摘要：三峽工程明渠截流水文監測中，口門區的水文監測既是水文監測的重點，也是水文監測的難點。使用激光全站儀配合EPS成圖測繪系統實現施工區高危險地段的無接觸式實時監測截流戧堤裹頭形象、水位和口門寬等控制性水文要素的資料收集，具有及時、準確和安全的特點。在大型水利工程建設和江河測繪中推廣應用，其經濟效益和社會效益明顯。

關鍵詞：激光全站儀 EPS成圖軟件 明渠截流 三峽工程

一、前言

明渠截流水文監測是明渠截流系統工程的保障服務系統，主要為截流施工進占戧堤的穩定性、截流河段總落差及上下游戧堤分擔落差的分配、龍口流速及其分布對拋投物的影響提供動態水文和水力學實時信息，同時為二期圍堰拆除區的水下形象及對導流底孔分流能力的影響等進行全面系統的動態監測，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律性，為截流設計優化、實體模型跟蹤試驗、水文預報、水文及水力學計算、科學研究、截流施工監理及管理決策提供準確可靠的水文信息。

口門區的水文監測是截流水文監測重要的組成部分。截流是以戧堤的不斷推進、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系到截流施工進展的關鍵因素之一，對資料的準確性、時效性要求極高。同時口門區的水文監測受到截流戧堤進占施工的直接影響，安全風險較大。因此，口門區的水文監測既是水文監測的重點，也是水文監測的難點。

在三峽工程導流明渠截流水文測報工作中，口門區水文監測主要包括實時監測截流戧堤口門寬、裹頭形象和裹頭水位測量等工作任務。為了及時、準確、安全地實施口門水文監測任務，使用了激光全站儀配合EPS成圖測繪系統。

二、測繪系統組成及特點

測繪系統由激光全站儀、EPS成圖軟件、計算機及數據處理與傳輸部分組成。激光全站儀是新一代測量儀器，集測距、測角于一身，并且在有人立尺和無人立尺狀態下均可有效使用，在實際工作中比較靈活。EPS成圖軟件，可以方便地進行展點、連線、編繪、計算等功能。數據處理與傳輸主要將實時監測數據、圖像傳輸至下一層使用者。該套系統的使用，實現了無人立尺狀態下測點坐標、高程等信息的自動采集、處理和形成電子數字地形圖，準確、清晰地監控截流戧堤的進占狀態、形象和其他實時水文信息，從而有效地指導截流施工和水文測報工作。

在三峽工程明渠截流水文測測中，我們使用Trimble激光全站儀、清華山維EPS成圖軟件和太平洋數據鏈。

三、截流戧堤口門區水文監測的特點

與一般地區的測量相比，截流期間的口門水文監測有其特殊環境和特殊要求。

監測環境的特殊性體現在以下幾方面：

1、由于明渠截流施工采用“雙戧雙向進占”方式，隨著截流施工進占，戧堤的形象和裹頭位置不斷變化。監測點必須隨著戧堤進占而實施跟蹤監測。這使得傳統的水尺觀測無法實現。

2、由于口門寬的不斷縮窄，口門區流速增大，水流對戧堤的沖刷非常劇烈，對于不斷推進的裹頭來說，邊坡狀況不穩定，時常發生大幅度的沉降和局部區域的坍塌現象，監測人員很難接近戧堤水邊。

3、截流進占的施工強度極大，不允許監測人員在施工現場作業甚至停留。

在技術要求上，也體現出特殊性。尤其是三峽工程明渠截流，由于其截流難度大、技術要求高，對口門水文監測提出了更高的要求：

1、觀測的連續性。水文要素監測必須連續進行，不能間斷。保障截流施工、監理和管理決策對水文信息的需要。

2、觀測的實時性和突然性。截流施工受長江來水、環保、氣象等因素影響和其它相關工程的制約，特別是為保證長江不斷航，根據具體實際情況，施工進度安排時常作較大調整。水文監測也相應調整，時常出現高密度、高強度實時測報的監測過程。

3、技術要求高。口門寬和水面寬測量，要求必須嚴格控制在設計的截流戧堤軸線上；裹頭水位測量必須保證具有國家水位觀測規范規定的水位觀測精度。

4、實施難度大。比如水位測量，一般江河上觀測并不復雜，但是在裹頭，由于大幅度的沉降，用傳統方法實施實時觀測的難度就非常大。采用無人立尺方法觀測水位徹底解決了安全問題，但水面線的正確測定和夜間觀測難度大，需要技術上的創新。

四、截流戧堤口門區水文監測的實施

1、戧堤形象和口門寬測量

明渠截流期，根據截流施工進度及時、準確監測了上、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程可達400m、測距精度5mm+3ppm、測角精度的特點，無接觸式測出裹頭的形象；使用EPS成圖軟件的計算和編繪功能，實時繪制戧堤三維形象。根據截流戧堤設計軸線，計算出與堤頂和水邊兩條輪廊線交叉點的坐標，解算口門寬和水面寬。具有實時監測裹頭進占態勢和進占幅度，對裹頭進占過程形象實現直觀的圖解和精確的數字成果的特點。

2、裹頭水位接測

截流戧堤裹頭水位是標定上下游截流戧堤分擔落差的重要指標之一，要求準確、及時。利用經緯儀接測水位，本是一項成熟的測量方法。但是在不同的測量環境中，應根據工作實際，采取一些技術創新措施。在截流戧堤裹頭水位測量工作中，根據工作實際，為保證觀測精度，采取了如下辦法：

① 垂直角和距離異步觀測

在水位監測過程中，理論上應準確確定水位監測目標位置，準確測量待測目標的垂直角、距離等要素。但在實際工作中，水邊線因為波浪起伏是潮濕的，會影響到激光全站儀的測距。所以在實際工作中，采取了垂直角和距離異步觀測。方法如下：確定水位監測目標位置后，準確測取垂直角，至少2測回數。微移測距目標（盡可能貼近目標位置）測取距離。計算目標位置的三維坐標，并使用EPS成圖系統準確標注入戧堤形象。

下面對因垂直角和距離異步觀測對水位接測帶來的誤差作簡要分析：

解析法接測水位的計算公式為：

（1）

其中，Z——測點高程

H——儀器站視線高，儀器站高程與儀器高之和。測站點高程由四等以上水準或電磁波導線測量。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，R指地球半徑。在距離一定的情況下，是一個相對固定的值。

——垂直角指標差

由式（1）可以看出，水位接測的精度主要取決于垂直角觀測精度和測距精度。利用經緯儀接測水位，是一項已經成熟的測量方法，其精度在此不作討論。在采用垂直角和距離異步觀測的條件下，實際意味著測距誤差的增大，對此，有必要作進一步論證。

對式（1）微分并轉換為中誤差公式，有

（2）

式（2）中， =206265

可看作儀器測距標稱誤差，即5mm+3ppm

是經緯儀垂直角測量誤差，在工作中，采用了級全站儀。經過2測回正倒鏡觀測，指標差一般控制在以內，測回差一般控制在以內，可認為為。

采用垂直角和距離異步觀測時，垂直角觀測是準確的。當觀測距離控制在400m以內時，距離的測量誤差對水位接測精度影響可由表1粗略反映：

表1 距離觀測誤差對水位接測精度影響統計表

天頂距 （度）

距離 （m）

距離觀測誤差（m）

水位接測 精度(cm)

天頂距 （度）

距離 （m）

距離觀測誤差（m）

水位接測精度(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

在實際工作中，垂直角一般控制在2~3度，當距離觀測誤差控制在0.3米以內時，異步觀測對測量精度的影響可以控制在1cm左右。可以滿足測量精度需要。

② 多點觀測

在水位接測中，對水邊線的判斷也是誤差來源之一。為了減少這種誤差，消除照準誤差，采用多點觀測取平均值，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。為確保水位監測精度，采取適當提前和延遲監測和一定時段內連續觀測的辦法來消除波浪的影響。

為了確保觀測工作的質量，在工作開展前采用以上方法與水尺觀測進行了比測工作，比測結果表明，激光全站儀的接測精度是值得信賴的。

表2 激光全站儀接測水位與水尺觀測比測成果表

序號

激光全站儀接測(m)

水尺觀測(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、監測成果的整理與傳輸

截流水文監測直接服務于截流施工、監理和管理決策，要求具有很高的時效性。利用EPS成圖系統輸出的監測成果，實時計算、繪圖、修正和合理性檢查，把實測的數據經專用數據處理軟件處理后，使用數據傳輸軟件和太平洋數據鏈傳輸至水文監測數據網絡中心上網公布或以其它方式傳至水文信息用戶。

五、結語

經過實踐檢驗，激光全站儀配合EPS成圖測繪系統在三峽工程明渠截流水文測報中的應用是成功的。圓滿完成了任務，收集到了寶貴的水文資料，對截流施工的順利進行提供了有力的保障，充分發揮了水文工作“尖兵”和“耳目”的作用，為后續的分析和科研工作打下了基礎。

與傳統的測量方法相比，激光全站儀配合EPS成圖測繪系統在以下幾方面表現出明顯的優勢：

1、確保人員安全

該套系統成功運用，實現了無接觸方式監測，徹底消除了裹頭垮塌、施工機械等因素對測量人員的威脅，確保了測量人員的安全?，F代科學技術的發展為安全生產提供了有力的保證。

2、觀測精度得以提高

激光全站儀的應用使單點測量精度有了保障，EPS成圖軟件使成圖過程中的展點、勾線等繪圖誤差基本消除，提高了測量成果精度。整個測繪系統的應用，基本可以消除人為操作產生的錯誤和誤差。成果質量在整體上上了一個新臺階。

3、提高了工作效率

無人立尺測量方法的實現，避開了裹頭垮塌、施工機械等不利因素對測量速度的影響，EPS成圖軟件的使用免去了計算、繪圖等傳統的手工工作中必不可少的環節，便于監測成果的合理性檢查；配套的程序實現了成果表的自動生成和數據遠傳，整個工作基本實現了自動化，大大提高了工作效率。

4、改善了測量工作環境

由于測量工作人員遠離高強度的施工區域，避開了噪聲、煙塵和飛沙走石的工作環境，有利于保護儀器設備和資料的安全整潔。更重要的是，體現了“以人為本”的新的工作思路。

激光全站儀配合EPS成圖軟件測繪系統在三峽工程導流明渠截流水文測報中的應用結果表明，這套系統在配置上是先進的，在技術上是成熟的，在今后的類似工作中具有廣泛的應用前景。