魯修澤 中國水利水電第七工程局有限公司第一分局 620860

淺談施工坐標(biāo)在立洲水電站的應(yīng)用

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工程施工中常因遇到不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，增加了施工施測的難度。為了解決類似問題，結(jié)合實(shí)際工作就坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法和施工坐標(biāo)的應(yīng)用做了簡單的介紹以達(dá)到簡化施工施測的目的。

坐標(biāo)系；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；施工坐標(biāo)；編程；立洲水電站

1.引言

水利工程形式多樣，在具體的測量放線過程中，我們發(fā)現(xiàn)：每個(gè)建筑物開始施工時(shí)，業(yè)主除提供2～3個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)外，建筑物的軸線上還提供兩個(gè)點(diǎn)的大地坐標(biāo)。依據(jù)控制點(diǎn)測放軸線上兩點(diǎn)比較簡單，可是測放出這兩個(gè)軸線上的點(diǎn)后，再進(jìn)行細(xì)部測放，就必須依據(jù)細(xì)部點(diǎn)到軸線上點(diǎn)的方位角和距離推算出細(xì)部點(diǎn)的坐標(biāo)才能測放，比較繁瑣。特別是涉及大壩邊坡的超欠挖問題時(shí)，邊坡點(diǎn)距軸線的距離隨著高程的變化而變化，非常難以掌握。為此，針對建筑物細(xì)部尺寸點(diǎn)與軸線垂直或平行的特點(diǎn)，我們在具體工作中采用了與大地坐標(biāo)、建筑物相對應(yīng)的，僅供施工用的施工坐標(biāo)。這樣一來，一切困難就都應(yīng)刃而解了。

2.工程概述

立洲水電站壩址區(qū)位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)博科鄉(xiāng)下游立洲巖子至八科索橋2.4km的河段，電站采用混合式開發(fā)，推薦樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸地下長引水隧洞及右岸龔家溝地面廠房組成。

正常蓄水位2088 m，最大壩高132 m（不包括墊座），電站裝機(jī)三臺，另壩后有一臺生態(tài)機(jī)組，多年平均發(fā)電量為15.35億 kw h，水庫總庫容1.897億 m3，正常蓄水位以下庫容1.787億 m3，調(diào)節(jié)庫容0.82億 m3，具有季調(diào)節(jié)性能，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量355 MW，兼顧下游生態(tài)用水。工程等別為二等，工程規(guī)模為大（2）型工程，擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等主要建筑物為2級建筑物。

3.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

工程施工坐標(biāo)系統(tǒng)是為總平面設(shè)計(jì)而確定的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)軸的方向與設(shè)計(jì)建筑物的方向平行，坐標(biāo)原點(diǎn)虛設(shè)在總平面圖西南角而使建筑物的坐標(biāo)為正值。國家大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)是進(jìn)行國家大地測量或城市勘測設(shè)計(jì)所采用的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。在工程放樣過程中因測量條件、設(shè)計(jì)要求、工程特點(diǎn)，為了利用兩個(gè)不同坐標(biāo)的測量成果，往往需要進(jìn)行施工獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)與大地測量系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換。

圖1 施工坐標(biāo)系

如圖1所示，在地形圖上，建筑物ABCD位置已確定，A、B為其軸線方向上兩點(diǎn)，圖解出它們的坐標(biāo)并反算出方位角 /。將AB方向作為施工坐標(biāo)系的X（或Y）方向，再在適當(dāng)位置取一點(diǎn)作為施工坐標(biāo)系的原點(diǎn)，通常取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，然后根據(jù)AB的設(shè)計(jì)距離，計(jì)算B點(diǎn)的施工坐標(biāo)。

施工坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式:

式中，X0，Y0為施工坐標(biāo)系原點(diǎn)在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，R0為施工坐標(biāo)系統(tǒng)A軸正方向與測量坐標(biāo)系統(tǒng)X軸正方向的夾角。

在實(shí)際運(yùn)用中如果一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的計(jì)算不僅計(jì)算量大，而且用時(shí)較長、容易出錯?？梢赃x用小巧玲瓏、便于攜帶和方便使用的CASIO fx-4800p編程計(jì)算器有針對性的進(jìn)行編程，達(dá)到快速計(jì)算的效果。

具體程序如下：

（說明：K=1運(yùn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)施工坐標(biāo)，K=2運(yùn)行施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)大地坐標(biāo)；A:坐標(biāo)方位角；

X，Y：轉(zhuǎn)換點(diǎn)坐標(biāo)；E，F(xiàn)：所建坐標(biāo)系原點(diǎn)；C，D：轉(zhuǎn)換后點(diǎn)坐標(biāo)）

施工坐標(biāo)在各項(xiàng)水利工程中都能很廣泛的應(yīng)用，但應(yīng)注意：同一個(gè)控制點(diǎn)在不同的建筑物施工坐標(biāo)系中有不同的施工坐標(biāo)，要注意區(qū)別使用。全站儀測量時(shí)，顯示的N、E、Z值，在不同的建筑物施工坐標(biāo)系中也有不同的意義。下面就以施工坐標(biāo)在立洲水電站中的應(yīng)用為例，來體會施工坐標(biāo)的靈活性和實(shí)用性。

圖2 立洲水電站EL2210馬道

4.施工坐標(biāo)的應(yīng)用

4.1 邊坡超欠

以立洲水電站EL2210馬道為例，左岸壩肩馬道寬4.5 m，右岸寬3.0 m,以1：0.1的坡比進(jìn)行開挖，平面圖如圖2所示。

已知馬道上各控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)（見表1），實(shí)測一點(diǎn)P，判斷P點(diǎn)的超欠挖情況。以K3為原點(diǎn)，K4為方向點(diǎn)建立施工坐標(biāo)系（如圖3所示），靠河邊側(cè)為Y軸正方向，利用坐標(biāo)反算算出K3到K4的坐標(biāo)方位角及平距S，再依據(jù)實(shí)測點(diǎn)P的X、Y值運(yùn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，判斷是否在K3到K4邊坡及馬道范圍內(nèi)。如不在，則轉(zhuǎn)至上一馬道或下一馬道。

圖3 K3—K4施工坐標(biāo)系

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)表

亦可事先將測站點(diǎn)坐標(biāo)與后視點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到所建施工坐標(biāo)系中，則實(shí)測點(diǎn)P的坐標(biāo)為施工坐標(biāo)，然后依據(jù)施工坐標(biāo)判斷邊坡超欠挖。具體選用方法以現(xiàn)場實(shí)際情況而定。

例：

①實(shí)測點(diǎn)P的大地坐標(biāo)為：

②算得K3到K4的坐標(biāo)方位角為：

③平距為：

④轉(zhuǎn)換到K3—K4施工坐標(biāo)系后P點(diǎn)的施工坐標(biāo)為：

⑤根據(jù)設(shè)計(jì)馬道寬和邊坡坡比，由P點(diǎn)高程算得此高程處點(diǎn)的設(shè)計(jì)居中即Y值應(yīng)為：

⑥將算出的設(shè)計(jì)居中值與施工坐標(biāo)系中的Y值作比較，便可知道實(shí)測點(diǎn)的超欠挖情況，此例中P點(diǎn)超挖6公分。

4.2 臨時(shí)走索

木里河河流流向由S21°W轉(zhuǎn)S25°E，左岸臨河坡頂高程2687 m，河床高程1986 m，坡高700 m左右；右岸臨河坡頂高程3292 m，坡高約1300 m。壩址河谷斷面呈“V”或“U”型，在不同高程上形態(tài)有較大差異，2150 m高程以下河谷較為狹窄，河谷寬20～150 m，左岸自然邊坡坡角約67°，右岸75°；2150～2220 m高程坡度稍緩，自然坡度40～50°；2220 m以上坡度變陡，自然坡度在55°以上。

前期準(zhǔn)備過程中，要在大壩左右兩岸安裝臨時(shí)走索，并檢測、調(diào)試臨時(shí)走索弧垂，使其滿足設(shè)計(jì)施工要求。臨時(shí)走索弧垂可以理解為以錨索為支持物而懸掛起來的呈弧形的曲線，走索上任一點(diǎn)至兩端懸掛點(diǎn)連線的鉛垂距離，即為走索該點(diǎn)的弧垂。如圖4所示，用f表示。

圖4 臨時(shí)走索示意圖

選一觀測條件較好的地方，任意架站，測出錨索端A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)及高程，利用坐標(biāo)反算算出A、B兩點(diǎn)間的平距SAB及坐標(biāo)方位角AB，計(jì)算出A、B兩點(diǎn)間的高差△HAB，然后便可得到與水平方向的夾角θAB。

以A點(diǎn)為原點(diǎn)，B點(diǎn)為方向點(diǎn)建立施工坐標(biāo)系，將走索上實(shí)測點(diǎn)P（X0、Y0、H）轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)P（X、Y、H）。因河谷內(nèi)風(fēng)較大，走索不穩(wěn)定，需根據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值Y判斷所測點(diǎn)P是否在走索上，若Y＝0則開始計(jì)算其弧垂。

4.3 洞室開挖

為方便洞室開挖，施工放樣時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，采用施工坐標(biāo)。即將立洲水電站雅礱江坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以洞室中心線為施工坐標(biāo)系X軸，前進(jìn)方向?yàn)樽鴺?biāo)軸正方向；隧洞軸線的法線為Y軸，以前進(jìn)方向右手側(cè)為Y軸正方向，以隧洞進(jìn)口0+000作為施工坐標(biāo)原點(diǎn)的施工坐標(biāo)系。

測放時(shí)，測站控制點(diǎn)和后視控制點(diǎn)全部輸入以此坐標(biāo)系換算的施工坐標(biāo)，全站儀測量顯示值N、E、Z就分別表示該點(diǎn)與進(jìn)口的距離、與洞軸線的距離和高程。該點(diǎn)的樁號結(jié)合隧洞進(jìn)口樁號和N值求得。

現(xiàn)以右岸2＃交通洞為例進(jìn)行說明,控制點(diǎn)坐標(biāo)見表2。

表2 2#交通洞控制點(diǎn)坐標(biāo)表

對于Y1→Y2段，以Y1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y2為方向點(diǎn)建立施工坐標(biāo)系，隨開挖掘進(jìn)沿洞壁布設(shè)施工導(dǎo)線控制點(diǎn)，如A、B兩點(diǎn)，利用A、B兩點(diǎn)進(jìn)行施工放樣。對于Y2→Y4段，其原點(diǎn)及坐標(biāo)方位角均已發(fā)生改變，此時(shí)需將Y1→Y2的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為Y2→Y4的坐標(biāo)系，之前布設(shè)的施工導(dǎo)線點(diǎn)A、B的坐標(biāo)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

建立Y2→Y4的坐標(biāo)系，算出Y1→Y2的距離S，則新原點(diǎn)的施工坐標(biāo)為（-S，0），運(yùn)行施工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)大地坐標(biāo)系程序，便可算出新原點(diǎn)的大地坐標(biāo)。在Y1→Y2坐標(biāo)系中算出A、B兩點(diǎn)的大地坐標(biāo)，然后再轉(zhuǎn)換到Y(jié)2→Y4坐標(biāo)系中算出其施工坐標(biāo)A′、B′，便可用于以后Y2→Y4段的施工放樣中。求新原點(diǎn)大地坐標(biāo)時(shí)，亦可算出Y4→Y2的坐標(biāo)方位角與Y1→Y2的距離，然后利用坐標(biāo)正算公式求的。

測收隧洞斷面時(shí)，固定住所測點(diǎn)的E值為0，前后移動棱鏡，依次測得各點(diǎn)的N值、Z值，即可得到縱斷面；而依據(jù)N值得到所測點(diǎn)的樁號，依據(jù)所測洞壁上點(diǎn)的E值、Z值，就可得到隧洞的橫斷面了。

5.結(jié)語

在立洲水電站施工放樣過程中，依據(jù)圖紙的設(shè)計(jì)參數(shù)信息，適時(shí)的使用施工坐標(biāo)，同時(shí)合理的運(yùn)用CASIOfx一4850P計(jì)算器可以簡化和減少施工難度，不僅觀測數(shù)據(jù)形象直觀，更可直接利用觀測數(shù)據(jù)反映超欠挖情況，提高了放樣的速度，達(dá)到事半功倍的效果。筆者認(rèn)為施工坐標(biāo)的使用可在類似工程施工中作為參考和推廣。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.028