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。口門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?jī)x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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。口門寬和水面寬測(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(guó)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Trimble 5601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：

① 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浅睗竦模瑫?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(jiǎn)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1 mm。

——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)

100

400

0.10

1.77

95

400

0.10

0.95

0.15

2.62

0.20

1.82

0.20

3.48

0.30

2.70

350

0.10

1.76

350

0.10

0.94

0.15

2.62

0.20

1.81

0.20

3.48

0.30

2.70

97

400

0.10

1.27

92

400

0.10

0.48

0.15

1.87

0.30

1.09

0.20

2.48

0.50

1.77

350

0.10

1.26

350

0.10

0.46

0.15

1.86

0.30

1.08

0.20

2.46

0.50

1.76

在實(shí)際工作中，垂直角一般控制在2~3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。可以滿足測(cè)量精度需要。

② 多點(diǎn)觀測(cè)

在水位接測(cè)中，對(duì)水邊線的判斷也是誤差來源之一。為了減少這種誤差，消除照準(zhǔn)誤差，采用多點(diǎn)觀測(cè)取平均值，是有效的辦法。

③ 波浪影響的消除

船只的航行和裹頭投料，都可以產(chǎn)生波浪，影響水面線的確定，波浪也是水位誤差來源之一。為確保水位監(jiān)測(cè)精度，采取適當(dāng)提前和延遲監(jiān)測(cè)和一定時(shí)段內(nèi)連續(xù)觀測(cè)的辦法來消除波浪的影響。

為了確保觀測(cè)工作的質(zhì)量，在工作開展前采用以上方法與水尺觀測(cè)進(jìn)行了比測(cè)工作，比測(cè)結(jié)果表明，激光全站儀的接測(cè)精度是值得信賴的。

表2 激光全站儀接測(cè)水位與水尺觀測(cè)比測(cè)成果表

序號(hào)

激光全站儀接測(cè)(m)

水尺觀測(cè)(m)

差值(m)

1

67.28

67.26

0.02

2

67.26

67.25

0.01

3

67.23

67.24

-0.01

4

67.22

67.22

0

5

67.24

67.23

0.01

6

67.26

67.24

0.02

7

67.23

67.25

-0.02

8

67.25

67.24

0.01

9

67.22

67.25

-0.03

10

67.23

67.24

-0.01

中誤差

0.017

3、監(jiān)測(cè)成果的整理與傳輸

截流水文監(jiān)測(cè)直接服務(wù)于截流施工、監(jiān)理和管理決策，要求具有很高的時(shí)效性。利用EPS成圖系統(tǒng)輸出的監(jiān)測(cè)成果，實(shí)時(shí)計(jì)算、繪圖、修正和合理性檢查，把實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)專用數(shù)據(jù)處理軟件處理后，使用數(shù)據(jù)傳輸軟件和太平洋數(shù)據(jù)鏈傳輸至水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心上網(wǎng)公布或以其它方式傳至水文信息用戶。

五、結(jié)語

經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，激光全站儀配合EPS成圖測(cè)繪系統(tǒng)在三峽工程明渠截流水文測(cè)報(bào)中的應(yīng)用是成功的。圓滿完成了任務(wù)，收集到了寶貴的水文資料，對(duì)截流施工的順利進(jìn)行提供了有力的保障，充分發(fā)揮了水文工作“尖兵”和“耳目”的作用，為后續(xù)的分析和科研工作打下了基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，激光全站儀配合EPS成圖測(cè)繪系統(tǒng)在以下幾方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)：

1、確保人員安全

該套系統(tǒng)成功運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了無接觸方式監(jiān)測(cè)，徹底消除了裹頭垮塌、施工機(jī)械等因素對(duì)測(cè)量人員的威脅，確保了測(cè)量人員的安全。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為安全生產(chǎn)提供了有力的保證。

2、觀測(cè)精度得以提高

激光全站儀的應(yīng)用使單點(diǎn)測(cè)量精度有了保障，EPS成圖軟件使成圖過程中的展點(diǎn)、勾線等繪圖誤差基本消除，提高了測(cè)量成果精度。整個(gè)測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用，基本可以消除人為操作產(chǎn)生的錯(cuò)誤和誤差。成果質(zhì)量在整體上上了一個(gè)新臺(tái)階。

3、提高了工作效率

無人立尺測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)，避開了裹頭垮塌、施工機(jī)械等不利因素對(duì)測(cè)量速度的影響，EPS成圖軟件的使用免去了計(jì)算、繪圖等傳統(tǒng)的手工工作中必不可少的環(huán)節(jié)，便于監(jiān)測(cè)成果的合理性檢查；配套的程序?qū)崿F(xiàn)了成果表的自動(dòng)生成和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，整個(gè)工作基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，大大提高了工作效率。

4、改善了測(cè)量工作環(huán)境

由于測(cè)量工作人員遠(yuǎn)離高強(qiáng)度的施工區(qū)域，避開了噪聲、煙塵和飛沙走石的工作環(huán)境，有利于保護(hù)儀器設(shè)備和資料的安全整潔。更重要的是，體現(xiàn)了“以人為本”的新的工作思路。

激光全站儀配合EPS成圖軟件測(cè)繪系統(tǒng)在三峽工程導(dǎo)流明渠截流水文測(cè)報(bào)中的應(yīng)用結(jié)果表明，這套系統(tǒng)在配置上是先進(jìn)的，在技術(shù)上是成熟的，在今后的類似工作中具有廣泛的應(yīng)用前景。