水利工程論文-激光全站儀配合EPS成圖測(cè)繪系統(tǒng)在明渠截流口門區(qū)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.doc

水利工程論文-激光全站儀配合EPS成圖測(cè)繪系統(tǒng)在明渠截流口門區(qū)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用摘要：三峽工程明渠截流水文監(jiān)測(cè)中，口門區(qū)的水文監(jiān)測(cè)既是水文監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，也是水文監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)。使用激光全站儀配合EPS成圖測(cè)繪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)施工區(qū)高危險(xiǎn)地段的無接觸式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)截流戧堤裹頭形象、水位和口門寬等控制性水文要素的資料收集，具有及時(shí)、準(zhǔn)確和安全的特點(diǎn)。在大型水利工程建設(shè)和江河測(cè)繪中推廣應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。關(guān)鍵詞：激光全站儀EPS成圖軟件明渠截流三峽工程一、前言明渠截流水文監(jiān)測(cè)是明渠截流系統(tǒng)工程的保障服務(wù)系統(tǒng)，主要為截流施工進(jìn)占戧堤的穩(wěn)定性、截流河段總落差及上下游戧堤分擔(dān)落差的分配、龍口流速及其分布對(duì)拋投物的影響提供動(dòng)態(tài)水文和水力學(xué)實(shí)時(shí)信息，同時(shí)為二期圍堰拆除區(qū)的水下形象及對(duì)導(dǎo)流底孔分流能力的影響等進(jìn)行全面系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握截流全過程的截流戧堤形象和水文要素的變化特征及規(guī)律性，為截流設(shè)計(jì)優(yōu)化、實(shí)體模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)計(jì)算、科學(xué)研究、截流施工監(jiān)理及管理決策提供準(zhǔn)確可靠的水文信息。口門區(qū)的水文監(jiān)測(cè)是截流水文監(jiān)測(cè)重要的組成部分。截流是以戧堤的不斷推進(jìn)、口門的不斷縮窄為最顯著的特征的?？陂T的水力要素的變化是直接關(guān)系到截流施工進(jìn)展的關(guān)鍵因素之一，對(duì)資料的準(zhǔn)確性、時(shí)效性要求極高。同時(shí)口門區(qū)的水文監(jiān)測(cè)受到截流戧堤進(jìn)占施工的直接影響，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，口門區(qū)的水文監(jiān)測(cè)既是水文監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，也是水文監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)。在三峽工程導(dǎo)流明渠截流水文測(cè)報(bào)工作中，口門區(qū)水文監(jiān)測(cè)主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)截流戧堤口門寬、裹頭形象和裹頭水位測(cè)量等工作任務(wù)。為了及時(shí)、準(zhǔn)確、安全地實(shí)施口門水文監(jiān)測(cè)任務(wù)，使用了激光全站儀配合EPS成圖測(cè)繪系統(tǒng)。二、測(cè)繪系統(tǒng)組成及特點(diǎn)測(cè)繪系統(tǒng)由激光全站儀、EPS成圖軟件、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理與傳輸部分組成。激光全站儀是新一代測(cè)量儀器，集測(cè)距、測(cè)角于一身，并且在有人立尺和無人立尺狀態(tài)下均可有效使用，在實(shí)際工作中比較靈活。EPS成圖軟件，可以方便地進(jìn)行展點(diǎn)、連線、編繪、計(jì)算等功能。數(shù)據(jù)處理與傳輸主要將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖像傳輸至下一層使用者。該套系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)了無人立尺狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、高程等信息的自動(dòng)采集、處理和形成電子數(shù)字地形圖，準(zhǔn)確、清晰地監(jiān)控截流戧堤的進(jìn)占狀態(tài)、形象和其他實(shí)時(shí)水文信息，從而有效地指導(dǎo)截流施工和水文測(cè)報(bào)工作。在三峽工程明渠截流水文測(cè)測(cè)中，我們使用Trimble激光全站儀、清華山維EPS成圖軟件和太平洋數(shù)據(jù)鏈。三、截流戧堤口門區(qū)水文監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)與一般地區(qū)的測(cè)量相比，截流期間的口門水文監(jiān)測(cè)有其特殊環(huán)境和特殊要求。監(jiān)測(cè)環(huán)境的特殊性體現(xiàn)在以下幾方面：1、由于明渠截流施工采用“雙戧雙向進(jìn)占”方式，隨著截流施工進(jìn)占，戧堤的形象和裹頭位置不斷變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須隨著戧堤進(jìn)占而實(shí)施跟蹤監(jiān)測(cè)。這使得傳統(tǒng)的水尺觀測(cè)無法實(shí)現(xiàn)。2、由于口門寬的不斷縮窄，口門區(qū)流速增大，水流對(duì)戧堤的沖刷非常劇烈，對(duì)于不斷推進(jìn)的裹頭來說，邊坡狀況不穩(wěn)定，時(shí)常發(fā)生大幅度的沉降和局部區(qū)域的坍塌現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)人員很難接近戧堤水邊。3、截流進(jìn)占的施工強(qiáng)度極大，不允許監(jiān)測(cè)人員在施工現(xiàn)場作業(yè)甚至停留。在技術(shù)要求上，也體現(xiàn)出特殊性。尤其是三峽工程明渠截流，由于其截流難度大、技術(shù)要求高，對(duì)口門水文監(jiān)測(cè)提出了更高的要求：1、觀測(cè)的連續(xù)性。水文要素監(jiān)測(cè)必須連續(xù)進(jìn)行，不能間斷。保障截流施工、監(jiān)理和管理決策對(duì)水文信息的需要。2、觀測(cè)的實(shí)時(shí)性和突然性。截流施工受長江來水、環(huán)保、氣象等因素影響和其它相關(guān)工程的制約，特別是為保證長江不斷航，根據(jù)具體實(shí)際情況，施工進(jìn)度安排時(shí)常作較大調(diào)整。水文監(jiān)測(cè)也相應(yīng)調(diào)整，時(shí)常出現(xiàn)高密度、高強(qiáng)度實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)的監(jiān)測(cè)過程。3、技術(shù)要求高?？陂T寬和水面寬測(cè)量，要求必須嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)的截流戧堤軸線上；裹頭水位測(cè)量必須保證具有國家水位觀測(cè)規(guī)范規(guī)定的水位觀測(cè)精度。4、實(shí)施難度大。比如水位測(cè)量，一般江河上觀測(cè)并不復(fù)雜，但是在裹頭，由于大幅度的沉降，用傳統(tǒng)方法實(shí)施實(shí)時(shí)觀測(cè)的難度就非常大。采用無人立尺方法觀測(cè)水位徹底解決了安全問題，但水面線的正確測(cè)定和夜間觀測(cè)難度大，需要技術(shù)上的創(chuàng)新。四、截流戧堤口門區(qū)水文監(jiān)測(cè)的實(shí)施1、戧堤形象和口門寬測(cè)量明渠截流期，根據(jù)截流施工進(jìn)度及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)了上、下游截流戧堤形象和口門寬。利用高精度Trimble5601型激光全站儀所具有的免棱鏡測(cè)程可達(dá)400m、測(cè)距精度5mm+3ppm、測(cè)角精度的特點(diǎn)，無接觸式測(cè)出裹頭的形象；使用EPS成圖軟件的計(jì)算和編繪功能，實(shí)時(shí)繪制戧堤三維形象。根據(jù)截流戧堤設(shè)計(jì)軸線，計(jì)算出與堤頂和水邊兩條輪廊線交叉點(diǎn)的坐標(biāo)，解算口門寬和水面寬。具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裹頭進(jìn)占態(tài)勢(shì)和進(jìn)占幅度，對(duì)裹頭進(jìn)占過程形象實(shí)現(xiàn)直觀的圖解和精確的數(shù)字成果的特點(diǎn)。2、裹頭水位接測(cè)截流戧堤裹頭水位是標(biāo)定上下游截流戧堤分擔(dān)落差的重要指標(biāo)之一，要求準(zhǔn)確、及時(shí)。利用經(jīng)緯儀接測(cè)水位，本是一項(xiàng)成熟的測(cè)量方法。但是在不同的測(cè)量環(huán)境中，應(yīng)根據(jù)工作實(shí)際，采取一些技術(shù)創(chuàng)新措施。在截流戧堤裹頭水位測(cè)量工作中，根據(jù)工作實(shí)際，為保證觀測(cè)精度，采取了如下辦法：垂直角和距離異步觀測(cè)在水位監(jiān)測(cè)過程中，理論上應(yīng)準(zhǔn)確確定水位監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置，準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)目標(biāo)的垂直角、距離等要素。但在實(shí)際工作中，水邊線因?yàn)椴ɡ似鸱浅睗竦?，?huì)影響到激光全站儀的測(cè)距。所以在實(shí)際工作中，采取了垂直角和距離異步觀測(cè)。方法如下：確定水位監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置后，準(zhǔn)確測(cè)取垂直角，至少2測(cè)回?cái)?shù)。微移測(cè)距目標(biāo)（盡可能貼近目標(biāo)位置）測(cè)取距離。計(jì)算目標(biāo)位置的三維坐標(biāo)，并使用EPS成圖系統(tǒng)準(zhǔn)確標(biāo)注入戧堤形象。下面對(duì)因垂直角和距離異步觀測(cè)對(duì)水位接測(cè)帶來的誤差作簡要分析：解析法接測(cè)水位的計(jì)算公式為：（1）其中，Z測(cè)點(diǎn)高程H儀器站視線高，儀器站高程與儀器高之和。測(cè)站點(diǎn)高程由四等以上水準(zhǔn)或電磁波導(dǎo)線測(cè)量。儀器高由鋼卷尺量取，精確到1mm。天頂距球氣差改正值，K指大氣折光系數(shù)，R指地球半徑。在距離一定的情況下，是一個(gè)相對(duì)固定的值。垂直角指標(biāo)差由式（1）可以看出，水位接測(cè)的精度主要取決于垂直角觀測(cè)精度和測(cè)距精度。利用經(jīng)緯儀接測(cè)水位，是一項(xiàng)已經(jīng)成熟的測(cè)量方法，其精度在此不作討論。在采用垂直角和距離異步觀測(cè)的條件下，實(shí)際意味著測(cè)距誤差的增大，對(duì)此，有必要作進(jìn)一步論證。對(duì)式（1）微分并轉(zhuǎn)換為中誤差公式，有（2）式（2）中，=206265可看作儀器測(cè)距標(biāo)稱誤差，即5mm+3ppm是經(jīng)緯儀垂直角測(cè)量誤差，在工作中，采用了級(jí)全站儀。經(jīng)過2測(cè)回正倒鏡觀測(cè)，指標(biāo)差一般控制在以內(nèi)，測(cè)回差一般控制在以內(nèi)，可認(rèn)為為。采用垂直角和距離異步觀測(cè)時(shí)，垂直角觀測(cè)是準(zhǔn)確的。當(dāng)觀測(cè)距離控制在400m以內(nèi)時(shí)，距離的測(cè)量誤差對(duì)水位接測(cè)精度影響可由表1粗略反映：表1距離觀測(cè)誤差對(duì)水位接測(cè)精度影響統(tǒng)計(jì)表天頂距（度）距離（m）距離觀測(cè)誤差（m）水位接測(cè)精度(cm)天頂距（度）距離（m）距離觀測(cè)誤差（m）水位接測(cè)精度(cm)1004000.101.77954000.100.950.152.620.201.820.203.480.302.703500.101.763500.100.940.152.620.201.810.203.480.302.70974000.101.27924000.100.480.151.870.301.090.202.480.501.773500.101.263500.100.460.151.860.301.080.202.460.501.76在實(shí)際工作中，垂直角一般控制在23度，當(dāng)距離觀測(cè)誤差控制在0.3米以內(nèi)時(shí)，異步觀測(cè)對(duì)測(cè)量精度的影響可以控制在1cm左右。可