全站仪圆弧参考线测量在南水北调工程中的应用探讨

张广军 ZHANG Guang-jun

（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering of KUST，Kunming 650093，China）

0 引言

南水北调工程是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程，是跨世纪的宏伟工程。该工程意义重大，主要分为东线、西线和中线三条调水线路，中线工程取水口在汉江丹江口水库，经陶岔渠首闸（河南淅川县），沿豫西南唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到终点北京。主要向河南、河北、天津、北京4省市沿线的20余座城市供水[1]。

1 参考线测量概念

1.1 所谓圆弧参考线测量，就是运用全站仪内的固有程序，用不同的方法，定义一条圆弧，然后建站，实际测量出实时点位相对于已确定圆弧线的相对关系，指导持镜者移动目标到要放样的点位处，如下图所示，其起点为P1，终点为P2，然后在实地测量出目标点与该圆弧的相对关系，即该目标点O沿圆弧法线方向与圆弧相交于点A,直线OA的长度为O/S，在弧P1P2左侧为负，反之为正；而交点A到该弧起点P1的弧长为Sta，该值表示了交点到起点P1的弧长，在P1到P2方向上为正，反之为负。如图1所示。

图1

图2

1.2 圆弧参考线的定义方法 定义一段圆弧，在已知起点坐标和切线方位角前提下，主要有以下三种方法，其一，已知终点坐标和切线方位角；其二，已知圆弧半径和终点切线方位角；其三，已知圆弧半径和弧长，如图2、图3所示。

2 工程实例

图3

2.1 工程概况 界河渠道倒虹吸延长工程位于河北省满城县尉公村北1KM处，是南水北调中线京石段应急供水工程总干渠穿越界河的大型河渠交叉建筑物。由于某些特殊原因，该工程是在原来闸室和管身段的基础上进行改建的，在原来位置向下游方向移动一段距离，属于改建工程，主要由管身段、出口闸室段及出口渐变段等组成，包括管身236.554m，其中包括直线水平管段161.554m，弯道水平管段45m，出口折线斜管段30m三段，出口闸室20m和出口渐变段75m，该工程起终点轴线总长度为331.554m。平面图如图4。

从127+221.254～127+391.254位于半径R=500m的圆弧上，直圆点里程为127+221.033，渐变段里程为127+316.254～127+391.254，该段长75m。包括水平折线转弯段45m及折线转弯斜管段30m，共分17节，每节长6.554～15m不等。两孔一联，每孔净尺寸为6.5m*6.5m，顶板、中墙、边墙厚度为 1m，底板厚 1.1m[2]。

2.2 数据准备

表1 定义圆弧参考线所用原始数据

以上数据均由设计图纸上直接读取，并且经过计算核实无误，可以直接使用。

2.3 实地测量放样

2.3.1 自由设站 由于施工现场条件复杂，各工序交叉作业，相互干扰，因此，在野外作业必须快速、准确、安全，随测随检，保证数据正确性，杜绝错误的发生给工程带来的巨大损失。仪器建站最好在方便地方用后方交会法自由设站，当只有两个已知点做后方交会时，为了保证交会精度，交会角度最好在30°～150°之间，可以检核交会计算后的残差，如果残差较大，则必须重新建站，检查数据的正确性，建站成功后界面显示如图5所示。

2.3.2 圆弧定义 在上图1、图2中输入相应的数据，在图3中选3定义该圆弧，半径（逆时针方向）R=-500m，弧长170m，计算后其他曲线元素自动求出与已知数据进行检核，确认无误继续放样工作。

图5

2.3.3 管节中边桩放样 由于从曲线起点开始每节长度不等，可以根据每节长度在底板上定出每管节两端中心点位置并作标记，再根据左右两孔边桩到渠道轴线宽度d=6.5+1.0+0.5=8.0m，可以放样出每个管节两端左右边桩。由于曲线半径较大，每个管节长度最大为15米左右，经过计算得知，在该弧段上弦长与弧长差值极小，完全可以满足施工规范要求。每管节轴线连线为一折线，管节端点均在圆弧上。

2.4 精度检核 由于圆弧参考线方法测量得到的中边桩均相对于圆弧作参照，而每管节中边桩连线为弦长，必然涉及到弧长与弦长之间的差值问题，以下进行逐一检核：

在圆弧上，每个管节中心线所对弧长L1=15.0000m；弧长所对圆心角 A=(15/500)*180/π=1°43′7.97″，相应弦长为L2=14.9994m，△L=L1-L2=0.6mm。

在圆弧内侧，弧长为N1=A*π/180*(R-d)=14.7600m，相对应弦长N2=2*(R-d)*sin(A/2)=14.7595m，△N=N1-N2=0.5mm。

在圆弧外侧，弧长为W1=A*π/180*(R+d)=15.2401m，相对应弦长W2=2*(R+d)*sin(A/2)=15.2395m，△W=W1-W2=0.6mm。

管道轴线左右侧弧长之差：△B1=W1-N1=0.4801m，管道轴线左右侧弦长之差：△B2=W2-N2=0.4800m。由以上计算得知，在该圆弧上完全可以用弧长代替弦长放样管节轴线，以及左右管节的边桩，从而满足施工规范的要求，当用全站仪放样完每个管节的中边桩后，可以用钢尺检核每管节左右侧长度之差是否满足下式：△B2=W2-N2=0.4800m作为检核条件。

3 结论

①充分利用和开发全站仪中的固有程序的功能，不但可以大大提高工作效率，减轻外业的劳动强度，而且可以用不同的测量方法来进行外业数据的相互检核，提高测量工作的准确度，起到事半功倍之效果，该法快速准确，值得借鉴。②每种测量方法的初次使用，必须在经过严密计算和确认无误后，才可以应用到实际工作中去，保证所放样点位的准确性，否则会给工程建设带来灾难性的损失。③在实际工作中，理论与实际相结合，不但可以提高测量工作者的外业水平，而且可以节约时间提高工作效率，给其他工种的作业提供宝贵的时间，为提前完成工程量提供技术保障。

[1]张广军，彭阳华.扭坡放样在南水北调中线工程中的应用探讨[J].科技创新与应用，2013.

[2]武庆安.界河渠道倒虹吸对军事设施影响的处理方案[J].水科学与工程技术，2010（6）.

[3]Nikon-Trimble Co.Ltd.尼康全站仪使用说明书.