摘要：根据南水北调中线干渠工程规模巨大、建筑物多、输水线路长等特点，综合性地介绍了建立大规模、高精度水利工程施工控制网系统所进行的技术研究，包括：①施工测量控制系统方案研究；②施工控制网精度与等级论证；③长距离输水工程施工控制网坐标系统的选择；④各种测量标志类型不同地质条件下的稳定性研究；⑤国家控制点稳定性分析及不兼容性问题研究；⑥GPS短边混合网平差计算与应用软件的研究；⑦日月引力改正计算与应用软件的研究；⑧施工测量技术标准的制定等。该工程施工控制网系统的顺利建成，为南水北调中线工程提供了及时、可靠的测绘保障和技术服务。

关键词：施工测量；控制网；GPS；坐标系统；日月引力；南水北调中线工程

中国法分类号：TV67　  文献标志码：A

举世瞩目的南水北调中线工程解决京、津、华北平原缺水问题的重大战略工程。工程规模宏伟，总干渠横跨江、滩、黄、海4大水系，全长1432km，共设置各类建筑物1753座。渠道纵坡比小，一般为1/25000，部分地区达到1/30000，利用南高北低的地形条件，实现自流输水。总干渠分批分段施工，施工单位多、周期长。根据工程规模、特点和施工需要，施工单位多、周期长。根据工程规模、特点和施工需要，必须建立全线统一的、高精度的施工测量控制网，为施工提供统一的平面、高程控制基准和精度保障，以确保分期、分段或分部位施工的渠段和建筑物准确对接，并确保各渠段和建筑物水头分配符合设计要求，让渠水水势平稳流畅。

建立覆盖范围和规模如此大的高精度水利工程施工测量控制网系统，国内外没有现成的经验可借鉴。为此，对建立大规模高精度水利工程施工控制网系统所遇到的技术问题进行了研究[1-4]，包括施工测量控制网系统整体解决方案研究、工程坐标系统的优选、国家控制点的稳定性及不兼容性的研究处理、复杂地质条件下的标石型研究、GPS短边混合网平差软件及精度水准日月引力改正计算程序等的开发研究。其研究成果为南水北调中线工程施工控制网系统的建立提供了科学的理论基础和技术保障。

南水北调中线工程施工控制网系统的建成，为南水北调中线工程建设提供了及时、可靠的测绘保障和技术服务。

1 主要研究内容

1.1 施工测量控制系统方案

根据南水北调中线工程输水线路长、建筑物多、渠道纵向坡小等特点，采用先进技术，充分利用其他工程实施经验，对施工控制网测量的设计方案进行了研究，并通过理论论证、计算机模拟计算、专家咨询等手段，不断完善施工控制网布设方案，再通过实际工程实践，最终形成科学、先进、实用、经济的南水北调中线工程测量控制保障系统，为南水北调中线工程的建设提供了可靠的测量保障。

在方案设计阶段，研究了国家大地控制网与工程控制网的关系，国家大地控制网是工程控制网的测绘基准依据，工程控制网是国家大地控制网与工程测绘的联系纽带，也是工程测绘的基础。首级施工控制网是在国家控制网的基础上建立的。国家控制网为首级施工控制网提供起算数据、国家统一的坐标系，并限制测量误差的积累，保证施工控制网的精度。首级施工控制网则为工程施工测量、竣工测量、施工期变形监测等提供测量控制基准，同时完成国家坐标系向工程坐标系的转换。

从保证施工放样精度、控制误差积累和顾及施工期各种测量工作对控制的需求出发，应用测量误差理论，论证了施工控制网的必要精度和适合的等级。

分析了渠线周围国家水准点的稳定性，根据国家一等水准三期观测动态平差成果，选择变化速率小的一等水准点作为高程施工控制网的已知点，同时对它的不同期高程成果，运用数理统计理论进行垂直位移显著性的检验，以确保所采用已知点的点位稳定。

分析了沿线国家三角点和规划、设计阶段所布设的工程控制网点的精度、点位稳定性以及彼此之间的兼容性；收集并分析研究了沿线的地形、地质资料。

在以上技术分析研究的基础上，提出了一整套长线路水利工程施工测量控制网系统解决方案；以B级GPS网为骨干网，与GPS永久跟踪站联测，然后在骨干网的控制下布设C级GPS网作为总干渠全线首级平面施工控制网；施工控制网首先在WGS-84坐标系下进行整体平差（保持GPS网的原有精度），然后分区求WGS-84坐标与1954年北京坐标的转换关系，并实现分区间无缝连接。建筑物施工控制网独立挂靠于总干渠首级平面施工控制网上，既保证建筑物控制网的高精度，又利于渠道与建筑物的连接。首级高程施工控制网采用二等水准布设，并顾及日月引力改正。施工控制网设计方案通过国家测绘局审查，验收专家组对其评价是：“设计周密、科学合理、具有他新性”。

根据该方案所建成的跨越长江、滩河、黄河、海河4大流域能满足总干渠和各类建筑物施工要求的总干渠首级施工控制网和各类建筑物施工控制网，属国内外覆盖范围最大的高精度水利工程施工控制网系统。

1.2 施工控制网精度与等级论证

根据总干渠工程施工对测量提出的要求，以测量误差传播规律为理论基础，并遵循规程规范的相应规定，对首级高程控制网、加密高程控制网、首级平面控制网、加密平面控制网的精度与等级进行分析论证，为选择科学、合理、可行的控制网精度和等级提供科学理论依据[5]。

经过论证，平面施工控制网的等级和精度指标如下：

（1）干线首级平面控制网采用C级GPS布网，并以B级GPS网为骨架。精度指标应满足《全球定位系统（GPS）测量规范》的规定。

（2）B级GPS网应与国家GPS永久跟踪站联测。骨干网基线向量解算使用高精度GPS数据处理软件，并与GPS永久跟踪站进行联合数据处理。

（3）为保证与前期勘测设计地形图平面坐标系统的一致性，C级GPS网应与沿线国家一、二等平面控制点和前期勘测设计阶段的测图控制点联测，C级GPS网成果处理采用的坐标系统应与前期勘测设计阶段测量成果的坐标系统一致。

（4）干线平面加密控制网应采用D级GPS布网，每隔500-1000m布设一对点。

（5）渠道放样测站点相对于邻近基本控制点的点位中误差不应大于±30mm，可采用光电测距导线、GPS RTK等方法布测。

（6）大型交叉建筑物首级平面施工控制网可采用C级GPS网或二等边角网方式布设，控制网平均边长相对误差应小于1/15万，点位中误差不大于±5mm。

（7）大型交叉建筑物施工控制网的加密可根据地形条件及放样需要决定，以1-2级为宜，但最末级平面控制网相对于首级网的点位中误差不应超过±10mm。

（8）大型交叉建筑物施工放样站点相对于邻近基本控制点的点位中误差可根据放样点的精度高低在±（17-30）mm范围内选取。

经过论证，高程施工控制网布设等级和精度如下：

（1）首级高程施工控制网采用二等水准附合路线布设。

（2）总干渠第一级高程加密控制网可采用水准测量和光电测距三角高程测量方法布测，等级可根据渠段纵波i的范围规定为：①当1/30000≤i＜1/23000时，采用三等水准测量布设；②当1/23000≤i＜1/17000时，采用四等水准测量布设；③当i≥1/17000时，采用五等水准测量布设。

各等级水准测量的精度应满足《国家一、二等水准测量规范》、《国家三、四等水准测量规范》、《水利水电工程施工测量规范》的规定。

1.3 长距离输水施工控制网坐标系统选择

南水北调中线工程设计阶段测量采用的1954北京坐标系（3°带），其边长设影误差满足不了施工测量要求，为减小边长设影误差，提出长距离输水工程施工控制网坐标系统渠道采用1954北京坐标系统（1°带）、建筑物采用挂靠1954北京坐标系（1°带）的独立坐标系统方案，并对采用1°带坐标系统的边长投影变形进行了数据分析，其结果既满足规范对控制网边长的精度要求，又保证了建筑物坐标系统和渠道坐标系统的有效连接，同时还能保证规划、设计、施工阶段资料使用的连接性和前期成果转换的方便性[6]。这是在国内大型水利工程施工测量中首次采用1954北京坐标系（1°带）方案。

1.4 各类测量标志不同地质条件下的稳定性

南水北调中线一期工程总干渠沿线地质较复杂，为了保持控制网标点的稳定性，通过对不同区段地质结构的分析和测量标志类型稳定性研究，对不同地质条件下控制网网点，选用不同类型的标志。在膨胀土地区、湿陷性黄土类区、煤矿采空区两端等地区主要选用机钻孔双层钢管基本标、机钻孔钢管普通标标型；冻土地区及其他地区的控制网网点选用混凝土普通水准标、混凝土基本水准标、岩石基本标标型。同时，针对不同的基础条件和不同的标型，采取不同的埋设方案。

多年复测结果表明，控制网点测量标志稳定性达到了预期效果。

1.5 国家控制点稳定性分析及不兼容性问题

国家大地控制网分级、分阶段建成，不同等级、不同期控制点间存在不兼容问题。通过对数据处理方案的研究，研究了国家三角测量控制成果不兼容对大型水利工程测量的影响问题，并提出了在生产中处理控制成果不兼容问题的方案。

将C级网分段进行1954北京坐标系下的网平差，将一部分已知点作为未知点参加平差，根据平差坐标与已知坐标的差异来判断不兼容的程度，对兼容性特别差的已知点进行剔除，然后采纳剔除后剩余的已知点进行网平差。由于已知点这间仍然存在一定程度的不兼容性，平差结果可能使控制网发生局部扭曲。为克服控制网局部被扭曲，选用较远的两个网点（其中一点是非已知点）的平差坐标作为新的已知数据对该段的控制网进行第二次平差。第二次平差效果等价于将控制网进行了相似变换，使其附合在选取的两个作为新已知点的网点上，从而避免GPS网在原已知点附近的扭典变形，保持了网点之间相对位置精度的均衡性。实践证明，这是一种简单易行的对已知点不兼容性的处理方案。

南水北调中线干线通过的区域地质条件较为复杂，根据沿线国家一等水准点的三期测量成果，计算1-3期水准成果年速率，依年速率对测区内国家一等水准点进行稳定性分析，选择稳定性好的国家一等水准点作为施工控制网的高程起算点。

1.6 GPS短边混合网平差计算与应用软件

针对GPS短边混合网的特点，以及不同的观测数据源，利用最小二乘法的平差原理，在VB开发平台下研制完成《高精度GPS短边混合网平差软件系统》。

结合工程特点和GPS新技术应用的实际需要，开发了高精度GPS短边混合网平差软件系统。该系统能综合处理水准测量、三角高程测量、连长测量、角度测量及GPS测量的观测数据，是国内外功能最完善、具有完全自主知识产权的测量平差软件系统。

1.7 日月引力改正计算与应用软件

根据日月引力对精密水准测量的影响，分析其对南水北调中线工程高程控制网的影响程度，并对其改正模型进行研究，在此基础上，利用VB开发平台，研制日月引力改正的计算软件。

高精度水准测量通常只进行尺长、正常水准面不平行性、重力异常、闭合差改正，不进行日月引力改正。而南水北调中线工程的水准测量线路长，且主要为南北走向，日月引力的影响不能忽视，这项改正的实施保证了控制网的高程精度，在国内外工程中属首次运用。

1.8 施工测量技术标准的制定

南水北调中线工程具有输水路线长、建筑物多、渠道纵坡小等特点，对测量工作提出了许多特殊要求，有必要通过制定专门的测量标准，对这些特殊要求作出明确规定。总干渠采取分批分段施工的建设方式，建设单位、设计单位、施工单位较多。为了保证工程质量，有必要制定全线统一的测量技术标准、作业规程和管理制度。测量新技术、新方法、新仪器的应用，现行规范还没作具体规定，亦有必要通过制度专门的测量标准来明确规定如何在南水北调工程中合理使用测量标准来明确规定如何在南水北调工程中合理使用测量新技术、新方法、新仪器。为此，编制了一部工程施工阶段专用测量标准--《南水北调中线干线工程施工测量实施规定》，用来规范施工测量工作，统一技术标准，统一作业规程，统一管理制度。

《南水北调中线干线工程施工测量实施规定》在测量管理方面作出了一系列规定：规定了施工测量所涉及的各方，包括承包单位、监理单位和检测单位在施工测量工作中的职责；规定了承包单位应具备的测绘资质等级和技术力量配置要求；此餐，对仪器设备和软件、测量监理、检测和安全生产管理都作出了规定。

《南水北调中线干线工程施工测量实施规定》的技术规定涵盖平面控制测量、高程控制测量、测量放样准备、开挖填筑与混凝土工程测量、金属结构与机电设备安装测量、地下洞室测量、渠道测量、竣工测量、监理测量、检核测量和资料整编等内容。

《南水北调中线干线工程施工测量实施规定》对于GPS，尤其是GPS RTK等新技术在南水北调中线干线工程施工测量的应用以及TBM隧道开挖新工艺中的施工测量提出了具体的作业要求。

《南水北调中线干线工程施工测量实施规定》，由南水北调中线干线工程建设管理局于2006年12月发布。

2 南水北调一期工程首级施工控制网的建设

因工程施工需要，将《南水北调一期中线工程首级施工控制网测量工程建设项目》分解为《南水北调中线一期工程总干渠全线GPS骨干网与施工测量控制网京石段补测复测工程》和《南水北调中线一期干线（除京石段）首级施工控制网测量工程》两部分，委托江河水利水电咨询中心分别于2004年3月和8月依法进行招标投标，长江委设计院两次中标为该项目的施工单位，中水北方勘测设计研究有限责任公司（以下称中水北方公司）和黄河勘测设计研究有限公司（以下简称黄河公司）中标为监理单位。

2004年4-8月，长江委设计院实施完成《南水北调中线一期工程总干渠全线GPS骨干网与施工测量控制网京石段补测复测工程》项目，并于8月15日通过中线建管局组织的验收。

2004年9月至2005年1月实施完成《南水北调中线一期干线（除京石段）首级施工控制网测量工程》项目，并于4月12日通过中线建管局组织的验收。

根据水利水电施工测量规范的规定和施工需要，2006，2008，2009，2010年对南水北调一期中线工程首级施工控制网进行了复测，并及时提供了复测新成果[7-8]。

南水北调一期中线工程首级施工控制网的建设，得到了南水北调办公室的高度重视、中线建管局和监理单位的严格管理、专家学者的广泛关注，社会各界的大力支持，是凝聚了长江委设计院广大科技人员辛勤付出的一项艰苦桌绝的工作，目前，一个高质量、高水平的首级施工控制网已顺利建成。它将成为南水北调中线工程建设和工程管理的测绘控制基准和重要基础设施，长期服务于南水北调中线工程，并在工程建设和管理中发挥测绘保障作用。

参考文献：

[1] 康引吉，姜本海，姚楚光，等.南水北调中线一期工程施工控制网测量技术报告[R].武汉：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，2003.

[2] 康引吉，姜本海，姚楚光，等.南水北调中线一期工程施工控制网实施方案[R].武汉：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，2003.

[3] 严建国，姜本海，周传松，等.南水北调中线一期工程干线（除京石段）首级施工控制测量工程技术总结报告[R].武汉：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，2004.

[4] 汪易生，杨爱明，姚楚光，等.南水北调中线干线工程施工测量控制系统[J].水利水电科技进展，2007，27（2）：1-4.

[5] 姚楚光，杨爱明，严建国，等.南水北调中线工程施工控制网精度与等级论证研究[J].南水北调与水利科技，2008，6（1）：298-307.

[6] SL52-93，水利水电施工测量规范[S].

[7] 姚楚光.南水北调中线一期工程首级施工控制网的建立[J].人民长江，2007，38（10）：83-85.

[8] 丁涛，李欣建.南水北调中线干线工程测量检测的实施[J].人民长江，2007，38（10）：57-58.