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摘要：云南滇中引水工程具有測區(qū)跨度長、平均海拔高、高差變化大等特點，是中國現階段規(guī)模最大的高原長距離調水工程。水利工程的施工控制網布設是工程建設的基礎和依據，施工控制網的精度直接影響到水利渠道和建筑物的測放精度。應用誤差理論分析及模擬計算方法，開展高程控制網和平面控制網的精度與等級論證研究;并通過估值計算，對滇中引水工程高程控制網的日月引力改正必要性進行分析。結果表明：滇中引水工程首級高程控制網應使用二等水準控制網，再使用三等水準控制網進行加密，不需進行高程控制網的日月引力改正;首級平面控制網應選擇國家B級GNSS網，并使用水利水電二等平面網進行加密。研究成果可為滇中引水工程測量控制系統(tǒng)的設計及建立提供了理論支撐，高精度地服務于國家重大水利工程建設。

關鍵詞：測量控制系統(tǒng); 高程控制網; 平面控制網; 測量精度; 測量等級; 滇中引水工程

中圖法分類號： P226

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.012

0引 言

云南滇中引水工程是中國在建的重點水利標志性工程，工程涉及6個市（州）35個縣（市）區(qū)。工程多年平均引水量34.03億m3，受水面積3.69萬km2，工程線路長度超過660 km，引水線路從海拔2 035 m至1 400 m，具有測區(qū)跨度長、平均海拔高、高差變化大等特點，是中國現階段規(guī)模最大的高原長距離調水工程。宏偉的工程，必須有一流的測繪保障，使沿線各設計、施工、監(jiān)理和管理單位在統(tǒng)一了精度、標準的框架控制下開展工作。而施工控制網又是測繪工作的基礎，能為工程參建各方提供統(tǒng)一的平面、高程控制基準和精度保障[1-4]。

國內外許多學者都致力于控制網優(yōu)化設計理論的研究。隨著理論研究的深入，對這項工作從不同的角度提出了各種要求，如精度指標、可靠性指標和靈敏度指標等，單純靠一種方法己經很難達到用戶的要求[5-6]。近年來隨著計算機技術的不斷發(fā)展，出現了控制網優(yōu)化設計專家系統(tǒng)，即將解析法與機器輔助設計法結合起來并運用人工智能技術，不斷地加入專家知識，完善知識庫，較全面地考慮各種指標和約束條件，利用啟發(fā)式信息加快問題求解，這也是控制網優(yōu)化設計未來的發(fā)展趨勢。

水利工程的施工控制網布設是工程建設的基礎和依據，施工控制網的精度直接影響到水利渠道和建筑物的測放精度。通常研究測量控制網結構的幾何特征以及精度預計最理想的方法是，在某個區(qū)域存在一個與設計方案相同的真值網，然后用工程所要使用的儀器和方法在該區(qū)域進行多測回觀測，將施測結果和真值進行比較，求出真誤差作為判斷和分析的依據。但是在實踐中這樣的操作費時費力，即使個別情況下能辦到也只是局部性質的，僅適用于某一具體項目，對復雜的大型工程項目更是難以完成。相比而言，使用隨機模擬的方法更適合于大型工程的控制網設計。由于控制網的測量實質也是一個隨機過程，比如測量偶然誤差就服從正態(tài)分布的，因此，可以使用模擬計算的方式，求解控制網點坐標及估算精度等，這也是較為普遍使用的工程控制網優(yōu)化設計方法。

具體針對高原地區(qū)的滇中引水工程，精度與等級論證從研究對象上可分為高程控網與平面控制網兩方面，而在控制網級別上，又可分作首級控制網和加密控制網[7-8]。因此，本文的研究包括了首級高程控制網精度與等級論證、加密高程控制網精度與等級論證、首級平面控制網精度與等級論證，以及加密平面控制網精度與等級論證。

1高程控制網的布設分析

1.1首級高程控制網的精度與等級論證

高程控制網分為首級高程控制網與加密高程控制網。應用誤差理論分析渠線高程測量誤差對縱坡的影響，可以選擇科學、合理和可行的高程測量精度和測量等級。

一般情況，當Mw取值在6～10 mm時，采用三等水準加密;當Mw取值在10～15 mm時，采用四等水準加密;Mw取值在15 mm以上時，采用五等水準加密。按表3的數值情況，當高程放樣中誤差值控制在10 mm以內時，只需采用五等水準加密;但當高程放樣中誤差值大于10 mm，特別是達到20 mm數值時，則需要采用四等水準加密。因此，四等以上的水準就能滿足加密高程控制網的精度要求。

另一方面，由于滇中引水工程的建筑物眾多，其加密高程網的布設主要為了滿足建筑物施工控制的需求。而隧洞工程約占滇中引水工程總長度的90%以上，因此需要滿足隧洞高程控制網布設要求。滇中引水工程隧洞的平均長度約為9.6 km，按照SL52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》中有關5～20 km長隧洞高程施工控制網應為二等或三等精度的要求，并考慮到分級布網的需求，建議將加密高程控制網即建筑物首級高程施工控制網的設計等級定為三等，從而滿足隧洞工程貫通及其它建筑物施工測量對地面控制網的高程精度要求[11-13]。

1.3高程控制網日月引力誤差分析

地球上任何一點的重力方向，除取決于地球內部物質的分布狀況和地球自轉所產生的離心力外，還受到日球、月球和其他天體，以及地球外部大氣層的影響。由于日月引力的作用，使地球的垂線方向產生瞬時變化，即垂線偏離效果，因而經過該點的水平面將發(fā)生同樣的傾斜變化。除此之外，由于日月引力的影響，還會產生地面變形。在精密的高程水準測量中，估計日月引力影響的改正項稱為潮汐改正。有資料表明，在極端情況下，日月引力影響每千米不超過0.1 mm，多數情況下每千米的誤差影響為0.01～0.02 mm左右。這種誤差在測段閉合差、路線閉合差和環(huán)線閉合差都得不到反映。但這種誤差在南北方向上會系統(tǒng)積累，對于中國來說，南北方向累計值可達12 cm。

滇中引水工程南北跨度約545 km，按正常情況日月引力每千米0.01～0.02 mm誤差來分析，工程累積誤差可達到5.45～10.90 mm，遠小于前面章節(jié)分析的首級高程控制網與加密高程控制網的精度要求，可忽略不計。因此，滇中引水工程可不進行日月引力改正。

2平面控制網的布設分析

隨著GNSS技術的日益普及和在測量控制中的廣泛應用，GNSS控制網越來越多地取代了測角網、邊角網以及導線網等常規(guī)控制網，加上在長江中下游基本控制及南水北調等大型工程中采用GNSS網的成功實踐，GNSS網也是滇中引水工程干渠首級平面控制網的首選。

此外，由于滇中引水工程測量控制范圍大，為防止測量誤差的積累，控制網的布設采用從整體到局部、從高級到低級逐級發(fā)展的布網方式。根據滇中引水工程的特點和管理方式，總體設計采用“一等平面控制網（骨架網）”和“二等平面控制網（平面施工網）”兩個層級，滿足SL 52-2015《水利水電施工測量規(guī)范》中平面控制網的布設等級“宜為1～2級”的要求。

2.1首級平面控制網精度與等級論證

一等平面控制網一般按40～50 km一個點進行布設，其點間距超過SL197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》和SL 52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》中最高等級的布設要求，但其點間距與GBT 18341-2016《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》中的B級網的點間距要求一致[14-15]。因此，一等平面控制網的精度等級宜選擇B級GNSS網。

選用B級GNSS網也是控制測量誤差積累的需要。滇中引水工程干渠南北跨度達約370 km，而中國天文大地控制網的一等三角鎖的鎖段長度一般為200 km，滇中引水工程首級施工控制網的南北跨度要穿越2～3個一等三角鎖。由于控制范圍大，為防止測量誤差的過多積累，根據從高級到低級，逐級布網原則，首級網要選擇高精度的網[16-18]。

其次，是保證測量精度與放樣精度的需求。按照規(guī)范要求，混凝土建筑物輪廓點放樣的平面位置中誤差為±（20～30） mm，土石料建筑物輪廓點放樣的平面位置中誤差為±（30～50） mm。滇中引水工程上眾多的建筑物是混凝土結構，要滿足建筑物輪廓點放樣的精度，對控制測量的精度比1∶500、1∶1 000測圖對控制的精度要高，測站精度應達21～35 mm。因而，從保證測量精度與放樣精度的角度，必須選精度較高的GNSS網作為首級平面控制網。

此外，首級控制網不僅要為施工測量提供控制依據，還要為工程建設期的監(jiān)理測量、竣工測量和施工、運行期的安全監(jiān)測提供統(tǒng)一的平面、高程控制基準和精度保障。干渠全線布設統(tǒng)一的B級GNSS網可以滿足不同期的各項測量項目的要求。

滇中引水工程一等平面控制網布設示意如圖1所示。按照GPS測量規(guī)范要求，結合滇中引水工程的特點，平均按40 km一點進行布設，全線布設17座一等平面控制網點。為了便于滇中引水工程坐標系與國家控制網坐標系的轉換，一等平面控制網觀測時還要聯測國家一等平面控制點和2000中國大地坐標系統(tǒng)網點，并平均分布在工程沿線。

2.2加密平面控制網等級論證及設計

根據設計，二等平面施工網最大邊長約8 km，與SL 197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》中二等平面控制網要求一致。因此，二等平面施工網的精度等級宜選擇為SL 197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》中的二等網，可滿足隧洞工程貫通及其它建筑物施工測量對地面控制網的平面精度要求。并且，為了便于滇中引水工程坐標系與國家控制網坐標系和前期勘測成果的轉換，二等平面施工網觀測時需聯測一等平面控制網點和部分前期測圖控制點。前期測圖控制點按每15～20 km選擇一點納入二等控制網中進行聯測。

由于滇中引水工程總干渠全部是建筑物頭尾相接，二等平面施工網設計既要考慮各建筑物的特點，又要考慮鄰近建筑物的銜接要求。建筑物網點設計依據以下原則進行布設：

（1） 隧洞建筑物。一般情況下，在每座隧洞的進口、出口、各支洞口（或斜井、豎井等）均布設4～5個控制點。當鄰近兩隧洞的出口與進口距離小于800 m且通視條件較好時，兩洞口整體考慮，根據現場地形條件布設4～6個控制點。

（2） 倒虹吸、暗涵建筑物。一般情況下，在其進口、出口處各布設4個控制點，當進出口與其它建筑物進出口相距在800 m以內時，與其它建筑物合并布設。

（3） 渡槽建筑物。渡槽長度小于800 m時與前后建筑物合并布設;當長度大于800 m時，根據實際情況布設控制網。

（4） 點間距要求。依據SL52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》，二等平面施工網的最短點間距不宜小于500 m，特別困難情況下不應小于200 m。

3結 語

本文針對滇中引水工程特點，系統(tǒng)性地進行了高程控制網和平面控制網的精度與等級論證。高程控制網方面，通過分析渠線高程測量誤差對縱坡的影響，以及模擬計算的結果分析，干渠首級高程控制網應使用二等水準控制網;再結合最弱點高程中誤差的分析與計算，建議使用三等水準加密高程控制網;然后通過估值計算，判定滇中引水工程不需進行高程控制網的日月引力改正。平面控制網方面，總體設計采用一等平面控制網（首級骨架網）和二等平面控制網（平面施工網）兩個層級，一等骨架網的精度等級選擇了B級GNSS網，二等平面施工網選擇了《水利水電工程測量規(guī)范》中的二等網?？傮w上，本文研究成果為滇中引水工程測量控制系統(tǒng)設計及建立提供了理論支撐，高精度地服務于國家重大水利工程建設。

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（編輯：劉 媛）