第三章水利工程测量31水利工程测量概述水利工程测量是水利工程建设中不可缺少的一个组成部分,无论是在水利工程的勘测设计阶段,还是在施工建造阶段以及运营管理阶段,都要进行相应的测量工作。在勘测设计阶段,测量工作的主要任务是为水工设计提供必要的地形资料和其它测量数据。由于水利枢纽工程不同的设计阶段,枢纽位置的地理特点不同,以及建筑物规模大小等因素,对地形图的比例尺要求各不相同,因而在为水利工程设计提供地形资料时,应根据具体情况确定相应的比例尺。例如,对某一水系(或流域)进行流域规划时,其主要任务是研究该水系的开发方案,设计内容较多,涉及区域范围广,但对其中的某些具体问题并不一定作详细的研究。为使用方便,一般要求提供大范围、小比例尺的地形图,即流域地形图。在水利枢纽的设计阶段,随着设计的逐步深入,设计内容比较详细。因此对某些局部地区,如库区、枢纽建筑区等主体工程地区,要求提供内容较详细、比例尺较大、精度要求较高的相应比例尺地形图。由于为水利工程设计提供的地形图是一种专业性用图,因此在测量精度、地形图所示的内容等方面都有一定的特殊要求。一般来讲,与国家基本图相比,平面位置精度要求较宽,而对地形精度要求有时较严。当设计需用较大的比例尺图面时,精度要求可低于图面比例尺,即按小一级比例尺的精度要求施测大一级比例尺地形图。在勘测设计阶段除了提供上述地形资料外,还应满足其它勘测工作的需要。如地质勘探工作中的各种比例尺的地形底图,联测钻孔的平面位置和高程,测定地下水位的高程；在水文勘测工作中测定流速、流向、水深,以及提供河流的纵横断面图等；此外,还需要为各种专用输电线、运输线和附属企业、建筑材料场地提供各种比例尺的地形图及相应的测量资料。在水利枢纽工程的施工期间,测量工作的主要任务是按照设计的意图,将设计图纸上的建筑物以一定的精度要求测设于实地。为此,在施工开始之前,必须建立施工控制网,作为施工放样的依据。然后根据控制网点并结合现场条件选用适当的放样方法,将建筑物的轴线和细部测设于实地,便于施工人员进行施工安装。此外,在施工过程中,有时还要对地基及水工建筑物本身或基础,进行施工中的变形观测,以了解建筑物的施工质量,并为施工期间的科研工作收集资料。在工程竣工或阶段性完工时,要进行验收和竣工测量。一个水利枢纽通常是由多个建筑物构成的综合体。其中包括有挡水建筑物(常称为大坝),它的作用大,在它投入运营之后,由于水压力和其它因素的影响将产生变形。为了监视其安全,便于及时维护和管理,充分发挥其效益,以及为了科研的目的,都应对它们进行定期或不定期的变形观测。观测内容和项目较多,用工程测量的方法观测水工建筑物几何形状的空间变化常称之为外部变形观测。通常包括水平位移观测、垂直位移观测、挠度观测和倾斜观测等。从外部变形观测的范围来看,不仅包括建筑物的基础、建筑物本身,还包括建筑物附近受水压力影响的部分地区。除外部变形观测之外,还要在混凝土大坝坝体内部埋设专用仪器,检测结构内部的应力、应变的变化情况,称其为内部变形观测；这种观测常由水工技术人员完成。在这一时期,测量工作的特点是精度要求高、专用仪器设备多、重复性大。由上所述可以看出:在水利枢纽工程的建设中,测量工作大致可分为勘测阶段、施工阶段和运营管理阶段三大部分。在不同的时期,其工作性质、服务对象和工作内容不完全相同,但是各阶段的测量工作有时是交叉进行的,例如,在设计阶段为进行施工前的准备工作,亦着手布置施工控制网；而在施工期间,为了掌握施工质量,要测定地基回弹、基础沉降等,这就是变形观测的一部分内容；在工程阶段性竣工或全部完工之后,要进行竣工测量,绘制竣工图等,这其中又包括了测图的工作内容。而它们所采用的测量原理和方法以及仪器又基本相同。所以我们不能将各阶段的测量工作绝对分开,应看成是一个互相联系的整体。水利工程测量贯穿于水工建设的各个阶段,是应用测量学原理和方法解决水工建设中相关的问题。由于近几年来,测绘仪器正向电子化和自动化方面发展,精度也在不断提高。各种类型的全站仪已使测角、量边完全自动化,尤其是瑞士徕卡生产的ATC1800I测量机器人,使变形观测完全自动化。它能自动寻找目标、自动观测、自动记录,真正实现了测量外业工作的自动化。同时,随着空间技术的发展,全球定位系统(GPS)精度不断提高,它可以提供精密的相对定位,特别是它不要求地面控制点之间互相通视,且可以大量减少施工控制网中的中间过渡控制点,这在水利工程测量中将发挥极大的作用,也为水工建筑物的变形观测提供远离建筑物的基准点创造了条件。32施工控制网的布设勘测阶段在水利枢纽建筑区所布设的控制网,主要是为测绘大比例尺地形图服务,控制网的设计精度,取决于测图比例尺的大小,点位采用均匀分布。因此,控制点的密度、精度及点的分布,都不能满足施工放样的要求。在施工时必须重新建立施工控制网。分析水工建筑物放样的精度要求,可以看出有以下两个特点:一是松散性:一个水利枢纽建筑物可以分成不同的整体,各部分(如大坝、溢洪道、船闸等)之间具有松散的联系。不仅如此,在松散联系的各部分内部,如电站中各机组之间,它们的联系也是松散的；我们可以利用这些松散部位作误差调整或吸收误差。二是整体性:一些相互关联的水工结构物之间和金属结构的建筑物都具有较高的相对精度要求,需尽可能采用相同的控制点或建筑物轴线、辅助轴线进行放样。根据水工建筑物放样要求的上述特点,在考虑布设施工控制网时,首先应划分工程部位的松散区段和整体区段:将闸门区段、水电厂房、船闸段、溢洪段等作为整体区段,而将这些建筑物的连接处作为松散区段；以有金属结构联系的建筑物划分为整体区段,否则为松散区段；因此,应先区分开各部分对放样精度的不同要求,然后确定设计方案。根据所划分的整体区段的多少、彼此相距的远近、面积的大小,以及所占整个施工区面积的比例,来考虑施工控制网的布设方案。如果整个区段相距较近,且合并面积占整个施工区面积的比例较大,而整个主要建筑区的面积又不大(1km2左右)时,可考虑采用全面提高整个施工控制网精度的方案,采用这种布网方案的控制网精度,需根据整体性要求最高的建筑物来设计。当整体性区段彼此相距较远,或整体性建筑物虽相距较近,但它们联系后的面积较大时,则以不合并为宜。此时,整个施工场地的控制网可只考虑放样各整体性区段的轴线(即:只考虑绝对精度),而对局部的整体性区段则通过加密控制网来进行放样；根据首级控制网(基本网)的精度(取决于仪器设备)及欲放样的整体性区段的放样要求,来决定加密控制网作为附合网或独立加强网(即在精度上高于首级控制)。根据上述施工控制网的特点与水工建筑物对放样精度要求的特点,施工控制网布设时应遵循如下原则:一、施工控制网应作为整个工程技术设计的一部分,所布设的点位应画在施工设计总平面图上,以防止标桩被破坏。二、点位的布设必须顾及施工顺序和方法、场地情况、对放样的精度要求、可能采用的放样方法以及对控制点使用的频繁性等；以考虑放样精度要求高的主要建筑物密集处为主。一般来说,由于上游的点位随着坝身的升高,上、下游间通视将被阻挡而使一部分点位失去作用,故在布网时点位的分布应以坝的下游为重点；但为了放样方便,布点时仍应适当照顾上游。三、河面开阔地区的大型水利枢纽以分级布设基本网和定线网为宜。对于高山狭谷、河面较窄地区的大、中型水利枢纽,在条件允许时可布设全面网,条件不具备则可采用分级布网。根据具体情况,也可布设精度高于上一级的加密网。(a) (b)图5-3-1 大坝施工控制网四、在设计总平面图上,建筑物的平面位置以施工坐标系表示。此时,直线型大坝的坝轴线通常取作坐标轴,所以布设施工控制网时应尽可能把大坝轴线作为控制网的一条边。五、施工放样需要的是控制点间的实际距离,所以控制网边长通常投影到建筑物平均高程面上,有时也投影到放样精度要求高的高程面上,如水轮机安装高程面上。如图5-3-1(a)为某大型水利枢纽施工控制网的基本网形。坝轴线包括在三角网内,且作为三角网的一条边(0106),这样三角网可直接采用以坝轴线方向为坐标轴的施工坐标系。坝址附近江面开阔,充分利用江中的两个沙洲来布点,既可缩短边长、增加点的密度,又提高了控制网的精度。控制网中布设了两菱形基线网(大坝的上、下游各一个),这不仅提供了可靠的检核条件,还可以使大坝地区控制网具有一定的精度。图5-3-1(b)为另一水利枢纽施工控制网布设实例。该枢纽的大坝在河床部分为混凝土重力坝,两岸为土坝,其主要建筑物有厂房、溢流坝和升船机等。混凝土坝总长为636m,最大坝高为78m。该水利枢纽地处山区,河道两岸比较狭窄。基本网为沿河两岸布设的三角锁,由六个三角形共八个点组成。其中基东、控4、基西、控8、控3等点控制了大坝轴线,为加密大坝定线网提供依据。在大坝附近下游河滩上布设了一条基线作为起始边,使大坝建筑区的控制网精度为最高,这对于主要建筑物的施工放样是很有利的。一般来说,基本网应布设两条基线,如受地形条件限制,第二条基线的精度不高,可不参加平差而只起检核作用。目前由于全站仪的广泛使用,使测距精度高于测角精度,边角网及导线网也逐渐应用于水利枢纽工程的施工控制网中,控制网的精度也越来越高,更有利于大坝及其精密设备的施工放样。33混凝土重力坝的放样图5-3-2(a)是一般混凝土重力坝的示意图。它的施工放样工作包括:坝轴线的测设,坝体控制测量,清基开挖线的放样和坝体立模放样等。一、坝轴线测设图5-3-2混凝土重力坝的坝体控制混凝土重力坝的轴线是坝体与其它附属建筑物放样的依据,它的位置正确与否,直接影响建筑物各部分的位置。一般先在图纸上设计坝轴线的位置,然后根据图纸上量出的数据,计算出两端点的坐标以及和附近施工控制网中三角点之间的关系,在现场用交会法或极坐标法,测设坝轴线两端点,如图5-3-2 (b)中的A和B。为了防止施工时受到破坏,需将坝轴线两端点延长到两岸的山坡上,各定12点,分别埋桩,用以检查端点的位置。二、坝体控制测量混凝土坝的施工采取分层分块浇筑的方法,每浇一层一块就需要放样一次,因此,要建立坝体施工控制网,作为坝体放样的定线网。一般常用施工坐标系进行放样比较方便,坝体施工控制网可布设成矩形网。如图5-3-2(b)所示,是以坝轴线AB为基准布设的矩形网,它是由若干条平行和垂直坝轴线的控制线所组成,格网的尺寸按施工分块的大小而定。测设时,将经纬仪安置在A点,照准B点,在坝轴线上选甲、乙两点,通过这两点测设与坝轴线相垂直的方向线,由甲、乙两点开始,分别沿垂线方向按分块的宽度钉出e、f和g、h、m以及e、f和g、h、m等点。最后将e e、f f、g g、h h及m m等连线延伸到开挖区外,在两侧山坡上设置、和、等放样控制点。然后在坝轴线方向上,按坝顶的高程,找出坝顶与地面相交的两点Q与Q,再沿坝轴线按分块的长度钉出坝基点2、3、4、10,通过这些点各测设与坝轴线相垂直的方向线,并将方向线延长到上、下游围堰上或两侧山坡上,设置1、2、311和1、2、311等放样控制点。在测设矩形网的过程中,测设直角时须用盘左、盘右取平均值,丈量距离应细心校核,以免发生错误。三、清基中的放样工作在清基工作之前,要修筑围堰工程,将围堰以内的水排尽,就可以开始清基开挖线的放样。如图5-3-2(b)所示,可在坝体控制点1、2等点上安置经纬仪,瞄准对应的控制点1、2等,在这些方向线上定出该断面基坑开挖点,如图5-3-2(b)中有“”记号的点,将这些点连接起来就是基坑开挖线。 开挖点的位置是先在图上求得,然后在实地用逐步接近法测定的。