水利枢纽工程的施工控制网

水利枢纽的主要建筑物包括大坝、发电站机房、船闸、溢洪道等。各建筑物之间在平面位置和高程方面均有一定的联系。各建筑物是分别施工的，建成后联接成一个整体，它们之间的相对位置必须满足设计要求。施工时应首先建立整个水利枢纽的施工控制网，然后分别施工放样。由于水利枢纽工程多建在山区，地形复杂且起伏较大，加之建筑物众多，所以施工控制网布设时要参照设计总平面图统一考虑。施工控制网的点位布设应充分考虑建筑物的分布、施工程序、施工方法以及施工场地的布置情况。应做好点位保护工作，将施工控制点画在施工总平面图相应的位置上，并教育施工现场人员保护点位。

一、平面控制网的建立

水利枢纽施工控制网的布设应综合考虑工程建筑物的布置、施工区域的地形条件及施工计划和环境因素。首级平面控制网宜采用边角网，有时也可布设测角网、电磁波测距导线、GPS网等形式。由于控制点分布在不同高度上，有时与邻近点不通视而只能与远点通视，导致控制网的图形往往很不规则又很复杂。

水利枢纽的大部分建筑物位于大坝的下游，若控制点按一般情况均匀布设，则随着坝体施工面的升高，上下游间将不能通视，上游的一部分点位会失去作用。另外，蓄水后布设于上游的一些控制点将被淹没，并且点位的稳定性也会受到影响。因此，水利枢纽施工控制点的分布应以大坝的下游为重点，但上游也要作适当的照顾，以利于放样工作的顺利进行。

从放样时使用方便出发，控制点应尽量靠近建筑物，但这样很容易被施工破坏，即使点位保存下来，由于施工的影响也很难保证它的稳定性。为了解决这种矛盾，水利枢纽施工平面控制网常常分两级布设。首级控制网为基本网，起着控制各建筑物轴线的作用，其点位应尽量选在地质条件好、施工干扰小、稳定且便于长期保存的地方；第二级为定线网，它是依据首级网加密形成的，其点位靠近建筑物，直接控制建筑物的辅助轴线和细部位置。定线网点在施工期间要定期用基本网点来检查。定线网可以布设成矩形网、边角网、导线网、三角网等形式。

在水利枢纽工程勘测设计阶段，设计人员往往在实地上确定出大坝轴线的2～3个点。建立首级平面控制网时，应尽量将坝轴线作为控制网一条边，这样既方便放样，又便于提高坝轴线上点位的放样精度。

水利枢纽施工平面控制网各控制点间的高差较大，而控制网的边长相对较短，因此，在一个测站上所观测的各方向竖直角的变化也较大。为了减小对中误差和照准偏心误差的影响，一般直接在岩石上造标或浇注混凝土观测墩，埋设车有螺纹的金属标志为标心。岩石上的标志可直接架设经纬仪和安置标杆进行观测，混凝土观测墩可将经纬仪旋紧在标志上，达到强制归心。标杆可根据网边的长短，做成粗细不等的红白花杆，花杆的底部为母螺纹，可旋紧在标志上进行观测。观测墩底部一般埋设在岩石上，当标志位于土层较厚的地段时，应加大标石的底部尺寸，以增加点位的稳定性，特殊情况下，也可用直径为20cm左右的金属管状标代替钢筋混凝土观测墩。为了使管状标稳定，可在管内灌满混凝土，而在金属管顶部安装一个金属圆盘，以放置仪器和照准标志。

由于控制网边短、各控制点间的高差较大，因此一个测站上所观测的各方向的垂直角度变化较大，此时应特别注意仪器纵轴的垂直性。在观测之前必须严格检校仪器，观测时仔细整平仪器。控制网离水面较近，观测容易受到水雾等的影响，所以应选择目标成像清晰稳定的时间段施测。首级控制网的等级，应根据工程规模和建筑物的施工精度要求按表13-1选择，各等级控制网的平均边长，应符合表13-2的规定。

表13-1 首级施工平面控制网等级的选用

表13-2 水工建筑物施工平面控制网的平均边长

二、施工平面控制网的精度要求

水工建筑物放样的精度要求有以下两个特点：一是松散性，一个水利枢纽建筑物可以分成不同的整体，各整体（如坝、溢洪道、船闸等）之间具有松散的联系，不仅如此，在散松联系的各整体内部，如电站中各机组之间，它们的联系也是松散的，我们可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、水电厂房区段、船闸段、溢流段等作为整体区段，而将这些建筑物的连接处作为松散区段；将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。由此，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。如果整体区段相距较近，且合并后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控制网精度的方案，采用这种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合后的面积较大时，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，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）的精度及欲放样的整体性区段的要求来决定加密控制网作为附合网或独立加强网（即在精度上可高于首级控制）。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，有时根据需要也可投影到放样精度要求最高的高程面上，如水轮机安装高程面上。

（一）设计施工控制网的依据

建立施工控制网的目的是按一定精度要求将各建筑物的轴线放样到实地，有时还需放样主要建筑物的轮廓点。设计施工控制网精度的依据是主轴线和主要建筑物轮廓点的放样要求。根据我国《水利水电工程施工测量规范》的规定，大坝、厂房、船闸、水闸等建筑物的主要轴线点均应由等级控制点进行测设，主要轴线点相对于邻近控制点的点位中误差不应大于20mm。表13-3为该规范对施工测量的主要精度指标的规定，由表可知，施工控制网应满足混凝土建筑物轮廓点放样的要求，即保证放样点位中误差（m0）在±20mm以内。水利枢纽工程施工测量中精度要求最高的是机电与金属结构安装，一般为1～10mm之间，但安装测量的实践表明，安装工作一般均根据安装轴线进行，因而在设计施工控制网时可以不考虑机电与金属结构安装的要求。

当施工控制网采用两级（基本网与定线网）布网时，可以根据建筑物轮廓点放样的精度要求来确定定线网的精度要求。

（二）定线网精度设计

定线网直接用于建筑物放样，选择点位应尽量便于施工放样，在可能的情况下，点位应选在厂房、船闸、水闸等建筑物的主要轴线上。利用定线网点放样建筑物轮廓点的误差有两个来源：一是控制点误差引起的放样点位误差M1，二是放样过程中的误差M2，放样点误差为：

欲使控制点误差对放样点位的影响可忽略（仅占总误差的10%），设mP=20mm，则要求：

当用前方交会法放样时，在不考虑交会基线方位误差的情况下，控制点误差对放样点位的影响PP0（参见图13-2）可推证如下：从相似△BP′B′中可得：。在一般情况下，可以选择合适的放样控制点，使sinγ≥ sinβ，故有PP0≤ms，因此可把两个控制点间的边长误差看做控制点误差对放样点位的影响， 由此提出最低一级加密网的边长误差ms=±8mm。

图13-2 前方交会法放样建筑物轮廓点

根据经验，用控制点交会放样时，交会边长一般在200～400m之间，因此施工控制网最低一级定线网的最弱边相对中误差应为1/5万～1/2.5万之间。

表13-3《水利水电工程施工测量规范》中的主要精度指标

（三）基本网精度设计

基本网的精度设计可按两种不同思路进行：一种是按传统的测量布网原则，即逐级控制；另一种则是考虑到水利枢纽不同水工建筑物之间存在松散联系，而基本网的作用主要是统一整个枢纽的坐标系统，此时，为放样不同建筑物而加密的定线网可以看成是相应建筑物放样的首级控制网。

1.按逐级控制的原则设计基本网

（1）由基本网用插网（或插点）方式加密定线网时，基本网的必要精度的确定原则为：当用基本网分级加密定线网时，则基本网的精度取决于加密级数和精度梯度。根据经验，施工控制网布设梯级以不多于三级为宜，故以三级布网来讨论基本网的必要精度。若取精度梯度为1/2，则由最低一级定线网的精度要求，可以对各梯级提出如表13-4所示的精度要求。

（2）由基本网用插点方式加密定线网时，基本网的必要精度估算如下：

当直接由基本网用插点方式加密定线网时，最不利情况为两相邻插点间无直接联系，如图13-3所示的1、 2两点。此时，1、 2两点间的边长误差ms与这两点的点位误差M1、 M2之间的关系可按下式计算：

表13-4 逐级控制法对各级控制网的精度要求

图13-3 两相邻插点间无直接联系的方式

当认为点1、 2的误差独立，且假设M1=M2 =M时，则ms=M=±8mm。即，直接由基本网用插点加密定线网时，应从保证插点点位中误差不大于8mm的角度来确定基本网的精度。

用插点方式加密定线网时，插点点位中误差可近似地表示为：

式中：M′为插点时的测量误差；mb为基本网边长中误差；b为基本网边长；s为插点时边长。

设，代入式（13-5），得：

表13-5为相对于基本网平均边长所计算的基本网最弱边边长相对中误差。

表13-5 基本网最弱边边长相对中误差

考虑到基本网平均边长大于1km是极个别情况，故可以认为，当用插点方式加密定线网时，基本网最弱边边长相对误差应在1/20万～1/6万之间。

2.考虑水工建筑物之间的松散联系来设计基本网

在考虑到水工建筑物之间的松散联系时，则可以把不同类的水工建筑物（如电厂、船闸等）看成是独立的建筑物。当用基本网加密定线网后，定线网可以看成是该独立建筑物的首级控制网，定线网相对于基本网的误差在施工放样中可不予考虑。按照这一思想设计基本网时，可以从放样建筑物主要轴线点的误差不大于±20mm考虑。通常放样主要轴线点的距离不超过400m，控制点误差对放样点误差的影响不大于±8mm，所以可按最弱边边长误差不超过1/5万的要求来设计基本网。在实际工作中，可按主要建筑物附近的基本网边长相对误差不超过1/5万进行设计。

分析上述两种基本网的设计方法可知，逐级控制可免去加密的精度分析，给施工放样带来方便，但对基本网要求较高。考虑建筑物间松散联系的设计方法，则要求对施工放样随时做精度分析，必要时还需建立高精度加密网，但对基本网的要求可以降低。表13-6为《水利水电工程施工测量规范》规定的各等级测角网的技术要求。

表13-6《水利水电工程施工测量规范》规定的各等级测角网的技术要求

若将表13-6中所列各级网的精度要求，与按逐级控制的原则设计基本网所推得的精度要求（表13-5）作一个比较，可以看到前者略低于后者，当考虑水工建筑物间松散联系时，则按表13-6布设的基本网是满足放样精度要求的。

三、高程控制网的建立

水利枢纽工程在施工中进行高程放样工作时需要有足够数量和具有一定精度的水准点，为此需要建立高程控制网。水利枢纽施工高程控制网一般也分两级，首级基本高程控制网是整个水利枢纽工程高程控制的基础，应全面考虑整体工程的精度要求和各部位使用水准点的情况，经济合理地布置。基本高程控制网应起闭于国家已知水准点上，一般布设在施工影响范围之外，高程控制网水准测量路线长度和采用等级可参考表13-7。加密高程控制网通常采用三等或四等水准测量，起闭于基本高程控制网点上，布设在施工场地附近各高度面上。为了便于放样，必须适当、适时地加密水准网。加密的网点一般均为临时水准点，它可直接在岩石露头上作标记，也可在已浇注的混凝土上布设。临时水准点的密度应根据不同建筑物的施工方法，按间距和高差布点。施工放样时，一般只需设置一个测站，即能将高程传递到建筑物上。整个施工期间对临时水准点应经常进行复测，用以检查其高程变化，特别在安装重要构件时，必须对临时水准点高程进行事先检测。

表13-7 高程控制网水准测量路线长度和采用等级

基本高程控制网是整个水利枢纽的高程基准，其点位设置应稳定可靠，为此，水准基点一般应尽量埋设在基岩上。当覆盖土层较厚时，可以采用钻孔穿过土层和风化岩层达到基岩埋设基岩钢管标志。

一般情况下，由于水利枢纽建筑物位于山区，所以平面控制网点与高程控制网点采用独立布设。对地形起伏大的地区，常用电磁波测距三角高程测量代替四等水准测量。

四、工程实例

某水电站设计水位630m，坝顶高程640.5m，最大坝高232.5m，总库容64.65亿m3，枢纽主要建筑物由大坝、水电站厂房、通航建筑物和坝基防渗工程组成。坝址区河谷狭窄，岸坡陡峻，高差在400m左右。

（一）平面施工控制网

平面控制网建立的要求：控制网必须覆盖建筑物施工范围，能满足建筑物的施工要求；控制点尽量避开施工的影响，且通视良好；便于在首级控制网的基础上加密控制点，方便施工放样；控制网点在被毁坏后，能方便恢复；保证控制点的精度能满足要求。

图13-4 某水电站首级施工控制网图

根据建网要求和工程范围、规模以及现场勘察点位选定情况，通过优化设计计算，该施工控制网确定为边角网，由11个点组成，如图13-4所示，标石类型为普通钢筋混凝土观测墩。在选定的点位上，挖尽覆盖层，去掉强风化层，待观测墩基坑挖好后，在基岩中嵌入4根直径为12mm的钢筋，扎成骨架，使观测墩与基础牢固结合。

控制网的施测过程严格按照操作规程进行，为了减少旁折光和地面折光的影响，选择在成像清晰、 目标稳定的有利时间进行观测；采用T3光学经纬仪按全圆观测法，观测12测回，分两个时段，即分别在上午和下午两个时间段完成。

该控制网共组成23个三角形，三角形闭合差全部小于规范规定的限差，最大为3.09″，最小为0.24″，按菲列罗公式计算测角中误差m=±0.89″。边长测量采用Wild DI2002电磁波测距仪，采用往返测的方法观测，该网共测25条边，边长最大相对中误差为1/37.2万，最小为1/101.7万。平差计算前，先对所有观测数据进行预处理，外业观测的距离经过仪器加乘常数、气象及球气差改正，边长投影到640m高程面上，以坝轴线端点01为起算点，坝轴线01—02的方向为起算方向进行平差计算，从而计算出各点的平面坐标成果。平差后控制网的测角中误差为±0.77″，最弱点位中误差为±3.67mm，满足设计±5mm的精度要求。

（二）高程施工控制网

根据工程建筑物分布的范围和高程控制网的特点及施工区交通情况，高程控制网设计为精密水准网，由10个点组成，分布在江河两岸，其中4点为水准基点，其余6点（01、02、 06、 08、 09、 10）全部设置在平面控制网观测墩上。根据《水利水电工程施工测量规范》的要求，对于混凝土建筑物，高程控制必须满足最末级高程控制点相对首级高程控制点的高程中误差不大于±10mm。水准测量采用Leica NA2+GPM3水准仪，施测过程严格按照操作规程进行，水准观测在标尺成像清晰、稳定时进行，每一测段往返测，测站数均为偶数，水准路线由一个闭合环组成，路线长度23km，闭合差为4.11mm。平差后的每千米中误差为±0.87mm，最弱点的高程中误差为±2.05mm。