華能青居水電站工程廠房施工控制網(wǎng)優(yōu)化設計與實踐

華能青居水電站工程廠房施工控制網(wǎng)優(yōu)化設計與實踐摘要:青居水電站廠房工程由進水渠、前池、廠房、尾水渠等4個部分組成.在首級施工控制網(wǎng)密度或精度等因素不能滿足工程施工需要的前提下，有必要對工程施工控制網(wǎng)進行加密或新建，根據(jù)工程實際情況盡可能對布網(wǎng)方案進行優(yōu)化，通過精度分析、測量、平差，最終建立一個即能滿足施工要求，又經(jīng)濟、合理的施工控制網(wǎng)，然而，控制測量在布網(wǎng)、測量、平差等諸多環(huán)節(jié)和因素上，我們?nèi)绾谓Y合水利水電工程施工的特點、結合工程實際情況，重點把應把握哪些環(huán)節(jié)和因素，通過該工程施工控制網(wǎng)測量的全過程，探討工程施工控制網(wǎng)的優(yōu)化設計方法，及其一般規(guī)律。關鍵詞：施工控制網(wǎng)；優(yōu)化設計；精度分析；測量平差；青居電站工程概況四川華能青居水電站位于四川南充市高坪區(qū)青居鎮(zhèn)境內(nèi)的嘉陵江十流上，是嘉陵江十流蒼溪至合川河段十三級開發(fā)中的第十個梯級電站.該工程是以發(fā)電為主，兼有航運效益的綜合利用工程。青居電站工程由攔河閘壩、廠區(qū)樞紐、船閘等建筑組成，電站總裝機容量為128MW.廠房工程主要項目有引水渠、前池、主副廠房、升壓站、尾水渠等水工建筑物.引水渠長490m，寬度為45?96.3m，主廠房裝有4x32MW貫流式機組，其長x寬x高為84mx71.7mx49m，其主要水工建筑物施工面積不小于3.5萬m2，最大開挖高差65.5m.工程施工控制網(wǎng)情況2.1地形概況：青居電站是嘉陵江梯級開發(fā)的一座中型水利水電工程?測區(qū)東西兩側(cè)為嘉陵江，內(nèi)側(cè)江岸山涯陡峭，外側(cè)江岸沙灘平緩，相對高差達一百米以上，植被茂盛，場填人口稠密，屬于比較困難類別。2.2平面控制網(wǎng)：平面控制網(wǎng)采用兩級布網(wǎng)，首級網(wǎng)為III等三角邊角網(wǎng)，控制整個水利樞紐建筑物，共布設10個點，點位均遠離施工區(qū)域，標石采用混凝土觀測墩，上部均安置強制對中基座，加密網(wǎng)為W等點組成兩條附合導線，附合到I等邊角網(wǎng)上，其編號為青電W01至青電W10，標石采用現(xiàn)場澆筑混凝土的地面標.如圖1（控制網(wǎng)布置示圖）。2.3廠區(qū)樞紐可用網(wǎng)點現(xiàn)況：廠房工程區(qū)域共有3個W等導線點，經(jīng)前期開挖爆破施工后僅剩下1個W-07平面控制點，根本無法滿足工程施工的要求，急需新建廠房工程施工控制網(wǎng)，確保廠區(qū)工程施工順利進行。廠區(qū)控制網(wǎng)優(yōu)化設計方案3.1可利用布網(wǎng)的III等控制點地理位置分析經(jīng)現(xiàn)場踏勘，青電I-06、青電I-08，在廠房區(qū)域通視情況較好，青電IIL07雖然距引水渠進口段較近，但山上植被茂密，幾乎無法通視，青電I-02,雖在引水渠進口段可以通視，但其位于東側(cè)嘉陵江的右岸，且距離較遠，其它III等點距廠區(qū)較遠，也不能通視，因此，布設廠區(qū)施工控制網(wǎng)可利用的控制點僅為111-06、III-08、III-02三點.3.2預布控制網(wǎng)點的密度的確定3.2.1放樣精度分析全站儀的全面普及使得極坐標放樣和坐標趨近法放樣成為工程放樣方法的主流，其特點是：靈活、便捷、快速、精度高等優(yōu)點，現(xiàn)僅分析極坐標放樣的精度(坐標趨近法基本與其相同)。極坐標法放樣在不考慮對中、標高誤差及起始點誤差情況下，主要放樣數(shù)據(jù)有兩個：一個是角度。，一個是長度s。具體詳見圖2。見圖2極坐標放樣精度示意圖當放樣或觀測角度P含有誤差士mpi時，則使p點產(chǎn)生橫向位移土△】，該誤差偶然誤差，位移值與s大小有關，即△1=±m(xù)°/p"s它偏離AP方向左或右，與P角相應的共軛直徑方向為A1A2，與AP平行的兩條直線，它與AP的間隔為△】.當放樣觀測長度含有誤差土ms時，產(chǎn)生縱向位移±^2即△2=±m(xù)s相應的共軛半徑方向為c1c2，它與AP垂直，兩條平行線到cl、c2之間隔為^2。以點位中誤差公式表示為(1)其中：（2）（3）a、b分別為測距儀固定誤差與比例誤差，為方向中誤差，以標稱精度2”、3+2ppm全站儀為例，按⑴、⑵、⑶計算s分別為20m、200m、500m、1000m、2000m時，放樣的點位中誤差，p〃=206265，計算結果見表1。表1極坐標放樣距離與點位中誤差關系表3.2.2控制網(wǎng)點個數(shù)確定：施工控制網(wǎng)控制點的密度（即控制點的個數(shù)）在工程施工控制網(wǎng)設計時占重要地位，密度過大，雖然對施工放樣、測量便利，但同時也增加了選點難度，且網(wǎng)型復雜、控制網(wǎng)精度低，內(nèi)、外業(yè)工作量大等，不利因素；密度過小，滿足不了工程放樣要求，還要進行二級加密。因此，合理地選擇其密度，不僅能減少內(nèi)、外業(yè)工作量，同時也能使控制網(wǎng)容易達到相應的精度要求?？刂凭W(wǎng)點的密度（個數(shù)）的確定，主要考慮在單一控制點上在保證施工放樣精度前提下，其所能控制施工區(qū)域的面積（A）。設廠區(qū)施工面積為Q，則控制點個數(shù)N=Q/A，為此，有必要分析施工放樣的精度，用以確定A值。由表1可知，放樣邊長即使達到1公里，理論上也能保證放樣精度，但考慮氣象、成像、對中等各項誤差影響，取s<250m時，對放線精度有保證。設單一控制網(wǎng)點，以極坐標法放樣可控制角度為90°，半徑為s=250m的扇形面積時，該面積為：A=ns2=x3.14x2502=4.9萬m2廠區(qū)概略施工面積Q=35萬m2，則N=35/4.9=7.1，即預布控制網(wǎng)點個數(shù)不應小于7個，方能滿足工程施工放樣、定線等測量任務的需求.3.3控制網(wǎng)的精度要求.依照廠房設計要求，廠房建筑物的輪廓點的平面點位中誤差<±20mm（相對鄰邊基本控制點）.而輪廓點的點位誤差大小取決于放樣精度和控制點精度，現(xiàn)就控制點精度作如下分析：設控制點的中誤差為m1,放樣誤差m2則放樣點的中誤差為3.3-1顯然m1<m2則m1/m2<1將3.3-1式展開為級數(shù)，并略去高次項，則有：3.3-2欲使控制網(wǎng)點的誤差對放樣點位影響可以忽略（僅占總誤差的10%）,則僅即與3.3-2聯(lián)解，得m1~0.4m取放樣點中誤差m<±20mm，則按控制點中誤差要求為m1=0.4m<±8mm假設控制點的平均邊長為250?400米，由此可推出施工控制網(wǎng)的最弱邊相對中誤差應滿足1/3.12萬。3.4選點與布網(wǎng)青居水電站廠房工程施工區(qū)域?qū)侏M長地帶，主要建筑物集中在廠房84mx71.7mx49m區(qū)域，地形復雜，通視困難施工干擾大，給選點帶來了不少困難，根據(jù)上面求得的控制網(wǎng)個數(shù)N不少于7個的原則，初步在現(xiàn)場選定8個控制點，（選點時應注意有一定層次），編號左岸s2、s4、s6右岸s1、s3、s5、sW-07、s9,電111-6、III-8作為起算條件，與以上各點夠成一個導線閉合環(huán)（見圖3）（施工控制網(wǎng)布置圖）由外業(yè)測得各控制點的概略坐標、及概略高程（見表2）。計算出各邊概略值及概略導線總長，為估算控制網(wǎng)精度作準備。表2青居廠房工程施工控制網(wǎng)概坐標及概略邊長一覽表3.5控制網(wǎng)精度優(yōu)化控制網(wǎng)精度優(yōu)化時，應先固定觀測值精度，對選取的網(wǎng)點觀測所有可能的邊和方向指標，若質(zhì)量偏低，則必須提高觀測精度。在某一組先驗精度下，若網(wǎng)的質(zhì)量指標偏高了，這時可按觀測值指標R，刪減觀測值，R太大，說明該觀測值顯得多余，應刪去；若R很小，則觀測值精度不宜增加，這種觀測值的方法，是從“密”到“疏”，從“肥”到“瘦”的優(yōu)化策略，從這種優(yōu)化的整個過程來看，是一種逐次漸近一種方法，在沒有較好的優(yōu)化軟件前提下很難完成的，故在估算控制網(wǎng)精度時，選用考慮平差后，該導線網(wǎng)最弱點點位中誤差及邊長相對精度，是否滿足該控制網(wǎng)的精度要求。顯然，最弱點即為該導線網(wǎng)中點。公式為：閉合導線平差后上點縱向誤差(t)t=3.5-1(2)閉合導線平差后中點橫向中誤差(Q|i=3.5-2(3)閉合導線中點中位中誤差mm=3.5-3其中：n為導線邊數(shù)；ms為邊長測量中誤差；入為測距系統(tǒng)誤差；1為導線全長，，為導線的平均邊長，m。為測角中誤差，p〃=206265由表2和圖3不難得到，L=2.3公里，s=255米，n=9，平工地使用儀器為瑞士Leac302全站儀，測角標稱精度2〃，測距3+2.sppm,取公里單位權測距中誤差ms=3.6mm，由測距基線檢驗誤差值X=2mm，設定外業(yè)觀測按W等導線網(wǎng)精度進行觀測，則m。=2.5〃，按上述三式求得導線網(wǎng)最弱點(中點)中誤差為：t=±5.87(mm)p=±7.1(mm)m=±9.2(mm)則邊長相對精度約為1/2.77萬，控制網(wǎng)的最弱邊相對中誤差應滿足1/3.12萬，雖然比較接近，但仍不能保證精度要求，故在外業(yè)觀測時做如下設計：(一)、水平角觀測水平角觀測測回數(shù)仍按W導線網(wǎng)精度要求，設定為6個測回，但在觀測方法上選用三聯(lián)腳架法左、右角全圓方向法.（二）、天頂距及邊長觀測天頂距觀測增加到4測回，邊長往返測由2測回增加至4測回.（三）各項限差按文獻①中三等導線網(wǎng)測量技術要求執(zhí)行。具體要求如表如表3、表4。表3水平角方向觀測法技術要求表4測距作業(yè)技術要求3.6坐標系統(tǒng)與投影帶面的選擇坐標系統(tǒng)與投影帶面與III等邊角網(wǎng)保持一致，即選用獨立坐標系統(tǒng)，邊長歸算至260m廠區(qū)平均高程面上。其中大氣折光系數(shù)k=0.13,廠區(qū)地球曲率半徑R=6367960m。該網(wǎng)不需作專項設計，在其它工程施工控制網(wǎng)中，應結合工程實際情況，經(jīng)計算后，合理地對其做出選擇。施工控制網(wǎng)施測結果4.1外業(yè)觀測精度共觀測水平角10個，邊長9個，觀測數(shù)據(jù)見表5（邊長已經(jīng)氣象、加乘常數(shù)、傾斜投影改正后）（一）測角中誤差：（二）邊長對向觀測平均值中誤差:mD=±4.2平差與精度評定在沒有平差程序下，條件平差雖然在法方程解算上較間接平差容易，但不易求得各點的點位誤差及誤差橢圓參數(shù)，故本網(wǎng)采用嚴密間接平差，利用office中的Execl電子表格的計算功能，直接解算出來各點的協(xié)因數(shù)陣Qx,求得各點位中誤差，見表6。表6導線平差各待定點精度成果表單位權中誤差m0=1.03〃，導線閉合差=-5.68〃縱坐標閉合差fx=-7.472(mm)橫坐標閉合差fy=2.586(mm)導線全長相對閉合差1/23.4萬控制網(wǎng)設計最弱點中誤差為±8mm，最弱邊長相對精度1/3.12萬，實際最弱點中誤差僅為3.92mm，最弱邊長相對精度1/3.77萬，整個導線網(wǎng)在沒有大量增加勞動強度和經(jīng)濟指標的情況下，不僅滿足優(yōu)