CN111473737A - 一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法 - Google Patents

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Abstract

一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，通过布设控制网，依靠观测方法观测数据，根据所得数据配合平差算法和公式测算各项指标，具体包括以下步骤：采用多个三百六十度棱镜装置呈一字型对称分布于地下厂房上下游侧边墙处形成边角网；在布设的边角网中轴线的两端设置专用控制点，配合多个三百六十度棱镜装置形成的控制网进行观测；在两端的专用控制点之间选择自由设站点利用全圆边角法施测；然后根据观测数据进行处理时以赫尔默特平差算法为核心，设定自由设站第i测站j观测点独立坐标计算模型并通过平差计算各项指标加以分析。采用上述方法，实现了布网形式灵活、节约人力、物力、提高经济效益，提高测量精度，提高测量效率。

Description

一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法
技术领域
本发明涉及水电站施工领域，特别是一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法。
背景技术
大型水电站地下工程建设中，地下厂房等特殊部位需安装高精度特种设备和现场施工的需要，需布设专用测量控制网。传统方式一般布设为边角网,测量放样及检测采用极坐标法；采用边角网方式建立的专用控制网相对精度不高、稳定性差、布网观测效率低、易受外界影响且恢复难度大等缺点；测量放样和检测时设站受限、精度较低(产生控制点加密误差、测站点对中误差及定向误差等)。
地下厂房金属结构和机电安装精度要求高、施工强度大，同时面临地质条件复杂、大跨度围岩变形等不利因素。如何快速准确的测设控制网络就成为了急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，实现了布网形式灵活、不需建设观测墩、节约人力、物力、提高经济效益，控制网点不易破坏，易于保护；测量放样、检测作业时能有效提高测量精度；施工测量设站灵活，使用方便，显著提高了施工单位施工测量工作效率；不仅满足了金结安装测量需要，而且能发现和探测地下厂房边墙围岩变形。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，通过布设控制网，依靠观测方法观测数据，根据所得数据配合平差算法和公式测算各项指标，具体包括以下步骤：
一)采用多个三百六十度棱镜装置呈一字型对称分布于地下厂房上下游侧边墙处形成边角网；
二)在布设的边角网中轴线的两端设置专用控制点，配合多个三百六十度棱镜装置形成的控制网进行观测；
三)在两端的专用控制点之间选择自由设站点利用全圆边角法施测；
四)然后根据观测数据进行处理时以赫尔默特平差算法为核心，设定自由设站第i测站j观测点独立坐标计算模型：
Figure BDA0002449040060000021
Figure BDA0002449040060000022
其中，(Xij,Yij)为第i测站的第j观测点坐标的测站坐标，
Figure BDA0002449040060000023
为第i测站点的坐标，Sij为平距，aij为测站坐标系中的水平方位角,cos代表余弦，sin代表正弦，通过平差计算各项指标加以分析。
优选的方案中，在所述的步骤四中，平差计算各项指标的公式为：
一)相邻两测站s和t的独立坐标经相似变换化算为统一工程坐标的计算模型：
Figure BDA0002449040060000024
其中，(XS,YS)为第s测站的测站坐标,(Xt,Yt)为第t测站的测站坐标,ΔX、ΔY为平移参数，k为尺度参数，α为旋转角；
二)方向观测值误差方程：
Figure BDA0002449040060000025
权
Figure BDA0002449040060000026
σ0为单位权中误差，
Figure BDA0002449040060000027
为方向观测值的中误差。
其中，
Figure BDA0002449040060000028
为改正数，Lij为i到j的方向观测值，dζi为定向角未知数，dxi、dyi、dxj、dyj为待求的坐标未知数；
aij、bij为系数，
Figure BDA0002449040060000029
为常数项，表达式为：
Figure BDA00024490400600000210
Figure BDA00024490400600000211
Figure BDA00024490400600000212
可利用近似坐标计算得到；
Figure BDA00024490400600000213
Figure BDA00024490400600000214
Figure BDA00024490400600000215
其中，△x0 ij表示i到j方向的X坐标增量近似值、△y0 ij表示i到j方向的Y坐标增量近似值、Sij 0表示i到j方向平距近似值、A0 ij表示i到j方向的方位角近似值、ζ0 ij表示定向角、arctan表示反正切、ni表示方向个数；
三)边长观测值误差方程：
Figure BDA0002449040060000031
权
Figure BDA0002449040060000032
σsij为边长观测值的中误差。
其中，
Figure BDA0002449040060000033
为改正数，Sij为i到j的边长观测值，cij、dij为系数，
Figure BDA0002449040060000034
为常数项，其计算表达式为：
Figure BDA0002449040060000035
四)最小二乘法平差参数求解模型：
误差方程向量表达式V＝BX+L，权阵P。
V为改正数向量，B为系数矩阵，X为未知参数向量，L为常数项向量。
法方程
NX+W＝0
N＝BTPB
W＝BTPL
其中，N为法方程系数阵，X为未知参数向量、W、L为常数项向量，B系数阵，BT为系数阵B的转置，P为权阵。
解法方程得到
X＝－N－1W
其中，X为未知参数向量、N－1为法方程系数阵N的逆矩阵，W、为常数项向量；
五)精度评定模型：
验后单位权中误差
Figure BDA0002449040060000036
r为多余观测数，V为改正数向量，VT为N的逆矩阵；
坐标参数协因数阵为：QXX＝N-1；
平差后各点坐标中误差为：
Figure BDA0002449040060000041
六)平面控制网最弱点点位中误差范围是：
Mx为0.62mm～0.93mm；
My为0.42mm～0.96mm；
Mp为0.73mm～0.96mm；
高程网最弱点高程中误差：0.90～1.98mm。
优选的方案中，在所述的步骤一中，相邻所述的三百六十度棱镜装置之间的距离为三十六至四十米。
优选的方案中，在所述的步骤三中，自由设站点每站测设的控制点不少于三对，完成一站观测后，递进进行新一站观测，确保每一个控制点至少通过连续且独立的三个自由设站点进行观测。
优选的方案中，在步骤一中，所述的多个三百六十度棱镜装置中，对称设置的三百六十度棱镜装置的埋设高度一致。
本发明所提供的一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，通过采用上述结构，具有以下有益效果：
(1)布网形式灵活、不需建设观测墩、节约人力、物力、提高经济效益，控制网点不易破坏，易于保护；
(2)采用该技术进行测量放样、检测作业时能有效提高测量精度；
(3)该测量技术施工测量设站灵活，使用方便，显著提高了施工单位施工测量工作效率；
(4)不仅满足了金结安装测量需要，而且能发现和探测地下厂房边墙围岩变形。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的测设方法站点布设位置点线图。
图2为本发明的测设方法站点布设位置俯视图。
图3为本发明的三百六十度棱镜装置安装示意图。
图中：三百六十度棱镜装置1，自由设站点2，专用控制点3。
具体实施方式
实施例一：
如图1-3中，一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，通过布设控制网，依靠观测方法观测数据，根据所得数据配合平差算法和公式测算各项指标，具体包括以下步骤：
一)采用多个三百六十度棱镜装置1呈一字型对称分布于地下厂房上下游侧边墙处形成边角网；
二)在布设的边角网中轴线的两端设置专用控制点3，配合多个三百六十度棱镜装置(1)形成的控制网进行观测；
三)在两端的专用控制点之间选择自由设站点2利用全圆边角法施测；
四)然后根据观测数据进行处理时以赫尔默特平差算法为核心，设定自由设站第i测站j观测点独立坐标计算模型：
Figure BDA0002449040060000051
Figure BDA0002449040060000052
其中，(Xij,Yij)为第i测站的第j观测点坐标的测站坐标，
Figure BDA0002449040060000053
为第i测站点的坐标，Sij为平距，aij为测站坐标系中的水平方位角,cos代表余弦，sin代表正弦，通过平差计算各项指标加以分析。
优选的方案中，在所述的步骤四中，平差计算各项指标的公式为：
一)相邻两测站s和t的独立坐标经相似变换化算为统一工程坐标的计算模型：
Figure BDA0002449040060000054
其中，(XS,YS)为第s测站的测站坐标,(Xt,Yt)为第t测站的测站坐标,ΔX、ΔY为平移参数，k为尺度参数，α为旋转角；
二)方向观测值误差方程：
Figure BDA0002449040060000055
权
Figure BDA0002449040060000056
σ0为单位权中误差，
Figure BDA0002449040060000057
为方向观测值的中误差。
其中，
Figure BDA0002449040060000058
为改正数，Lij为i到j的方向观测值，dζi为定向角未知数，dxi、dyi、dxj、dyj为待求的坐标未知数；
aij、bij为系数，
Figure BDA0002449040060000059
为常数项，表达式为：
Figure BDA0002449040060000061
Figure BDA0002449040060000062
Figure BDA0002449040060000063
可利用近似坐标计算得到；
Figure BDA0002449040060000064
Figure BDA0002449040060000065
Figure BDA0002449040060000066
其中，△x0 ij表示i到j方向的X坐标增量近似值、△y0 ij表示i到j方向的Y坐标增量近似值、Sij 0表示i到j方向平距近似值、A0 ij表示i到j方向的方位角近似值、ζ0 ij表示定向角、arctan表示反正切、ni表示方向个数；
三)边长观测值误差方程：
Figure BDA0002449040060000067
权
Figure BDA0002449040060000068
σsij为边长观测值的中误差。
其中，
Figure BDA0002449040060000069
为改正数，Sij为i到j的边长观测值，cij、dij为系数，
Figure BDA00024490400600000610
为常数项，其计算表达式为：
Figure BDA00024490400600000611
四)最小二乘法平差参数求解模型：
误差方程向量表达式V＝BX+L，权阵P。
V为改正数向量，B为系数矩阵，X为未知参数向量，L为常数项向量。
法方程
NX+W＝0
N＝BTPB
W＝BTPL
其中，N为法方程系数阵，X为未知参数向量、W、L为常数项向量，B系数阵，BT为系数阵B的转置，P为权阵。
解法方程得到
X＝－N－1W
其中，X为未知参数向量、N－1为法方程系数阵N的逆矩阵，W、为常数项向量；
五)精度评定模型：
验后单位权中误差
Figure BDA0002449040060000071
r为多余观测数，V为改正数向量，VT为N的逆矩阵；
坐标参数协因数阵为：QXX＝N-1；
平差后各点坐标中误差为：
Figure BDA0002449040060000072
六)平面控制网最弱点点位中误差范围是：
Mx为0.62mm～0.93mm；
My为0.42mm～0.96mm；
Mp为0.73mm～0.96mm；
高程网最弱点高程中误差：0.90～1.98mm。
优选的方案中，在所述的步骤一中，相邻所述的三百六十度棱镜装置1之间的距离为三十六至四十米。
优选的方案中，在所述的步骤三中，自由设站点2每站测设的控制点不少于三对，完成一站观测后，递进进行新一站观测，确保每一个控制点至少通过连续且独立的三个自由设站点2进行观测。
优选的方案中，在步骤一中，所述的多个三百六十度棱镜装置1中，对称设置的三百六十度棱镜装置1的埋设高度一致。

Claims (5)

1.一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，通过布设控制网，依靠观测方法观测数据，根据所得数据配合平差算法和公式测算各项指标，其特征在于具体包括以下步骤：
一)采用多个三百六十度棱镜装置(1)呈一字型对称分布于地下厂房上下游侧边墙处形成边角网；
二)在布设的边角网中轴线的两端设置专用控制点(3)，配合多个三百六十度棱镜装置(1)形成的控制网进行观测；
三)在两端的专用控制点之间选择自由设站点(2)利用全圆边角法施测；
四)然后根据观测数据进行处理时以赫尔默特平差算法为核心，设定自由设站第i测站j观测点独立坐标计算模型：
Figure FDA0002449040050000011
Figure FDA0002449040050000012
其中，(Xij,Yij)为第i测站的第j观测点坐标的测站坐标，
Figure FDA0002449040050000013
为第i测站点的坐标，Sij为平距，aij为测站坐标系中的水平方位角,cos代表余弦，sin代表正弦，通过平差计算各项指标加以分析。
2.根据权利要求1所述的一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，其特征在于：在所述的步骤四中，平差计算各项指标的公式为：
一)相邻两测站s和t的独立坐标经相似变换化算为统一工程坐标的计算模型：
Figure FDA0002449040050000014
其中，(XS,YS)为第s测站的测站坐标,(Xt,Yt)为第t测站的测站坐标,ΔX、ΔY为平移参数，k为尺度参数，α为旋转角；
二)方向观测值误差方程：
Figure FDA0002449040050000015
权
Figure FDA0002449040050000016
σ0为单位权中误差，
Figure FDA0002449040050000017
为方向观测值的中误差。
其中，
Figure FDA0002449040050000018
为改正数，Lij为i到j的方向观测值，dζi为定向角未知数，dxi、dyi、dxj、dyj为待求的坐标未知数；
aij、bij为系数，
Figure FDA0002449040050000021
为常数项，表达式为：
Figure FDA0002449040050000022
Figure FDA0002449040050000023
Figure FDA0002449040050000024
可利用近似坐标计算得到；
Figure FDA0002449040050000025
Figure FDA0002449040050000026
Figure FDA0002449040050000027
其中，
Figure FDA0002449040050000028
表示i到j方向的X坐标增量近似值、
Figure FDA0002449040050000029
表示i到j方向的Y坐标增量近似值、Sij 0表示i到j方向平距近似值、A0 ij表示i到j方向的方位角近似值、ζ0 ij表示定向角、arctan表示反正切、ni表示方向个数；
三)边长观测值误差方程：
Figure FDA00024490400500000210
权
Figure FDA00024490400500000211
σsij为边长观测值的中误差。
其中，
Figure FDA00024490400500000212
为改正数，Sij为i到j的边长观测值，cij、dij为系数，
Figure FDA00024490400500000213
为常数项，其计算表达式为：
Figure FDA00024490400500000214
四)最小二乘法平差参数求解模型：
误差方程向量表达式V＝BX+L，权阵P。
V为改正数向量，B为系数矩阵，X为未知参数向量，L为常数项向量。
法方程
NX+W＝0
N＝BTPB
W＝BTPL
其中，N为法方程系数阵，X为未知参数向量、W、L为常数项向量，B系数阵，BT为系数阵B的转置，P为权阵。
解法方程得到
X＝－N－1W
其中，X为未知参数向量、N－1为法方程系数阵N的逆矩阵，W、为常数项向量；
五)精度评定模型：
验后单位权中误差
Figure FDA0002449040050000031
r为多余观测数，V为改正数向量，VT为N的逆矩阵；
坐标参数协因数阵为：QXX＝N-1；
平差后各点坐标中误差为：
Figure FDA0002449040050000032
六)平面控制网最弱点点位中误差范围是：
Mx为0.62mm～0.93mm；
My为0.42mm～0.96mm；
Mp为0.73mm～0.96mm；
高程网最弱点高程中误差：0.90～1.98mm。
3.根据权利要求1所述的一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，其特征在于：在所述的步骤一中，相邻所述的三百六十度棱镜装置(1)之间的距离为三十六至四十米。
4.根据权利要求1所述的一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，其特征在于：在所述的步骤三中，自由设站点(2)每站测设的控制点不少于三对，完成一站观测后，递进进行新一站观测，确保每一个控制点至少通过连续且独立的三个自由设站点(2)进行观测。
5.根据权利要求1所述的一种水电站地下工程自由设站精密控制网的测设方法，其特征在于：在步骤一中，所述的多个三百六十度棱镜装置(1)中，对称设置的三百六十度棱镜装置(1)的埋设高度一致。
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