程啟明

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230022）

0 引 言

引江濟淮工程是以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展航運為主，結合農業(yè)灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境、防洪排澇等綜合利用，為跨流域、跨省的重大戰(zhàn)略性水資源配置工程。工程從長江下游引水，經巢湖穿越江淮分水嶺，向淮河中游地區(qū)補水，不僅改善皖北地區(qū)水資源緊缺狀況，還改善巢湖水生態(tài)環(huán)境、增加淮河生態(tài)基流。工程自南向北依次分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大段落。

引江濟淮工程安徽省境內輸水線路總長587.4km，沿線控制性建筑物數量多、類型廣。輸水河道分批分段施工，施工單位多，建設周期長。工程設計和施工階段，各參建單位共布設控制點約1500 余座。由于控制網來源于不同的建設單位、不同的儀器和方法、各局域網互不連通，導致控制點埋設不合理，基準不統(tǒng)一，精度不一致。基于上述情況，必須建立全線點位合理、基準兼容、精度統(tǒng)一的測量控制網，為工程建設期施工、竣工期驗收和運行期監(jiān)測提供統(tǒng)一的控制測量基準。此外,考慮到重要建筑物地區(qū)的投影變形要求, 為保證工程質量提供可靠的平面系統(tǒng)。在儀器、觀測及數據處理等方面, 充分利用先進的現(xiàn)代測繪技術和手段,以期最終實現(xiàn)施工河段精準貫通，竣工河道水勢流暢[1]。文章系統(tǒng)介紹了控制網設計方案、標石埋設、外業(yè)觀測、數據處理及精度統(tǒng)計等情況，可供類似大型水利水電工程以借鑒。

1 布網原則及方案設計

1.1 控制網布設原則

根據控制網的目的和用途，平面和高程控制網在全面控制、統(tǒng)一設計、整體實施的原則下，按高精度、可靠性、可行性、經濟性等目標優(yōu)選最佳布網方案。采取整體布局、分區(qū)分級布設，以已有成果、測區(qū)地形、交通狀況、作業(yè)效率等因素綜合考慮，優(yōu)化設計，既滿足工程不同時期建設需要，又經濟合理。

1.2 控制網方案設計

根據工程規(guī)模和線路長度，為滿足輸水河道和沿線建筑物施工對控制點的密度和精度要求，同時考慮到工程竣工驗收和運行管理階段的測量需要，確定基本平面控制等級為D 級，首級高程控制等級為二等。根據控制網設計等級和工作量，平面控制采用GNSS 測量，高程控制采用水準測量的方案。由于工程輸水線路長、控制面積大，沿線建筑物多，施工周期長，為統(tǒng)一控制基準和保證精度要求，經充分論證，選擇以下設計方案。

1.2.1 平面控制網方案設計

平面控制網分區(qū)布設?；揪W以國家B、C 級GPS 點為基準，沿工程輸水河道兩側均勻布設D 級GNSS 控制點，點間距為5km 左右。由于跨巢湖區(qū)域水面開闊，南北兩岸相距約10 ～20km，沿巢湖周邊采用C 級GNSS 控制點布設，以滿足控制網的精度要求。選取8 座樞紐及4 座重要建筑物，每處控制點增加至不少于4 個，平面精度按二等布設，對于長度投影變形值超出2.5cm/km 的測區(qū)，其平面坐標采用“一點一方向”掛靠于基本網的國家坐標系下。

C、D 級GNSS 控制網采取連續(xù)網形結構，同期同步觀測，整體數據處理。建筑物測區(qū)二等GNSS 控制網分片布網，分段觀測，分片數據處理。各等級GNSS 控制網的精度要求見表1。

表1 平面控制網精度要求

1.2.2 高程控制網方案設計

高程控制網分級布設。首級高程控制以國家一、二等水準點為基準，采用二等水準網沿輸水河道單側布設，普通標石間距為5km 左右，基本標石間距為30km 左右（即每5 座普通標石采用1 座基本標石間隔）。加密高程控制網以首級二等水準點為基準，采用三等水準測量，聯(lián)測工程范圍內所有平面控制點高程。二、三等水準高程控制網精度要求見表2。

表2 高程控制網精度要求

2 控制網實施

2.1 平面控制網測量

2.1.1 標石埋設

平面控制點位經優(yōu)化設計后， C 級GNSS 點采用混凝土預制基本標石， D 級和二等GNSS點采用混凝土預制普通標石。基本標石柱體上表 面20cm×20cm、 下 表 面40cm×40cm、 柱 高55cm，普通標石柱體上表面20cm×20cm、下表面40cm×40cm、柱高40cm。標石埋設時，底部澆筑70cm×70cm 面積、20cm 厚的混凝土底盤。

2.1.2 觀測方案

GNSS 控制網使用2.5mm+1ppm·D 精度的雙頻GNSS 接收機進行靜態(tài)組網觀測?？绯埠^(qū)域的C 級GNSS 網為增強網形結構、提高觀測精度和減小設站對中誤差，一次性采用15 臺接收機，同步觀測2 個時段，每時段觀測時長圴超過4h。D 級和二等GNSS 網，采用大地多邊形構網，其中D 級網采用12~16 臺接收機同步觀測1 個時段，觀測時長超過1h；二等GNSS 網根據15 個獨立測區(qū)的點位數量，分別采用6~8 臺接收機一次性同步觀測2 個時段，每時段觀測時長超過1.5h[2-3]。

2.1.3 GNSS 基線處理

各等級GNSS 控制網的觀測數據按單基線雙差固定解進行基線解算，解算結果對重復基線、同步環(huán)、異步環(huán)分別按表3 要求進行數據質量檢核。

表3 GNSS 控制網同步環(huán)、異步環(huán)、重復基線閉合差限差要求

上表中，n 為閉合環(huán)邊數，σ 為相應等級的相鄰點間基線精度，以平均邊長計算（下同）。

C 級網重復基線最大互差為6.7mm，同步環(huán)坐標分量最大閉合差為34.2mm，異步環(huán)坐標分量最大閉合差為40.5mm。D 級網蜀山泵站樞紐以南分區(qū)的重復基線最大互差為11.9mm，同步環(huán)坐標分量最大閉合差為36.5mm，異步環(huán)坐標分量最大閉合差為88.9mm；蜀山泵站樞紐以北分區(qū)的重復基線最大互差為11.0mm，同步環(huán)坐標分量最大閉合差為20.2mm，異步環(huán)坐標分量最大閉合差為31.9mm。GNSS 控制網基線三項檢核精度均滿足上述限差要求。

2.1.4 GNSS 網平差

GNSS 控制網先進行三維無約束平差，再在國家坐標系下進行二維約束平差。無約束平差的基線分量改正數絕對值需滿足公式（1）的要求，約束平差的基線分量改正數與無約束平差結果的同一基線，相應改正數較差的絕對值需滿足公式（2）的要求。

工程C、D 級網無約束平差后的三維坐標分量改正數均小于1/3 限差。

本工程C 級網共聯(lián)測1 個B 級GPS 點和2 個C 級GPS 點，D 級網共聯(lián)測24 個C 級GPS 點。二維約束平差時，為了檢核聯(lián)測國家GPS 點位的精度，在最終平差方案確定前先采用不同的聯(lián)測點組合方案進行試算，并將平差結果與已知成果進行比較并分析，逐步剔除點位位移較大的已知聯(lián)測點，以獲得最佳的二維約束平差方案。經平差后，C 級網最大點位中誤差為7.9mm，D 級網蜀山泵站樞紐以南分區(qū)最大點位中誤差為9.2mm，蜀山泵站樞紐以北分區(qū)最大點位中誤差為18.5mm。

工程樞紐及重要建筑物測區(qū)二等GNSS控制網，為滿足控制點間投影邊長變形值不大于2.5cm/km的要求，經計算兆河節(jié)制樞紐、鳳凰頸引江樞紐、龍德閘、朱集站測區(qū)的邊長變形值大于此值?？刂凭W在國家坐標系下平差后，以測區(qū)內一點的坐標為起算點，該點至另一點的方位角為起算方向，邊長不進行高斯投影改正（選擇一條起始邊，投影至測區(qū)中央子午線），選擇測區(qū)的平均高程面作為邊長投影面，進行掛靠國家坐標系的計算[4-5]。

2.2 高程控制網測量

2.2.1 二等水準點埋設

二等水準點位經優(yōu)化設計后，采用混凝土預制基本和普通兩種標石。標石為長方體柱形，截面20cm×20cm、柱高120cm。標石埋設時，上部嵌入預制窨井并加蓋標志盤，基本標石底部澆筑120cm×120cm 面積、20cm 厚的混凝土底盤，普通標石底部澆筑60cm×60cm 面積、20cm 厚的混凝土底盤。

(1)屋蓋桁架在場館外進行吊裝。該工程結構新穎，其支撐設計、桁架安裝過程節(jié)點選擇、桿件應力與應變控制、主桁架高空拼裝和58 m超長桁架吊裝技術，均需進行嚴密的驗算。

2.2.2 水準觀測方案

二、三等水準使用0.3mm 精度的數字水準儀及其配套銦鋼條碼尺觀測。二等水準線路在巢湖南岸的引江濟巢菜子湖線、西兆河線以及明渠段交匯處設置結點，向南沿菜子湖線和西兆河線各布設一條水準線路，向北沿明渠至江淮溝通和江水北送段連通成水準線路。

二等水準采用單程往返觀測，由于線路經過的淮河水面平均寬度超過350m，在此處采用三角高程跨河水準測量，在跨河處兩岸建立A、B 和C、D 四個臨時觀測點，同岸之間的觀測點高差采用水準觀測，不同岸之間的高差使用全站儀三角高程觀測。

三等水準采用單程雙轉點觀測，兩組轉點尺承放置距離≥0.5m，高差不超過10cm，依次觀測左、右路線。

2.2.3 外業(yè)數據處理和計算

水準測量外業(yè)觀測數據，筆者基于VSTO 開發(fā)了水準測量數據處理系統(tǒng)進行處理和計算。

每一測段完成后，處理系統(tǒng)需要人工干預填入準確的起終點名、觀測日期、氣象元素，將儀器（天寶和徠卡水準儀）記錄的文本文件轉換為包含往返測（或左右路線）的水準觀測手簿Excel 文件。通過讀取水準線路文件夾下的所有測段觀測手簿文件，根據所有測段點名自動生成線路的測段小結，并計算往返測不符值及其限差。然后讀取線路的測段小結數據，形成外業(yè)高差和概略高程表。

外業(yè)高差和概略高程表引入所有水準點大地坐標和起終點高程后，進行各項改正數處理。根據需要，處理系統(tǒng)可人工選取并納入相鄰線路的測段小結文件，進行每千米水準測量偶然中誤差的計算。

2.2.4 已知點穩(wěn)定性及兼容性分析

以二等或三等水準往返觀測已知水準點間高差進行檢測，已知水準點檢測結果見表4。

表4 已知水準點檢測結果

根據檢測結果分析，Ⅱ江左Ⅰ-110＇、Ⅱ江左Ⅰ-111(75)、Ⅱ江左Ⅰ-127＇(75)三點不穩(wěn)定，Ⅱ六合12 與Ⅱ六合13-1 兩點穩(wěn)定，Ⅰ信懷75 與Ⅰ信懷76 兩點穩(wěn)定，Ⅰ信懷77(06)點穩(wěn)定性較差，Ⅱ亳太8 與Ⅱ亳太11 兩點較為穩(wěn)定，Ⅱ亳太9 穩(wěn)定性較差。

將經過改正后的水準線路觀測高差與已知點按附合線路計算，高程系統(tǒng)兼容性分析結果見表5。

表5 已知水準點高程系統(tǒng)兼容性分析結果

根據計算結果分析，水準點亳太5 與其他水準點存在明顯的系統(tǒng)兼容差。信懷線與六合線水準點系統(tǒng)吻合度較好，但是信懷線與阜蒙線、亳太線水準點均存在系統(tǒng)兼容差且超過線路限差，故二等水準網采用Ⅱ江左Ⅰ-128＇(75)、軍新22、六合13-1、六合12、阜蒙16 以及亳太11 作為起算點。

2.2.5 水準測量精度評定

二等水準測量194 個測段，往返測不符值最大為-7.54mm。不符值<1/3 限差的測段占總測段的79.4%，介于限差1/3~1/2 的測段占總測段18.0%，介于限差1/2~3/4 的測段占總測段的2.6%。每千米水準測量偶然中誤差介于±0.52~±0.57mm，滿足規(guī)范±1mm 要求。

三等水準測量382 個測段，左右路線不符值最大為12.2mm。不符值<1/3 限差的測段占總測段的95.5%，介于限差1/3~1/2 的測段占總測段0.5%。每千米水準測量偶然中誤差介于±0.46~±0.63mm，滿足規(guī)范±3mm 要求。

2.2.6 水準網平差

二等水準網長江西路以南有3 條附合線路，線路總長362km，平差后單位權中誤差為1.6mm，最弱點高程中誤差為11.7mm。長江西路以北有2 條附合線路和1 個閉合環(huán)，線路總長436km，平差后單位權中誤差為2.2mm，最弱點高程中誤差為17.7mm。

三等水準網長江西路以南有41 條附合線路，線路總長706km，平差后單位權中誤差為 3.2mm，最弱點高程中誤差為13.3mm。長江西路以北有50條附合線路，線路總長約774km，平差后單位權中誤差為2.7mm，最弱點高程中誤差為18.8mm。

3 結 語

引江濟淮工程惠及安慶、蕪湖、合肥、六安、淮南、阜陽和亳州7 個市，工程等級高，路線復雜，建筑物多，工程量大。安徽段控制網通過合理的技術方案設計，采用先進的測量技術、規(guī)范的作業(yè)程序以及嚴格的質量控制，無論是平面還是高程網，在觀測數據質量合格前提下，通過聯(lián)測已知點的比選，合理確立平差模型，從而獲得質量優(yōu)、精度高的結果數據。工程布設的平面和高程控制網，為工程建設、竣工驗收和運行管理提供了基準統(tǒng)一的平面和高程成果，同時也為大型水利水電工程高等級控制網的建立積累了經驗。