王 兵，徐紅剛，賀昌海，劉 全

(1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610081)

水上測量定位一般應(yīng)用于海洋、湖泊、水庫等的水下地形測量，海道、河道及疏浚工程的測量與導(dǎo)航定位中，與陸地上的靜止測量不同，由于測量點在水上很難完全保持靜態(tài)，因此是一種實時動態(tài)定位測量[1]。現(xiàn)代測量技術(shù)主要有：光學定位、無線電定位、以衛(wèi)星定位為代表的新型無線電定位、水下聲學定位及組合定位測量技術(shù)等[2]。隨著多星群全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域正經(jīng)歷著巨大的變化。北斗、Galileo、GLONASS、GPS四大系統(tǒng)的全面發(fā)展，將給科學和工程應(yīng)用帶來巨大的機遇和挑戰(zhàn)[3]。衛(wèi)星定位目前主要采用GPS定位，而RTK技術(shù)更是一場技術(shù)革命，以其快速、高精度和勞動強度低等優(yōu)勢在近年的工程測量中應(yīng)用廣泛[4]。特別是在水利工程方面，如進行水下地形、航道測量[5]，海堤工程地形測量，河流綜合治理工程地形測量[6]等。組合定位將幾種定位方法組合進行測量作業(yè)，相互補償，互相校核，提高定位精度。

1 工程概況

塔貝拉水電站是巴基斯坦開發(fā)印度河干流的一座綜合利用水利樞紐工程，具有灌溉、發(fā)電、防洪等效益。塔貝拉壩位于拉瓦爾品第西北約64 km，壩系斜心墻土石壩，是世界上已建填筑量最大的土石壩。工程于1968年開工，1976年正式蓄水發(fā)電。右岸布置4條隧洞，原設(shè)計1、2號隧洞用于發(fā)電，3、4號隧洞用于灌溉。建成后經(jīng)過三次擴建，裝機容量達3 478 MW(1992年)，為巴基斯坦提供16%的電力供應(yīng)。近年來巴國經(jīng)濟快速發(fā)展，為緩解電力缺口，同時減少對進口能源的依賴，改善電力結(jié)構(gòu)，巴基斯坦水電開發(fā)署將塔貝拉水電站第四期擴建項目作為優(yōu)先開展的低成本發(fā)電戰(zhàn)略項目。

四期工程通過將右岸的4號灌溉引水洞改為發(fā)電引水洞，新建裝機1 410 MW，使塔貝拉水電站裝機總?cè)萘窟_4 888 MW。4號灌溉引水洞的改造工程要求先將2套疊梁門吊入取水口門槽完成封堵。取水口距庫區(qū)陸地水平距離約200 m，無固定(或陸上)平臺可供安設(shè)吊裝設(shè)備，因此須采用水上吊裝方式；而門槽位于庫區(qū)水位下100～120 m處，近100 m無導(dǎo)軌，且門槽導(dǎo)槽容差僅±30 cm。為了確保疊梁門吊入門槽內(nèi)并避免疊梁門擱淺在門槽上方或卡槽等不利狀況出現(xiàn)，需在吊裝過程中對疊梁門進行精確定位。然而深水庫區(qū)下能見度低且無自然光、無通視條件，不具備水面光學觀測監(jiān)控條件；深水中無GPS信號，不具備遙測條件；若采用水下聲學定位，則定位精度難以保障。

根據(jù)上述特點，采用將水下定位轉(zhuǎn)化為水面定位的方法，即通過對疊梁門運吊裝一體化平臺的位置調(diào)整下放疊梁門在水中的位置，確保疊梁門精確入槽，避免疊梁門擱淺在門槽上方或卡槽等不利狀況。然而疊梁門槽正上方庫水面開闊，吊裝平臺必然受水面風浪影響，從而使疊梁門在吊裝過程中隨平臺發(fā)生擺動；隧洞軸線距離僅96.7和144.6 m的1、2號洞仍在引水，水庫層流影響明顯，吊裝區(qū)水流條件復(fù)雜，閘門自由度大，吊裝過程歷時較長，須多次重定位，定位精度要求高、難度大。針對這一難題，必須構(gòu)建一套疊梁門吊裝平臺快速高精度水上測量的技術(shù)方案。

2 方案選擇與分析

綜合考慮塔貝拉水電站現(xiàn)場施工條件和設(shè)備采購、運輸條件等因素，疊梁門吊裝測量定位主要考慮以下幾種技術(shù)方案。

2.1 全站儀

全站儀(Electronic Total Station)，是一種集光、機、電為一體的高科技測量儀器，是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。

全站儀選點與布點靈活、地形適應(yīng)性強、測量精度達亞毫米級，在交通工程、建筑工程、測繪工程、水利工程等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，是目前最為常用的測量儀器[7]。

疊梁門吊裝位置處于開闊的庫水面上，受風浪和平臺上吊裝作業(yè)的影響，平臺自身穩(wěn)固性較低，且在運吊裝過程中需進行多次測量與校核，因此使用全站儀定位測量耗時較長；同時庫區(qū)水面蒸汽將直接影響測量的精度。

2.2 GPS-RTK系統(tǒng)

RTK(Real Time Kinematic)也即實時動態(tài)測量，是基于載波相位觀測值的一種GPS實時定位測量技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維坐標。在測站穩(wěn)定、測量時間較長的條件下，可以達到毫米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息傳遞給流動站。流動站接收來自基準站的數(shù)據(jù)，同時采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，解算整周模糊度未知數(shù)，從而得出定位結(jié)果[8]。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)，利用RTK技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)測量。

GPS-RTK具有操作簡便快捷、自動化程度高、直觀、實時性強而極大提高作業(yè)效率、定位精度較高、不受天氣與通視條件的限制等優(yōu)點[9]。但是，由于GPS-RTK測量屬于無線電遙測技術(shù)，在無線電信號干擾區(qū)，其測量穩(wěn)定性和誤差均受影響。

由于在庫區(qū)水面上對吊裝進行定位，流動站的位置不斷變化，坐標解算是動態(tài)的，存在系統(tǒng)誤差，降低了測量精度。大面積水面將對電磁波信號產(chǎn)生強反射作用，使得天線同時接收有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號和從水面反射的電磁波信號，這兩種信號疊加形成的觀測量，將對定位結(jié)果產(chǎn)生影響，也即多路徑誤差。在高反射環(huán)境下多路徑誤差可達10 cm 以上，嚴重時可引起GPS信號失鎖，對GPS-RTK測量精度產(chǎn)生嚴重影響[10]。

2.3 GPS-RTK聯(lián)合全站儀的組合動態(tài)測量技術(shù)

目前，GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的模式在道路工程、油田工程及數(shù)字測圖等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與肯定。在水利工程中，GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)多用于地形測圖，如渭河干流綜合整治工程數(shù)字地形采集[11]、羅家店水電站庫區(qū)地形測量[12]、潮白河斷面測量[13]等均采用這種組合模式。而在水上高精度定位控制方面的應(yīng)用則較罕見。用GPS-RTK施測寬闊地帶的放樣點，而在GPS-RTK失鎖或定位精度要求高的情況下，用全站儀施測。兩種測量技術(shù)相得益彰，實時和高精度優(yōu)勢兼得；既避免了GPS-RTK測量中部分情況下的精度欠缺，又避免了全站儀放樣的低效，有效地提高了作業(yè)效率。

上述3種測量方案運用于本次水上疊梁門吊裝施工中，其技術(shù)指標及比較如表1所示。

表1 各測量定位方案技術(shù)指標及比較Tab.1 Technical indicators and comparison of the surveying positioning schemes

綜上所述，GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的組合動態(tài)測量技術(shù)在本次疊梁門吊裝平臺快速高精度水上定位測量中優(yōu)勢明顯。與“南海一號”打撈定位所采用的超短基線水下定位系統(tǒng)[14]相比，本技術(shù)所需相關(guān)儀器設(shè)備較為常用、成本較低、經(jīng)濟合理，因此選用此方案。

由于目前的GPS-RTK遙測技術(shù)和全站儀光學測量技術(shù)主要應(yīng)用在陸地測量，需要針對水上施工平臺，建立測量周期短、可靠性強、精度高的水上吊裝定位測量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of surveying system

3 GPS-RTK與全站儀聯(lián)合測量定位

3.1 選用和布設(shè)合適的GPS- RTK平面控制網(wǎng)點

根據(jù)施工現(xiàn)場的作業(yè)范圍和環(huán)境，以及測量需求，遠離無線電干擾源，在4號引水洞進口附近陸地或上游進水口圍堰上選取已知點，建立坐標參考基準站。

3.2 GPS- RTK流動站布置

疊梁門運吊裝一體化平臺的定位要求疊梁門起吊中心線與進水口門槽中心線重合，因此吊裝平臺上至少需要設(shè)兩個流動站。

考慮GPS流動站與起吊點在吊裝平臺上的相對位置關(guān)系，為方便測出的GPS坐標數(shù)據(jù)能直觀地指導(dǎo)錨定系統(tǒng)調(diào)整吊裝平臺，實現(xiàn)高精度快速定位；同時考慮不影響水上吊裝施工，選取吊裝平臺長度方向的兩個角點架設(shè)流動站，如圖2所示。兩角點的位置即為根據(jù)門槽平面坐標換算出的疊梁門起吊與門槽對位時的控制點。

3.3 全站儀測控網(wǎng)的布置

為滿足全站儀通視性的需求，避免障礙物遮擋影響通視性等問題，提高測量效率，在右岸和上游圍堰開闊處分別選取1個已知坐標點安置全站儀；在浮箱平臺上靠近下游一側(cè)兩角點設(shè)置測站點放置棱鏡，根據(jù)全站儀顯示的角度和距離參數(shù)，控制疊梁門吊裝平臺的位置和方向，如圖3所示。

圖3 全站儀與吊裝平臺測控網(wǎng)布置圖Fig.3 The survey and control network between Electronic Total Stations and lifting platform

3.4 測量定位實施效果

庫區(qū)4號隧洞取水口疊梁門吊裝采用整套運輸、逐節(jié)吊裝的方式，將疊梁門的4節(jié)門葉安裝到100 m深水下的門槽內(nèi)。如圖4所示，首先，在岸邊用汽車吊將一套4節(jié)疊梁門裝載到疊梁門運吊裝一體化平臺上，用駁船驅(qū)動浮箱平臺至安裝區(qū)域附近并進行錨定。測量人員利用平臺上已安裝的GPS接收機讀取坐標信息，指揮平臺的移動和方向調(diào)整，至疊梁門槽頂部附近。再使用岸邊全站儀分別對平臺上的2個測站點進行測量復(fù)核，根據(jù)屏幕顯示的數(shù)據(jù)對平臺的方位進行微調(diào)，GPS-RTK輔助，直至平臺上的吊點中心與疊梁門門槽中心線重合且方向一致。通過浮箱平臺上的吊孔，利用門機將疊梁門吊入水中，直至其底部距門槽入口0.5 m時停止。再次利用測量系統(tǒng)對平臺和疊梁門姿態(tài)進行測控，使疊梁門起吊操控中心線與門槽中心線重合，繼續(xù)下放疊梁門至門槽底部。如法，完成其他門葉及另一套疊梁門吊裝。

圖4 GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)流程圖Fig.4 Flow chart of GPS-RTK and Electronic Total Stations combined operation

采用上述測量定位方案，工程于2014年12月成功吊裝2套、共8節(jié)疊梁門。每節(jié)疊梁門吊裝循環(huán)大約耗時2 h。由于全站儀與GPS-RTK聯(lián)合作業(yè)效率高，定位測量精度高，吊裝過程進展順利，未發(fā)生疊梁門擱淺在門槽上方及卡槽等不利狀況。

之后，在GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的定位測量條件下，又對兩套疊梁門進行了一次起吊出槽、改造并再次吊裝入槽的操作。起吊出槽和再次吊裝入槽過程順利，作業(yè)嫻熟高效。

4 結(jié) 語

本工程百米級深水高精度疊梁門無導(dǎo)軌吊裝作業(yè)，在水面無定位參考、水面風浪、水下層流等不利條件下，主要依靠水面的疊梁門運吊裝一體化平臺解決定位問題。研究采用GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的測量定位手段，完成了兩套疊梁門的兩輪吊裝作業(yè)。在深水庫區(qū)吊裝定位現(xiàn)有文獻資料中，鮮見GPS-RTK聯(lián)合全站儀測量定位的應(yīng)用，本工程尚屬首次應(yīng)用。本水面測量方案測量效率與成本兼顧，可操作性強，便于工期控制，具有良好的經(jīng)濟效益，可為庫區(qū)水上和水下定位提供參考。

□

[1] 黃炎梁．GPS水上定位測量原理與應(yīng)用[J]．測繪通報，1995，41(2)：22-23．

[2] 李冰皓，白 濤，謝寶童，等．GPS RTK在水下地形測量中導(dǎo)航定位的應(yīng)用[J]．北京測繪，2000，14(3)：9-11．

[3] Li Xingxing, Zhang Xiaohong, Ren Xiaodong, et al．Precise positioning with current multi-constellation Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou[J/OL]．Sci Rep, 2015,(5)：8 328．

[4] 劉小玲．RTK技術(shù)在控制測量中的應(yīng)用[J]．中國農(nóng)村水利水電，2007，(5)：133-135．

[5] 劉 勇，袁希平，趙京黔．GPS-RTK技術(shù)在水下地形測量中應(yīng)用研究[J]．昆明理工大學學報(理工版)，2006，31(2)：19-22．

[6] 張金城，薛志導(dǎo)．RTK動態(tài)測量在水利工程測量中的應(yīng)用[J]．黑龍江科技信息，2011，15(10)：5．

[7] 王 剛．全站儀結(jié)構(gòu)原理與發(fā)展分析[J]．現(xiàn)代物業(yè)·新建設(shè)，2013，12(10)：34-36．

[8] 徐紹銓．GPS測量原理及應(yīng)用[M]．武漢:武漢大學出版社，2003．

[9] 杜珍應(yīng)．GPS RTK技術(shù)在水利工程控制測量中的精度分析[J]．煤炭技術(shù)，2007，26(5)：118-119．

[10] 陳俊林．GPS-RTK在常規(guī)控制測量中的精度及可靠性分析[J]．測繪與空間地理信息，2011，34(5)：95-98．

[11] 史曉峰．陜西渭河干流綜合整治工程RTK結(jié)合全站儀數(shù)字測繪工序研究[J]．陜西水利，2012，81(4)：167-168．

[12] 宋師珍，夢 瑩，謝 家．在羅家店水電站測量中RTK配合全站儀的測量應(yīng)用[J]．黑龍江水利科技，2011，39(4)：141-142．

[13] 王 杰，姜景鑫．RTK配合全站儀在潮白河斷面測量中的應(yīng)用[J]．價值工程，2014，33(31)：97-98．

[14] 隋海琛，楊 鯤，張彥昌，等．“南海一號”打撈過程中的水下定位和姿態(tài)檢測[J]．水道港口，2009，30(2)：139-142．