各省、市测绘主管部门的质量管理机构裁定。验收完成后，由验收单位提出验收报告。
检查验收人员应认真做好检查、验收记录，并将记录随资料移交，供分级存挡。

12 工作量统计
根据本设计书要求，计划完成的工作量如下：
表十一
序号
项目名称
规格
单位
数量
备注
一
土建部分

1
修路

1-1
观测台阶
0.8m宽
m
20
岩石上
1-2
水准观测小路
1.2m宽
Km
1.0
土石小路
2
造标

2-1
观测墩
1.2m高
座
12

2-2
水准点

个
12
位于平面观测墩基座上
2-3
永久水准点

个
6
基础加固处理

二
观测部分

1
平面控制

点
12

1-1
边长

条
23
每条往返观测
1-2
方向

个
48

2
高程控制

点
18

2-1
II等水准

km
12.0

三
资料整理

1
技术设计

本
8

1
测量报告

本
8

2
其他附件

套
8
成果表等
3
观测墩附件

套
4

13 资料提交
施工测量控制网的提交资料内容如下：
① 技术设计。
② 控制网布置图。
③ 平面控制点成果表。
④ 高程控制点成果表。
⑤ 测量仪器的鉴定资料。
⑥ 土建工程竣工验收报告书。
⑦ 检查、验收报告。
⑧ 技术总结报告。
14 附图
附图1 《白龙江苗家坝水电站施工测量控制网布置图》
附图2 《施工测量控制网平面桩点结构图》
附图3 《施工测量控制网高程桩点结构图》

西北勘测设计研究院测绘工程大队
二〇〇七年二月十五日

白龙江苗家坝水电站
施工测量控制网
技 术 设 计

中国水电顾问集团西北勘测设计研究院测绘工程大队
测绘资格证书：甲测资字62001012
二○○七年三月

核 定：高建军

审 查：雷建朝

校 核：李祖锋

编 写：张景春

目 录

1 工程规模和测区概况 ………………………………………………………………(1)
2 平面控制网和高程控制网的精度指标 …………………………………………… (1)
2.1 控制网测量的作业依据………………………………………………………… (1)
2.2 控制网点的精度指标…………………………………………………………… (2)
3 平面控制网………………………………………………………………………… (2)
3.1 平面控制网的选点……………………………………………………………… (2)
3.2 平面控制网点的造埋…………………………………………………………… (2)
3.3 平面控制网的概况……………………………………………………………… (3)
4 平面控制网的优化设计…………………………………………………………… (3)
4.1 平面控制网的优化原则 ……………………………………………………… (3)
4.2平面控制网点的概略坐标 ……………………………………………………… (4)
4.3 平面控制网的优化 …………………………………………………………… (4)
5 平面控制网的施测要求…………………………………………………………… (5)
5.1 仪器的检验与校正 …………………………………………………………… (5)
5.2 平面控制网的观测 …………………………………………………………… (7)
6 平面控制网的数据处理 …………………………………………………………(9)
6.1 坐标系统及起算点的引测 ……………………………………………………(9)
6.2 外业数据的预处理………………………………………………………………(10)
6.3 平差计算 ………………………………………………………………………(11)
7 高程控制网的布设 ………………………………………………………………(12)
7.1高程控制网点的选点 ……………………………………………………………(12)
7.2 高程控制网点的造埋 …………………………………………………………(12)
7.3 高程控制网的概况 ……………………………………………………………(12)
7.4高程控制网起算点的引测 …………………………………………………… (13)
8 高程控制网的精度估算 ………………………………………………………… (13)
9 高程控制网的施测要求 ………………………………………………………… (13)
10 高程控制网的计算……………………………………………………………… (14)
10.1 高程控制网测量的成果检验………………………………………………… (14)
10.2 高程控制网的平差计算……………………………………………………… (14)
11 成果的检查验收………………………………………………………………… (15)
12 工作量统计……………………………………………………………………… (16)
13 资料提交………………………………………………………………………… (17)
14 附图……………………………………………………………………………… (17)