三角高程在山区送变电大型土石方工程中的应用★

王旭东 宋华松 谷玉宝

(国网安徽省电力有限公司建设分公司,安徽 合肥 230031)

土石方量是竖向规划或调整的重要依据，直接关系到工程造价。如何准确、快速的确定土石方工程中的平衡标高、土石方量，直接关系到施工进度的掌握、工程量的计算和资金的结算。设计计算土石方量，必须借助勘测设备，经过一定的数据采集方法获得的项目所在现场地形数据和相应的地质资料，经过适当的计算模型，计算获得既定场地平整方案的土石填挖方量。要保证土石方工程中土石方量计算准确，除了计算模型使用正确外，更重要的是要保证参与计算的基础地形数据，能够较为准确的反映实际的地面起伏状态[1]。

1 工程背景

2015年12月，国家发改委核准了国家电网公司大型工程项目“±1 100 kV准东(昌吉)—皖南(古泉)特高压直流工程”。该工程项目是目前世界上电压等级最高的特高压直流输电工程。工程总投资407亿元，于2016年3月开工建设，于2018年建成投运。“±1 100 kV古泉换流站工程”作为子工程，位于上述“特高压直流工程”的受端，工程项目地址位于安徽省宣城市敬亭山地区(如图1所示)，低海拔，起伏大，地形地貌复杂，植被茂密，常年覆盖，属于典型的皖南山区地形。工程项目场区面积近38 hm2，平均标高74 m，高低差最大处近38 m。

工程土石方算量是一个涉及多个影响因素的复杂问题，无法做到事前精确计算。对设计时计算的土石方量与施工实际产生土石方量之间的误差比例，当前没有规范统一规定。不同工程依据惯例或经验，有的允许10%～20%的误差，要求严格的则提高到5%。然而就是严格到5%的误差，对于一些大型的土石方工程，工程费用的偏差也都是可观的[2，3]。以本项目为例，根据工程设计方提供的“站区土方初平图”上数据，站区面积37.663 hm2(565亩)，设计挖方总量为124.5万m3，填方总量为129.6万m3[4]，按5%的允许误差计算，误差挖方总方量6.2万m3，误差填方总方量6.5万m3，工程费用偏差可能达几百万元。此外，设计与实际土石方量的偏差过大，在影响工程进度和资金预算的同时，可能还会受到工程项目当地的土地资源和林业生态保护影响，无论余土外运还是购土回填，都相当困难。因此，选择一种适合工程现场的地形数据采集方案，实现对复杂地形地貌条件下大型土石方工程量精确测量及计算，显得迫切而必要。

2 方案选择

当前可用于大型土石方工程地形数据采集的方法有：地形图数字化法、光电几何量测定位法、GNSS卫星定位、三维激光扫描法、倾斜摄影测量。表1从经济成本、采集速度、数据精度等方面对各种数据采集方法及各自特性进行了简要比较[5]。

表1 地形数据采集方法及各自特性一览表

由表1可知，地形数据的各种采集方法都有各自的优点、缺点和适用范围，因此选择土石方地形数据采集的方法，要从目的需求、精度要求、设备条件、经费条件等方面考虑选择。工程项目位于皖南山区，植被茂密，常年覆盖，“GNSS卫星定位法”“三维激光扫描法”和“倾斜摄影测量法”不能很好的去除植被覆盖的影响，无法采用。“地形图数字化法”精度较低，达不到提高土石方量计算精度的要求，只有“光电几何量测定位法”适合本项目工程的需要。所谓“光电几何量测定位法”，即采用电子全站仪获取平面坐标，采用水准仪(电子或光学)获取水准高程或采用电子全站仪获取三角高程，从而获取项目场区三维空间数据的一种全野外数字化量测定位方法。电子全站仪采集平面坐标的精度，在1 km2范围内，量测精度可以非常容易的控制在5 cm以内，满足项目土石方量算精度的要求。因此平面维度的数据采集方案选用电子全站仪获取，无需讨论。要使采集的空间数据满足工程项目的土石方计算精度要求，重点是要保证高程数据满足精度要求。表2列出了高程误差对工程项目土石方计算误差的安排影响情况。

表2 高程误差对本工程项目土方量计算误差的影响情况表

由表2可知，高程中误差只要控制在20 cm以内，本项目土石方计算相对误差即可控制在5%以内，如果高程中误差能控制在5 cm内，则土石方计算相对误差可控制在2%以内。采用电子水准仪或光学水准仪以水准测量的方式获取测点的高程值，量测精度也可以非常容易控制在5 cm以内，但是效率低下，尤其是在山区，万不得已不会采用。采用电子全站仪以三角高程测量方法获取点位的高程值，同一台设备可以同时获取点位的平面坐标值，即采用电子全站仪可以同时采集点位的三维空间数据，相比采用“电子全站仪获取平面坐标+水准仪获取高程”的方法，效率要高很多。问题的关键是三角高程测量方法受大气折光、地球曲率以及山区高程异常的影响较为显著，在具体的工程项目场区内应用，是否能达到指定量测精度要求，需要现场实验加以验证。

3 现场实验验证与数据分析

依据表1,表2，为验证使用测角精度±2 s，测距精度±(2+2 ppm·D)mm的普通电子全站仪，在不加球气差改正，未采用对向观测的情况下，通过三角高程测量方法采集项目场区的高程值，高程中误差能否达到5 cm以内的精度要求，在项目场区西北角选择了一块面积151.7亩(占场区总面积的1/4多)，包含场区最大高低差37.628 m的典型区域(如图2所示)，并在实验区域内均匀布设了G01～G10等10个验证点(如图3所示)。

按“G08→G01→G02→G03→G10→G08→G07→G06→G05→G09→G04→G03”的测量顺序，布设成水准网(如图4所示)，采用四等水准测量技术方案[6]，采集水准测量数据，经严密平差，获得验证点的平差高程值(如表3所示)。

表3 验证点水准测量成果表

由表3结果数据可知，G01～G10的平差高程值中误差都在毫米级别，可以作为三角高程测量所得成果的比对参考值。

根据现场验证点通视条件，选择G01，G03，G06和G09作为测站点，架设电子全站仪(如图5所示)，采用三角高程测量方法采集G01～G10的高程值作为比对值，比对结果见表4。

表4 全站仪三角高程与水准高程比对成果表

从表4中可知，三角高程值与水准高程值较差绝对值最大为45.3 mm(G09),最小11.6 mm(G05)，优于50 mm的设定验证目标。

在实验结果的指导下，项目场区采用测角精度±2 s，测距精度±(2+2 ppm·D)mm的普通电子全站仪，在不加球气差改正，未采用对向观测的情况下，通过三角高程测量方法采集了项目场区地形特征点的三维空间数据，通过专门的土石方量计算软件，计算出项目场区设计标高，以及填方和挖方总量。经后期施工结果对比验证，实际填挖总量与设计值较差小于1万m3，较好的实现了植被覆盖茂密的山区大型土石方工程的土石方精确量算，减少了无谓的余土外运或购土回填，缩短了工期，提升了经济效益。

4 结语

山区送变电大型土石方工程，尤其是以皖南为代表的植被茂密覆盖，无法采用卫星定位方法获取地形数据的地区，可以采用基于“光电几何量测原理”的三角高程测量方法，采用普通的电子全站仪，在不加球气差改正，未采用对向观测的情况下，通过三角高程测量方法采集点位空间数据，高程中误差可以控制在5 cm以内，设计土石方量和实际产生土石方量误差比例可以控制在5%以内，理想状态下可达2%，可有效的减少余土外运或购土回填情况发生，提升工程项目经济效益。