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霍尔古吐水电站施工控制网建设及复测

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获奖年度2023

专业分类工程勘察

获奖等级二等奖

设计单位新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司

设计人员闫志学、潘伟、周宏、李璞、魏祖涛、谢广益、米热德力·库尔班、焦健华、闫文友、白国荣、帕尔哈提·艾则孜、张光毅、朱晓江、罗景彪、李海渊、关仕杰、刘新峰、孙鹏、严鹏德、王金凤

项目简介

霍尔古吐水电站工程规模为二等大(2)型,库容为413万立方米。拦河闸的最大闸高为34米,引水隧洞的长度约为17公里。电站的装机容量为426.5兆瓦。多年平均年发电量为16.2亿千瓦·小时,装机年利用小时数为3766小时。

测区地理环境复杂,地形崎岖,两岸环山;交通条件恶劣,道路狭窄、坑洼不平,甚至没有道路可供通行;缺乏完善的通信网络;海拔位于雪线附近,气候条件恶劣。施工控制网的建设、测量人员工作及后勤保障的特别困难。

一、项目特点

(1)测区的地形和地质条件复杂:测区海拔较高,位于山区离雪线较近,地形和地质条件较为复杂,包括山体稳定性、地质构造等因素,这对测量施工控制网的建设提出了较高的要求。

(2)测区地理位置特殊且高差大:施工控制网的工程区域呈长约20km,宽约2km的条带,测区距离84°中央子午线约92km,测区高差约200m。需要建立覆盖整个区域的测量施工控制网,还需考虑高斯投影变形的问题,以提供准确的测量数据支持。

(3)测量精度要求较高:水电站工程及其附属设备的放样对测量精度的要求较高,以确保工程施工的准确性和安全性。该工程总隧洞长约20km,需要高精度的施工控制网以保障各隧洞的顺利贯通。

(4)工期紧张、测量任务重:受疫情影响,合同期限紧张,给测量施工控制网的建设和数据处理提出了较高的要求,通过制定详细的工作计划,合理安排测量任务的顺序和时间,确保工作的高效进行;增加了测量人员和设备的数量(共投入技术人员约20人,GNSS接收机8台套,电子水准仪3台套),以加快测量进度,确保按时完成测量任务,及时发现和解决测量过程中的问题和风险,避免了因为问题的延误而影响工期。

二、技术难点与技术创新

1.技术难点

(1)施工控制点选址问题:由于测区位于狭窄的山谷,需要考虑地形复杂性及地质条件的稳定性、遮挡因素、多路径效应、GNSS卫星信号弱等难点,还需考虑不被施工破坏。需采取相应的措施来克服这些问题,确保测量的可靠性和点位的稳定性。

(2)GNSS观测信号弱的问题:测区GNSS观测困难,主要体现在复杂的地形、信号遮挡、多路径效应、环境干扰等方面。为了克服这些困难,需要采取一系列的技术手段和措施,如合理选择测量点位、采用多频多系统接收机、使用抗多路径技术(采用带扼流圈的Trimble R9s GNSS接收机)、加强干扰抑制等。观测前提前做好星历预报,选择适当的观测时间并延长每个时段观测时间至8小时左右。

(3)坐标系使用的问题:该项目共建立了3个坐标系,即CGCS2000坐标系(为移民征地与土地部门接洽使用)、1242米抵偿面坐标系(前期勘测坐标系,设计图纸使用坐标系,投影变形值坝址区为-38mm/km,厂房区为41mm/km)、1920米投影面坐标系(由于前期勘测阶段建立的坐标系高斯投影变形值过大,故建立本次施工控制网的坐标系,投影变形值坝址区为-21mm/km,厂房区为21mm/km),这就存在施工放样前需要将设计图纸转换为施工坐标系再进行放样,针对该问题采用C#语言编写了《霍尔古吐坐标转换程序V1.2》供施工单位使用。

2.技术创新

(1)超高阶重力场模型在高程传递粗差探测中的应用:采用超高阶次的XGM2019e_2159重力场模型与水准测量高差进行比较以发现水准测量是否存在误差累计与粗差。采用C#语言编写了重力场模型计算高程异常的软件并申请了计算机软件著作权(著作权登记号:2023SR0467018)。选用测区已知控制点、使用重力场模型相对精度的方法,消除了模型定义高程基准与区域基准之间的系统差,也减弱了高程系统的倾斜误差,也无需精确的大地高(可使用单点定位成果);克服了重力场模型在西部地区精度低的问题。该方法比绝对精度更适合于工程建设。

(2)采用高精度测距仪测量边长验证GNSS边长的可靠性:为了验证GNSS平面控制点的正确性和可靠性,采用Leica TS60测量机器人施测边长16条,换算至平距与GNSS边长进行比较,每条边观测时记录测站和镜站的温度气压并输入仪器,观测得到的斜距进行加乘常数改正后使用水准高差化平,并把边长投影到变形监测独立坐标系投影高程面与GNSS测量边长进行比较,差值均小于限差,说明GNSS测量成果可靠、独立坐标系建立正确。

(3)坐标系建立方面的改进:前期勘测阶段1242米抵偿面坐标系是采用椭球膨胀法建立的,其中央子午线为84°,边长投影变形值大于2.5cm/km,本期建立的施工坐标系即平移了中央子午线85°08′08″又改变了投影面高程至1920米,使得边长投影变形值小于2.5cm/km的要求,这就存在两个坐标系数值相差的问题,不便于施工,故采用一点一方向法计算:以HT16在1242米投影面坐标系中的坐标为固定坐标,以HT16-HT26在1242米投影面坐标系中的方位角101°47′21.24″为固定方向建立坐标系。

3.实施效果

(1)确保工程质量:水电站是一项复杂的工程,其建设需要高精度的测量和控制。施工控制网可以提供高精度的位置和姿态信息,确保施工过程中各个关键控制点的准确定位和定向,从而保证工程建设的精度和质量。

(2)提高施工效率:水电站施工涉及大量的测量和定位工作,传统的测量方法需要耗费大量的时间和人力。而施工控制网的建成可以提供实时、高精度的定位信息,减少现场测量的时间和工作量,提高施工效率。

(3)改善安全性:水电站施工过程中存在一些危险和风险,如高空作业、爆破作业等。施工控制网可以提供高精度的位置和姿态信息,帮助施工人员更准确地掌握施工环境的情况,预测和防范潜在的安全风险,提高施工的安全性。

4.成果(精度)指标

(1)GNSS网最弱点LS03点位中误差为2.5mm,限差±10mm

2)二等水准路线S05HS18HS19HS20S05闭合差-6.6mm,限差±11.7mm

3)二等水准每公里偶然中误差为:±0.52mm,允许偶然中误差为±1.0mm

4)三等水准每公里偶然中误差为:±0.83mm,允许偶然中误差为±3.0mm

5、综合效益

霍尔古吐水电站施工控制网的建立与复测带来了多方面的经济、社会和环境效益,主要表现在以下几个方面:

(1)经济效益:提高了水电站和引水隧洞施工的测量精度和施工质量,减少工程测量误差,从而降低工程建设的风险和成本。通过精确的控制网,可以实现施工工艺的优化和工期的缩短,提高施工效率,减少施工成本。

(2)社会效益:提高了工程建设的质量和可靠性,保证工程的安全性和稳定性,减少工程事故的发生。同时,施工控制网的建立也为工程监理和验收提供了可靠的数据支持,增加了工程的可信度和可持续性。

(3)环境效益:可以减少工程建设对环境的影响。通过精确的施工控制,可以降低土地资源的浪费和破坏,减少土地开发的面积和强度。此外,施工控制网的建立还可以提高工程的可持续性,促进生态保护和环境保护。

(4)数据共享和应用:可以为其他相关领域的测量和应用提供基础数据支持。通过与国家大地坐标系的转换,可以实现数据共享和互通,促进测绘、地理信息、地质勘探、等领域的发展和应用。施工控制网的建立对于提高施工质量、降低成本、保证工程安全、促进可持续发展等方面都具有重要的经济、社会和环境效益。它是现代工程建设不可或缺的基础设施之一。