水工建筑物及水库测量

'水工建筑物及水库测量水利工程一般由若干建筑物组成，这些建筑物的综合体称为水利枢纽。按照这些建筑物在该综合体中的主要任务和作用不同，一般将其分为挡水建筑物，泄水建筑物，通航建筑物，为发电而建的建筑物。挡水建筑物即拦河大坝，是主要的水工建筑物，按照其建筑材料和结构分为土石坝，混凝土重力坝，拱坝和支墩坝。本章分别介绍土石坝、混凝土重力坝及拱坝建设中的测量工作。按照大坝的施工顺序，测量工作一般应完成下列任务：布设平面和高程基本控制网，控制整个工程的施工放样；确定坝轴线和布设控制坝体细部放样的定线控制网；清基开挖放样;坝体细部放样等。 14.1土坝施工测量14.1.1土坝控制测量14.1.1.1坝轴线的确定对于大型土坝以及与混凝土坝衔接的土质副坝，一般经过现场踏勘，图上规划等多次调查研究和方案比较，确定建坝位置，并在坝址地形图上结合枢纽的整体布置，将坝轴线标于地形图上，如图14—1中的M1、M2。再根据预先建立的基本控制网用角度交会法将M1和M2放样到地面上。坝轴线的两端点在现场标定后，应用永久性标志标明。为了防止施工时端点被破坏，应将坝轴线的端点延长到两面山坡上，如图14—1中的M1′、M2′。图14-1 图14-1坝轴线测设示意图 14.1.2建立平面控制网直线型坝的放样控制网通常采用矩形网或正方形方格网作平面控制。1.测设坝轴垂直线具体测设步骤和方法如下：(1)在坝轴线两端找出与坝顶设计高程相同的地面点。为此，将经纬仪安置在坝轴线上，以坝轴线定向；从水准点向上引测高程，当水准仪的视线高达到略高于坝顶设计高程时，算出符合坝顶设计高程应有的前视标尺读数，再指挥标尺在坝轴线上移动寻找两个坝轴端点，并打桩标定，如图14—2中的M和N。(2)以任一个坝顶端点作为起点，距离丈量有困难时，可采用交会法定出里程桩的位置。如图14—2，在便于量距的地方作坝轴线MN的垂线EF，用钢尺量出EF的长度，测出水平角∠MFE，算出平距ME。图14-2 图14-2测设坝轴垂直线 这时，设欲放样的里程桩号为o+020，先按公式计算出β角，然后用两台经纬仪分别在M点和F点设站，M点的经纬仪以坝轴线定向，F点的经纬仪测设出β角，两仪器视线的交点即为0+020桩的位置。其余各桩按同法标定。(3)在各里程桩上测设坝轴线的垂线。垂线测设后，应向上、下游延长至施工影响范围之外，打桩编号，如图14—3所示。图14-3 2.测设坝轴平行线在河滩上选择两条便于量距的坝轴垂直线，根据所需间距，从坝轴里程桩起，沿垂线向上、下游丈量定出各点，并按轴距(即至坝线的平距)进行编号，如上10、上20、…，下10、下20…等。两条垂线上编号相同的点连线即坝轴平行线，应将其向两头延长至施工影响范围之外，打桩编号(图14—3)。在测设平行线的同时，还可一道放出坝顶肩线和变坡线，它们也是坝轴平行线。图14-3 14.1.1.3高程控制网的建立用于土坝施工放样的高程控制,可由若干永久性水准点组成基本网和临时作业水准点两级布设。基本网一般在施工影响范围之外布设水准点，用三等水准测量按环形路线(如图14-3中由ⅢA经BM1～BM6，再至ⅢA测定它们的高程；临时水准点直接用于坝体的高程放样,布置在施工范围内不同高度的地方并尽可能做到安置一、二次仪器就能放样高程。临时水准点应根据施工进程临时设置，附合到永久水准点上。(如图14—4中由BM1经1～3再至BM3)从水准基点引测它们的高程，并应经常检查，以防由于施工影响发生变动。图14-4 图14-5 14.1.2土坝清基开挖与坝体填筑的施工测量1.清基开挖线的放样清基开挖线是坝体与自然地面的交线，亦即自然地表上的坝脚线。套绘断面法是最简易的清基开挖线放样方法。此法与渠道断面放样相仿。首先测定各里程桩高程，沿垂直线方向测绘断面图(即横断面图)，在各断面图上再套绘坝体设计断面(图14—5)，从图上量出两断面线交点(即坝脚点)至里程桩的距离(如图中的D1和D2，)，然后据此在实地垂线上放样出坝脚点。将各垂线上的坝脚点连起来就是清基开挖线。但清基有一定的深度，为了防止塌方，应放一定的边坡，因此实际开挖线需根据地质情况从所定开挖线向外放宽一定距离，撒上白灰标明，如图14—3中的虚线所示。 图14-3 2.起坡线的放样清基完工后，位于基坑底面上的坝脚线称为起坡线。起坡线是填筑土石或浇筑混凝土的边界线。起坡线的放样也可采用套绘断面法。如果采用断面法，首先必须恢复里程桩，修测横断面图(即在原断面图上修测靠坝脚开挖线部分)，从修测后的横断面图上量出坝脚点的轴距再去放样。起坡线的放样精度要求较高。无论采用哪种方法放样，都应进行检查。如图14-6，设所放出的点为P。检查时，用水准测量测定此点高程为Hp，则此点至坝轴里程桩的实地平距(或放点时所用的平距)Dp应等于按下式所算出来的轴距，即Dp=+(H顶-HP)m如果实地平距与计算的轴距相差大于1／1000，应在此方向移动标尺重测高程和重量平距，直至量得立尺点的平距等于所算出的轴距为止，这时的立尺才是起坡点应有的位置。所有起坡点标定后，连成起坡线。 图14-6 3.坝体边坡的放样通常采用坡度尺法或轴距杆法。混凝土坝的边坡放样必须装置模板，模板的斜度用坡度尺确定。(1)坡度尺法按设计坝面坡度1：阴特制一个大三角板，使两直角边的长度分别为1市尺和阴市尺；在长为／n的直角边上安一个水准管。放样时，将小绳一头系于起坡桩上，另一头系在坝体横断面方向的竹杆上，将三角板斜边靠着绳子，当绳子拉到水准气泡居中时，绳子的坡度即等于应放样的坡度(图14—7)。(2)轴距杆法具体作法见教材。 图14-7 14.2混凝土坝的施工测量混凝土坝主要有混凝土重力坝、拱坝和支墩坝。下面就分别介绍常用的混凝土重力坝和拱坝的施工测量工作。主要是施工控制测量和立模放样。14.2.1混凝土坝的施工控制测量混凝土坝按其结构和建筑材料相对土坝来说较为复杂，其放样精度比土坝要求高。施工平面控制网一般按两级布设，不多于三级，精度要求最末一级控制网的点位中误差一般不超过±l0mm。 14.2.1.1基本平面控制网基本网作为首级平面控制，一般布设成三角网，并应尽可能将坝轴线的两端点纳入网中作为网的一条边。根据建筑物重要性的不同要求，一般按三等以上三角侧量的要求施测。为了减少安置仪器的对中误差，三角点一般建造混凝土观测墩，并在墩顶埋设强制对中设备，以便安置仪器和觇标。14.2.1.2坝体控制网混凝土坝采取分层施工，每一层中还分跨分仓(或分段分块)进行浇筑。坝体细部常用方向线交会法和前方交会法放样，为此，坝体放样的控制网——定线网，有矩形网和三角网两种，前者以坝轴线为基准，按施工分段分块尺寸建立矩形网，后者则由基本网加密建立三角网作为定线网。其做法如下： 1.矩形网图14-8为直线型混凝土重力坝分层分块示意图，图14-9为以坝轴线AB为基准布设的矩形网，它是由若干条平行和垂直于坝轴线的控制线所组成，格网尺寸按施工分段分块的大小而定。测设时，将经纬仪安置在A点，照准B点，在坝轴线上选甲、乙两点，通过这两点测设与坝轴线相垂直的方向线，由甲、乙两点开始，分别沿垂直方向按分块的宽度钉出e、f和g、h、m以及e′、f′，和g′、h′、m′等点。最后将ee′、ff′、gg′、hh′及mm′等连线延伸到开挖区外，在两侧山坡上设置I，Ⅱ．．．．．．V和I′、Ⅱ′……V′等放样控制点。然后在坝轴线方向上，按坝顶的高程，找出坝顶与地面相交的两点Q与Q"，(方法可参见土坝控制测量中坝身控制线的测设)，再沿坝轴线按分块的长度钉出坝基点2，3……10，通过这些点各测设与坝轴线相垂直的方向线，井将方向线延长到上、下游围堰上或两侧山坡上，没置1′2′，……11′，和1"、2"……11"等放样控制点。在测设矩形网的过程中，测设直角时须用盘左盘右取平均，丈量距离应细心校核，以免发生差错。 图14-8直线型混凝土重力坝分层分快示意图 图14-9矩形控制网 2.三角网图14-10为由基本网的一边AB(拱坝轴线两端点)加密建立的定线网ADCBFEA，各控制点的坐标(测量坐标)可测算求得。但坝体细部尺寸是以施工坐标系xoy为依据的，因此应根据设计图纸求算得施工坐标系原点o的测量坐标和OX的坐标方位角，按式(11—1)或式(11—2)换算为便于放样的统一坐标系统。图14-10 14.2.1.3高程控制网高程控制分两级布设，基本网是整个水利枢纽的高程控制。视工程的不同要求按二等或三等水准测量施测，并考虑以后可用作监测垂直位移的高程控制。作业水准点或施工水准点，随施工进程布设，尽可能布设成闭合或附合水准路线。 14.2.2混凝土重力坝坝体的立模放样14.2.2.1直线型重力坝的立模放样在坝体分块立模时，应将分块线投影到基础面上或已浇好的坝块面上，模板架立在分块线上，因此分块线也叫立模线，但立模后立模线被覆盖，还要在立模线内侧弹出平行线，称为放样线(图14-9中虚线所示)，用来立模放样和检查校正模板位置。放样线与立模线之间的距离一般为0.2一0.5m。1.方向线交会法如图14-9所示的混凝土重力坝，已按分块要求布设了矩形坝体控制网，可用方向线交会法，先测设立模线。如要测设分块2的顶点b的位置，可在7′，安置经纬仪，瞄准7"点，同时在Ⅱ点安置经纬仪，瞄准Ⅱ′点，两架经纬仪视线的交点即为b的位置。在相应的控制点上，用同样的方法可交会出这分块的其他三个顶点的位置，得出分块2的立模线。利用分块的边长及对角线校核标定的点位，无误后在立模线内侧标定放样线的四个角顶，如图14-9中分块abcd内的虚线。 2.前方交会(角度交会)法如图14-11，由A、B、C三控制点用前方交会法先测设某坝块的四个角点d、e、f、g，它们的坐标由设计图纸上查得，从而与三控制点的坐标可计算放样数据——交会角。如欲测设g点，可算出β1、β2、β3，便可在实地定出g点的位置。依次放出d、e、f各角点.也应用分块边长和对角线校核点位，无误后在立模线内侧标定放样线的四个角点。图14-11 14.2.2.2拱坝的立模放样拱坝有单曲拱坝和双曲拱坝两种类型。单曲拱坝的坝面弧线采用统一圆心，双曲拱坝坝面弧线的圆心随高度变动。单曲拱坝的放样比较简单，和双曲拱坝中放样一个拱圈的方法相同，本节先以某水利工程为例介绍单曲拱坝的放样方法,相当于双曲拱坝的每一层的放样再介绍双曲拱坝的放样。1.单曲拱坝的放样拱坝的放样常用前方交会法；如果量距方便，有时也采用极坐标法。当测图控制点的精度和密度能满足放样要求时，可以直接依据这些控制点按测图坐标进行放样，若精度和密度都不够时，可按测图坐标重新布设，并在使用比较频繁的控制点上设置固定仪器座架(仪器墩)。 图14-12为某水利枢纽工程的拦河大坝，系一拱坝，坝迎水面的半径为243m，以115度夹角组成一圆弧，孤长为487．732m，分为27跨，按弧长编成桩号，从0+13.286-5+01.000(加号前为百米)。施工坐标XOY，以圆心O与12、13分跨线(桩号2+40.000)为X轴，为避免坝体细部点的坐标出现负值,令圆心O的坐标为(500．000，500．00)。图14-12 现以第11跨的立模放样为例介绍放样数据的计算，图14-13是第11、12跨坝体分跨分块图，图中尺寸从设计图上获得，一跨分三块浇筑，中间第二块在浇筑一、三块后浇筑，因此只要放出一、三块的放样线(图中虚线所示a1a2b2c2d2d1c1b1及a3a4b4c4d4d3c3b3)。(1)放样点施工坐标计算由图14-13可知，放样点的坐标可按下列各式求得 式中0。5m为放样线与圆弧立模线的间距：i=1,3取“-”，i=2,4取“+”；(i=1,2,3,4) 根据上述各式算得第三块放样点的坐标如下：a3b3c3d3a4b4c4d4x695.277696.499697.508698.303671.626672.700673.587674.286y540.338533.889527.402520.886535.453529.784524.084518.375a 图14-13跨体分跨分快图 (2)交会放样点的数据计算图14-13中，ai,bi,ci,di等放样点是用角度交会法测设到实地的。例如，图14-14中放样点a4，是由标2、标3、标4三个控制点，用β1、β2、β3三交会角交会而得，标1也是控制点，它们的坐标是已知的。在这里控制点标1作为定向点，即仪器安置在标2，标3、标4，以瞄准标1为测交会角的起始方向。交会角β1、β2、β3根据放样点计算的坐标与控制点的坐标用反算求得，如图14-14中，标2、标3、标4的坐标与标1的坐标计算定向方位角α21、α31、α41，与放样点α4的坐标计算放样点的方位角α2a、、、、α3a4、、、、α4a4、、相应方位角相减，得β1、β2、β3的角值。有时可不必算出交会角，利用算得的方位角直接交会。例如把经纬仪安置在标2，瞄准定向点标1，使度盘读数为α21，而后转动度盘使读数为α2a4、、此时视线所指为标2—a4方向，同样两架经纬仪分别安置在标3及标4，得标3-a4及标4—a4二条视线，这三条视线相交，用角度交会法定出放样点a4。放样点测设完毕，应丈量放样点间的距离，是否与计算距离相等，以资校核。 2.双曲拱坝的放样从投影到平面上的图形来看，双曲拱坝由不同圆心和不同半径的一些圆曲线组成，所有圆心都与拱顶位于同一直线上(图14-15)，这条直线称为拱坝中心线。因为一般河谷都是下窄上宽，所以这些圆曲线所对的中心角及其半径总是按高程从下往上逐层增大，对应的圆心也因设计半径随高程增大而离坝体愈远。在施工中，拱坝是按高程分层、分段和分块浇筑的，放样的任务就是分层、分段放出每块立模线的位置。放样的方法和步骤介绍如下：(1)从设计图上量取拱坝中心线的方位角a0和最远圆心的坐标x，以此作为推算其他曲线点坐标的起算数据。其中，a0一般应量取中心线上两点的坐标进行反算求得。(2)根据最远圆心对应的半径与其他圆心对应的半径之差，以及中心线的方位角计算出其他圆心的坐际，即xi=x0+(R0-Ri)cosa0yi=y0+(R0-Ri)sina0 图14-15双曲拱坝的放样幻灯片33 (3)将每层拱圈两端对应的圆心角从中心线向两边分成若干个相同的等分(图14-16)，每等分的大小视具体要求而定(如分块大小、放样精度等；两端可能不足一等分)。根据各等分角边(半径)与中心线的夹角计算出各角边的方位角。(4)根据各圆心坐标、相应设计半径和方位角计算曲线各等分点(包括拱顶)上游面及下游面的坐标。(5)根据坐标反算出各曲线点与相邻控制点间的方位角和边长，在有关控制点上安置经纬仪，按方位角进行前方交会(或采用极坐标法)放出曲线点，标定拱圈的位置。 图14-16等分拱圈圆心角 14.2.2.3混凝土浇筑高度的放样模板立好后，还要在模板上标出浇筑高度。其步骤：(1)在立模前先由最近的作业水准点(或邻近已浇好坝块上所设的临时水准点)在仓内测设两个临时水准点.(2)待模板立好后由临时水准点按设计高度在模板上标出若干点，并以规定的符号标明，以控制浇筑高度。 14.3水闸施工测量水闸一般由闸室段和上、下游连接段三部分组成(图14-17)。闸室是水闸的主体，这一部分包括底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等。上、下游连接段有防冲槽、消力池，翼墙、护坦(海漫)、护坡等防冲设施。由于水闸一般建筑在土质地基甚至软土质地基上，因此通常以较厚的钢筋混凝土底板作为整体基础，闸墩和翼墙就浇筑在底板上，与底板结成一个整体。放样时，应先放出整体基础开挖线：在基础浇筑时，为了在底板上预留闸墩和翼墙的连接钢筋，应放出闸墩和翼墙的位置。具体放样步骤和方法如下： 图14-17水闸组成图 14.3.1主轴线的测设和高程控制网的建立水闸主轴线由闸室中心线(横轴)和河道中心线(纵轴)两条互相垂直的直线组成。从水闸设计图上可以量出两轴交点和各端点的坐标，根据坐标反算出它们与邻近测图控制点的方位角，用前方交会法定出它们的实地位置。主轴线定出后，应在交点检测它们是否相互垂直：若误差超过10"，应以闸室中心线为基准，重新测设一条与它垂直的直线作为纵向主轴线，其测设误差应小于10″。主轴线测定后，应向两端延长至施工影响范围之外，每端各埋设两个固定标志以表示方向(图14-18)。高程控制采用三等或四等水准测量方法测定。水准基点布设在河流两岸不受施工干扰的地方，临时水准点尽量靠近水闸位置，可以布设在河滩上。 图14-18主轴线方向 14.3.2基础开挖线的放样水闸基坑开挖线是由水闸底板的周界以及翼墙、护坡等与地面的交线决定的。为了定出开挖线，可以采用本章第一节介绍的套绘断面法。首先，从水闸设计图上查取底板形状变换点至闸室中心线的平距，在实地沿纵向主轴线标出这些点的位置，并测定其高程和测绘相应的河床横断面图。然后根据设计数据(即相应的底板高程和宽度，翼墙和护坡的坡度)在河床横断面图上套绘相应的水闸断面(图14-19)，量取两断面线交点到测站点(纵轴)的距离，即可在实地放出这些交点，连成开挖边线。为了控制开挖高程，可将斜高l注在开挖边桩上。当挖到接近底板高程时，一般应预留o．3m左右的保护层，待底板浇筑时再挖去，以免间隙时间过长，清理后的地基受雨水冲刷而变化。在挖去保护层时，要用水准测定底面高程，测定误差不能大于l０mm。 图14-19水闸断面 14.3.3水闸底板的放样底板是闸室和上、下游翼墙的基础。闸孔较多的大中型水闸底板是分块浇筑的。底板放样的目的首先是放出每块底板立模线的位置，以便装置模板进行浇筑。底板浇筑完后，要在底板上定出主轴线、各闸孔中心线和门槽控制线，并弹墨标明。然后以这些轴线为基准标出闸墩和翼墙的立模线，以便安装模板。1.底板立模线的标定和装模高度的控制2.翼墙和闸墩位置及其立模线的标定 14.4水库淹没界线测量水库边界线的测设常采用几何水准测量法。如图14-20所示，欲测设移民线上的两个界桩点76人-105和76人-106，可先从附近的水准点BM5开始，将高程引测至边界附近的正点上，然后以正点为后视，读取后尺读数，并按下式依次计算两界桩点的前尺读数b，即：b=Ha+a-H0式中Ha——后视点的高程，a一后尺读数，H0——待测界桩点的高程。由观测员指挥前视尺沿河谷的斜坡方向移动，直至望远镜中丝照准水准尺黑面的读数b，并在此埋设相应的界桩，再用黑红面读数精确测定界桩高程。对于能够纳入高程作业路线的永久或临时界桩，均应作为转点纳入路线(如图14-20中的76人—108，即B点)，这时应注意使转点到测站的前后视距相等。当水平视线方向通视条件不好时，可采用经纬仪测设比较方便. 图14-20几何水准测量测设水库边界线 本章小结主主要讲述了土坝的施工测量，混凝土重力坝和拱坝的施工测量，水闸施工测量，水库测量，具体内容如下：(1)土坝的控制测量包括土坝控制测量，土坝坝身控制线的测设，土坝高程控制测量。(2)土坝施工过程中的测量工作，包括清基开挖线的放样，起坡线的放样，坝体边坡的放样，坡面修整。（((3)混凝土坝控制测量，包括基本控制网的建立，坝身控制网的建立（格网控制线测设和三角网建立），高程控制网的建立。（ (4)混凝土坝施工测量主要介绍了重力坝施工测量和拱坝施工测量。分别介绍在施工的过程中所涉及到的几种测量工作，包括坡脚线开挖的放样，混凝土重力坝立模放样，单曲拱坝立模放样，双曲拱坝立模放样。(5)水闸的施工测量，包括主轴线的测设和高程控制网的建立，基础开挖线的放样，水闸底板的放样。(6)水库淹没界线测量。'