GPS与EDM导线在小型水电站工程中的应用

摘　要：随着水电工程的不断增加，测量工作也日益显得重要，如何采取合适的测量方法，确保测量工作准确、无误，这对于水电工程建设起着非常重要的作用。本文笔者根据多年的测量工作经验，简要介绍用GPS与EDM导线建立地面控制网的几种常用且有效的方法。

关键词：小型水电站；控制测量；方法
小型水电站根据布置方式不同可分为三种形式：坝后式、引水式以及混合式。坝后式电站大多位于水流平缓的地方，属于低水头大流量型的电站，建设工程主要由大坝主体以及坝后的厂房和库区组成，并没有增设引水系统，这种形式的大坝在施工测量时没有技术难点，在坝址上建立测量所需的控制网后就可以进行具体的测量工作；但引水式和混合式电站却属于高水头的形式，除了具有坝后式电站所拥有的设施外，还需要建设引水隧洞以及压力管道等。对于这类电站普遍采用GPS和全站仪导线相结合的方法进行测量。针对不同的工程布置形式，选择合适的方法。对于提高测量的准确性是非常重要的，而这也间接影响了水电站的施工质量，所以应格外重视。
1.小型水电站的特点及主要测量工作
　　在水电站的分类中，一般将装机容量在5000 kw以下的称为小型水电站。小型水电站建设施工主要包括：拦水坝、引水洞(支洞)、压力管以及厂房等。其中引水式和混合式小水电站多建在山地地区，这些地区出入不便，林木茂盛，阻碍视线的地物较多，给电站地面控制网的建立及日常测量工作造成了巨大的困难；另外这类水电站的水头一般都在30m以上，需建设的引水涵洞一个或一个以上，每个引水涵洞的长度都小于2km，洞内的横向坡度在0.2％左右，横向贯通所允许的偏差不能超过10cm，高程贯通所允许的偏差不能超过5 cm。
　　小型水电站测量工作主要包括：建立平面控制网以及高程控制网，对工程红线范围内进行绘制数字化地形图，并在施工区域内进行施工放样。
2.控制测量的方法
以引水式小型水电站为例，工程的核心是输水隧洞的建设，这部分所需的测量精度要求较高，因此，在进行控制网布设时要以隧洞的长度为主要考虑因素，根据其长度来确定布设的方式以及所选用的精度。下面简要介绍用GPS与EDM导线建立地面控制网的几种常用且有效的方法。
2.1 GPS与EDM导线相结合
　　GPS与EDM导线相结合的测量方法，对于高水头的小型水电站建设非常适用。由于小水电的地理位置特殊，经常处于山地狭谷地区，而使用全站仪测量的方法却常受地形、地势、植被等不利因素的影响，不能直接对水电站的关键位置进行准确的测量施工，通常的做法是先在附近山脊等比较开阔的地方选择合适的控制点，再使用EDM导线的方法进行延伸，进而将控制网布设到所需测量的所有地方；在对坝址、洞口等地的施工区域布设控制点时，在每处至少布设2个控制点，且要保证所布设的点相互之间能两两通视；而采用GPS测量的方法却不受地形等不利因素的影响，此外GPS观测时间对不同的地方，根据精度要求的不同而不同，一般在25 min左右即可，检验测量准确性的方法主要有以下几种：
　　1)使用全站仪测量两点间的平距，将测量结果与GPS二维约束边长进行比较；
　　2)使用全站仪测量单角，将测量的角度值与GPS坐标反算出来的值进行对比；
　　3)使用GPS方法，在不同的时间进行重新测量，反复比对多次测量结果。
　　虽然GPS进行二维测量时具有一定的精确度，但其高程精度较差，误差通常在10cm左右，这就不能满足高精度测量的要求，因而就需要重新布设一条四等精度的水准线路，而这种重新布设的方法对于山地地区非常不便，工程施工难度很大。
2.2 EDM三维导线法
　　利用全站仪进行后方交会，非常适合水电站施工区内的控制测量，且全站仪对于测量角度和距离具有相当高的精度；后方交会法对于控制点的选取具有较高的自由度，可以布置到任意所需布设的位置上，而且能一次性完成地面和高程控制网的测设。
2.2.1 闭合导线
　　这类闭合导线所用的布设形式如l图所示的狭长型，图中的A点是隧洞进口的控制点，D点是隧洞出口的控制点，而1-6点则是两个控制点的中问点，单数的点与双数的点各构成一条导线，在进行选点时，应该让1点与2、3、4点之间的距离在2m以内，而且要用钢尺准确量出它们之间的距离。在进行观测时，应该按照闭合导线的要求进行测量，从A点开始测量，按照1-6的顺序进行直至D点为止。根据隧洞的长度确定水平和高程测量的控制级别，进而确定水平角、竖直角以及平距和高程的允许偏差。采用这种方法，不仅可以保证测量的精度，而且还能最大限度的减少工作量。
　　
2.2.2 单支导线
　　当隧洞的长度小于1.5 km时，可将控制点布设成单支导线；而观测的内容与每一项的要求精度都应与闭合导线一致。为了方便对测量结果进行检核，在水平角度观测时应进行2个测回的观测，角度闭合差不能大于10”；而在进行距离以及高程的观测时，可以使用仪高法进行，以便将获得的两组数据进行对比，确定测量结果的准确程度。
2.2.3 双支导线
　　在使用闭合导线进行测量时，如果出现一点或者几点重合时，可以使用双支导线进行测量，而这种导线与闭合导线的观测方法相同；在实际测量时，双支导线可单、双站交替设置，在出现重合点处，可用仪器进行一次测量，这样既可以按照闭合导线进行计算，也可以按照两个支导线进行计算，此外还可以利用重合点进行测量的检验。
2.3高程测量的方法
　　对测区进行高程测量时，一般采用的是任意高程坐标系，对于流域综合开发的，采用国家统一的高程坐标系。由于使用GPS测量区域内的高程时，将会出现10cm左右的误差，不能满足高精度测量的需求，这时就需要重新布置一条控制导线进行控制测量，对于交通不便地区非常不便，测量的难度系数也较高；而使用EDM三维导线法作为精度控制的小型水电站，其高程的测量可以在平面测量时同时完成。测量时一般要进行往返测量，且要时刻注意误差限值的要求；确保测量精度符合要求，避免返工重测。
三维导线的长度及精度估算
　　在测量时，所建立的地面导线除了为了测绘地图外，主要是保证隧洞能正常开挖而且能准确贯通；根据在测量时误差的来源以及误差分配的方法，对于进行双向同时开挖的隧洞，通过地面控制而对横向贯通的影响值大小为：M=0.58Mq，这里的Mq代表的是贯通误差，将贯通误差值取为10cm，这时算出的M=5.8cm，也就是地面导 线最弱点的误差值。对于以上提到的三种形式的导线，都可以使用直伸支导线终点精度的方法，对导线最弱点的精度大小进行估算。在任意给定的平面直角坐标系上，支导线由于没有最开始的计算数据误差和因为计算而产生的误差，那么其最弱点的中误差则可用下面的公式计算：
　　
　　上面式中的m1、m2代表着由于导线测量时的误差而导致导线终点的纵向和横向误差；式中的m1、m2则代表着导线测距以及测角的中误差；S、n则分别代表着直伸导线平均边长和导线边数；通过对大量的EDM一级导线测量数据的统计分析可以看出，所用测距精度等于或者高于5+5 ppm的全站仪，它的测距中误差小于等于5mm，而侧角的中误差大约在3〞左右；如果测量时的导线长度不超过2km时，相应的最弱点的中误差将超过5.8cm，所以在所用到导线长度超过2km时，可采用一级单支导线进行控制测量；而当测量的导线长度超过2km时，则可选用闭合或者双支导线进行控制测量。
4.结语
　　使用GPS与EDM导线相结合的方法进行小水电站的地面控制测量，不受地形、地物等因素的影响，效率高、精度好且又省力，但是使用这种方法需要的投入较大，使用的作业仪器较多，高程精度不高；采用EDM?三维导线是进行小水电站控制测量一种好方法，平面和高程控制测量可同时完成且具有较高精度，但布置控制点时，要尽量使导线成折线状，以便提高测量精度，减少横向贯通差。
参考文献：
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