基于案例的跨河水准测量分析研究

鲁远杰

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006）

跨河测准对水工跨河工程的设计、施工和运营安全监控具有基础性和关键性的技术和经济决策参考作用，是工程重要的技术环节。本文基于案例工程实用场地，采用实地实验测量及数据比对分析的方式，对水工跨河测准课题开展分析研究。

1 案例工程概况

某水电工程系具有日调节能力的径流引水调节式中型水电工程，属混凝土重力坝类型。总库容112.1×l04m3，常规蓄水位1117.5 m。装配水轮混流发电机组，单机额定38 MW，总装机计76 MW。按洪水30 年一遇设计工程防冲消能标准，工程防泄洪设计标准以百年一遇的洪峰标准设计。

由挡水建筑、泄水建筑和取水建筑综合构成工程枢纽首部。其中挡水建筑基本呈直线序列沿坝体轴线有序配置。工程取水口布置于右岸非溢流坝段的中上游部位，配备有砂土拦阻结构和进水控制闸。在左岸的非溢流坝段的上游区域，设计筑建有库区挡墙。工程的非溢流坝段的最大高度14.55 m，建基面最低点高程在1103.51 m。工程的泄洪冲沙闸所在坝段的坝高最大值约18.3 m，建基面最低点高程约在1103.05 m。泄洪冲沙闸段坝长为90 m。工程的右岸非溢流坝段基本长度值为14.75 m，工程左岸的非溢流坝段区域基本长度为8.68 m[1]。

为了把握工程运行状态和及时发现异常情况，采取措施保障闸坝正常安全运行，工程管理部门依据测控网所提供的高度和坐标，坚持实施工程外部形变持续监测。因为大坝地处具有500 m 海拔的山区，GPS 信号应用经常受到一定程度局限。因为坐落于左右两岸的混凝土坝均仍属较窄坝体范畴，一般跨河测准很难在前后视距等同布配标准下标准立杆或者架站测量，并且水准点很难躲避高大建筑物的遮挡，难以实现长距离通视观测条件。因此，测控网核校工作在本工程测量中尤其成为技术重点和现实应用课题。为实现精准测控，本研究选取工程“人工湖小桥”作为跨河测量段落，选取A、B 两点作为水准点，其水平距离值取跟对岸须给与核校的测控网两点的距离取值大体等同。两点的水平距离与需要核校的对岸两点的距离大概等同。

2 三种方法跨河测准所得数据的整理分析

2.1 一般的（前后视距相等）测准法布测所得数据

沿测准点A 所在的混凝土路，经过小桥到对岸B 测准点，以前后视距等同的方式布设测准线路，其布测简图见图1，测得成果数据整理具体见表1。

图1 一般测准法布测简图

表1 一般跨河测准所得数据表

基于视距前后等同的段落非闭合段落一般测准高差值往返不符数据见表2。

表2 段落非闭合一般测准高差值往返不符数据表

每公里的一般测准偶然中误差MΔ计算公式：MΔ=公式中n 为测量区段数；R 系测量区段的长度（km）；Δ 为测量区段往返测高差的不符值（mm）。参考表2中的测量数据，基于上述公式可以推算出一般测准的偶然公里中误差值是0.44 mm，此与《国家一、二等水准测量规范》公里中误差1.00 mm 的标准相符合。表明水准测量在非闭合各测段均达到国家二等以上水准精度[2]。

基于视距前后等同的段落闭合段落一般测准高差值往返不符数据表见表3。

表3 往返测水准闭合段落高差值不符统计表

每公里的一般测准全中误差MW计算公式：公式中N 是水准环数；F 系水准环线的周长，km；W 为经改正的环线闭合差，mm。参考表3 往返测水准闭合段落高差值不符统计数据，基于上述公式可以推算出一般测准的全中公里误差值为0.78 mm，此误差值跟国家一等和二等测准规范的全中公里误差≤2.00 mm 基本相符合。这样的测算结果表明，全闭合段落一般测准的准确性基本达到了国家二等以上的测准精度，一般测准的外业观测精度基本是可靠的。

2.2 改进的（前后视距不等）测准法布测所得数据

前述测准线路是基于前后视距等同的方式布设，改进的测准线路布设方式是以前后视距不等的方式来确定测准线路，所得测量成果见表4。

表4 改进一般跨河测准所得数据表

基于视距前后不等布配条件的非闭合段落往返测准高差不符值统计见表5。

表5 非闭合段落往返测准高差不符值统计表

参考表5 中的非闭合段落往返测准高差不符值统计，根据上节每公里的一般测偶然中误差计算公式，可以推算出一般测准的公里偶然中误差值是0.76 mm，这个结果跟国家一、二等测准规范的公里中误差值≤1.00 mm 的标准属于符合范畴。表明水准测量在非闭合各测段均达到国家二等以上水准精度[3]。

基于视距前后不等布配条件的闭合段落往返测准高差不符值统计见表6。

表6 闭合段落往返测准高差不符值统计表

参考表6 中的闭合段落往返测准高差不符值，根据上节的每公里一般测准全中误差计算公式，可以推算出一般测准的偶然全中公里误差值是1.52 mm，这个结果跟国家一、二等测准规范的公里中误差值≤2.00 mm 的标准属于符合范畴。表明全闭合段落水准测量达到国家二等以上的测量精度水准，意味外业测量结果是精度可靠的。

2.3 全站仪三角高度法布测所得数据

图2 全站仪三角法高度布测例图

测得成果数据整理具体见表7。

表7 基于全站仪三角法的跨河高度测准数据表

（1）基于全站仪三角法的跨河高度测准精度统计，具体见表8。

表8 三角法的跨河高度测准精度统计表

（2）本研究所应用的外业验算相对简单，即在观测段落段的高差得到合格验算后，跨河测准借助全站仪三角高度法实施，借助所测得的高差基本数据，通过公式推算出闭合环线的水准差W1值。

W1=hAD+hDB+hBC+hCA=0.04843-0.60957-0.39795+0.96011=1.02 mm

以借助电子水准仪测知的同岸近距高差替代借助全站仪直接测知的高差，并推算其闭合环线水准差W2值。

满足国家二等以上水准精度。此法所测得的测点A、B 间高差可以作为一般改进水准测量方法的精度比对参照。

3 三种方法跨河测准结果的比对分析

将三种跨河测准法所得的测量数据进行总体比对，得到数据列见表9。

表9 三种观测方法数据比对一览

一般水准法是精度相对高的一种经典测量方法，是高精度水准测定和国家控测网复测常用的基本方法。分析视距前后不等状态的改进一般水准法的精度和可靠性时，把一般水准法测值当作标准值进行比对分析。与标准值相比，A、B 两点经改进一般水准法所测得的高差存在0.60 mm 的互差，但其值小于基于一等水准测量所得的1.21 mm 限差。与标准值相比，A、B 两点经全站仪三角高度法所测得的高差存在2.17 mm 的互差，但其值介于基于一二等水准测量所得的限差之间[4]。由此可知：在跨河测准精度上，改进一般水准法要稍强于全站仪三角高度法。分析原因主要有以下几点：

（1）全站仪三角法误差控制要求较多，控制难度相对大。最难于把控的一项误差来自大气折光影响误差。尽管科技工作者不断推进克服大气折光误差影响的诸多方法，但时下还未能给出一个普遍认同适用的基本计算公式。没有经典的大气折光应用常数，这直接影响到全站仪三角法的测量精度实现。

（2）跨河测准采用视距前后不等的测点布配方法，能够一定程度消除了仪器i 角以及地球曲率对误差控制的影响，此与一般跨河测准所能消除的误差影响差不多。通过视距前后不等的测点布配方法控制误差可以实现一般跨河测准的精度，可见，基于视距前后不等的测点布配方法的改进一般跨河测准，其精度完全能够达到一般跨河测准的精度。

（3）尽管可以选用对向观测或是往返观测，对于源自地球曲率或大气折光的影响，全站仪三角法只能降低影响，而无法完全消除影响。全站仪三角法的环境影响误差显然不可能低于改进一般跨河测准法源自环境的误差影响。

（4）测边误差影响全站仪三角法测量精度，尽管现代科技比如测距仪，让测边误差越来越小，但终归不能完全克服测边误差。实际操作中，只能加增对向观测和测回，以平均值控制降低边长误差。受垂直角误差的影响，全站仪三角法测角误差基本与所对应的边距呈正比加增关系，角误差对测度的影响相对大于边长误差，所以测量中要严格测定垂直角[5]。

4 结语

本文基于案例工程实用场地，采用实地实验测量及数据比对分析的方式，对水工跨河测准课题开展了分析研究。主要收获：（1）基于一般测准法、改进一般水准法和站仪三角高度法，对案例工程开展了跨河测准操作；（2）基于三种方法，获得和整理分析了测量所得数据；（3）对三种方法跨河测准结果开展了比对分析；（4）得出三种方法跨河测准其精度均完全胜任国标二等以上测定标准，但在精度上是一般测准法优于改进一般水准法，改进一般水准法优于三角高度法。