第一節 概述
在水利事業中采取的工程措施稱為水利工程，工程中的建築物稱為水利工程建築物，簡稱水工建築物。水利工程按修建的目的和作用分，一般有：水力發電工程、治河防洪工程、農田水利工程、交通運輸工程、城市供水工程等。上述各種類型的工程都必須修建各種相應的水工建築物以控製和支配水流。這些水工建築物的綜合體稱為水利樞紐。水利樞紐按其主要任務不同，所包含的水工建築物也不相同。按照建築物的用途，可分為一般水工建築物和專門水工建築物兩大類。
一般水工建築物有：（1）擋水建築物：用以攔截水流，壅高水位或形成水庫，如各種閘、壩和堤防等。（2）泄水建築物：用以從水庫或渠道中泄出多餘的水量，以保證工程的安全，如各種溢洪道、泄洪隧洞和泄水閘等。（3）輸水建築物：從水源向用水地點輸送水流的建築物，如渠道、隧洞、管道等。（4）取水建築物：它是輸水建築物的首部，如深式進水口、各種進水閘等。（5）河道整治建築物：為調整河道改善水流狀態，防止水流對河床產生破壞作用所修建的建築物，如護岸工程、導流堤、丁壩、順壩等。
專門水工建築物有：（1）發電建築物：如發電用的引水管道、壓力管道、電站廠房等。（2）通航建築物：在河道上建壩之後，上下遊形成了水位差，為了保證船隻的正常通行，需要修建通航建築物，如船閘、升船機、過水道等。（3）農田水利建築物：如專為農田灌溉用的沉沙地、量水設備、渠係及渠係建築物等。（4）給水、排水建築物：如專門的進水閘、抽水站、濾水池等。（5）漁業建築物：如魚道、舉魚機、魚閘、魚池等。
應當指出，有些水工建築物的功能並非是單一的。根據開發水流、綜合利用水利資源的原則，一個水利樞紐往往要滿足多個水利部門的要求，因此，它必須包括具有各種用途的水工建築物。例如，圖13-1所示的水利樞紐具有防洪、發電、航運、灌溉等綜合效益，它由泄水閘、電站廠房、船閘、土石壩等多種建築物組成。
測量工作在水利工程建設中起著十分重要的作用。在水利工程的規劃設計階段，要對一條河流進行綜合開發，使其在供水、發電、航運、防洪及灌溉等方麵都能發揮最大的效益，應該對整個流域進行宏觀了解，進行不同方案的分析比較，確定最優方案，這時應該有全流域小比例尺（如1∶5萬或1∶10萬）的地形圖。當進行水庫的庫容與淹沒麵積計算時，為了正確地選擇大壩軸線的位置，這時應該采用較小比例尺（如l∶1萬～1∶5萬）的地形圖；壩軸線選定後，在工程的初步設計階段，布置各類建築物時，應提供較大比例尺（如1∶2000～1∶5000）的地形圖；在工程的施工設計階段，進行建築物的具體形狀、尺寸的設計，應提供更大比例尺（如1∶500～1∶1000）的地形圖。另外，由於地質勘探及水文測驗等的需要，還要進行一定的測量工作。
在工程的建築施工階段，為了把設計圖紙上的各種建築物的平麵位置和高程以一定的精度測設到現場，首先要根據現場地形、工程的性質以及施工組織設計等情況，布設施工控製網；然後，按照施工的需要，采用適當的放樣方法，將圖紙上設計好的建築物測設到實地，以指導施工。另外，在施工過程中，有時還要進行變形觀測。工程竣工後，要測繪竣工圖，以作為工程完工後的驗收資料，並為今後工程的擴建或改建提供第一手資料。
在工程的運行管理階段，需要對水工建築物進行變形觀測，一方麵能夠驗證設計理論，為水工建築物的設計和研究提供重要的數據，另一方麵能及時掌握建築物的安全與穩定情況，一旦發現異常變化，可及時采取相應措施，防止事故的發生。水工建築物的變形觀測項目主要包括大壩的水平位移、垂直位移（又稱沉陷）、裂縫、滲漏觀測等。
本章重點介紹水利樞紐建築物施工階段的測量工作，運營管理階段的測量工作將在變形監測部分介紹。
第二節 水利樞紐工程的施工控製網
水利樞紐的主要建築物包括大壩、發電站機房、船閘、溢洪道等。各建築物之間在平麵位置和高程方麵均有一定的聯係。各建築物是分別施工的，建成後聯接成一個整體，它們之間的相對位置必須滿足設計要求。施工時應首先建立整個水利樞紐的施工控製網，然後分別施工放樣。由於水利樞紐工程多建在山區，地形複雜且起伏較大，加之建築物眾多，所以施工控製網布設時要參照設計總平麵圖統一考慮。施工控製網的點位布設應充分考慮建築物的分布、施工程序、施工方法以及施工場地的布置情況。應做好點位保護工作，將施工控製點畫在施工總平麵圖相應的位置上，並教育施工現場人員保護點位。
一、平麵控製網的建立
水利樞紐施工控製網的布設應綜合考慮工程建築物的布置、施工區域的地形條件及施工計劃和環境因素。首級平麵控製網宜采用邊角網，有時也可布設測角網、電磁波測距導線、GPS網等形式。由於控製點分布在不同高度上，有時與鄰近點不通視而隻能與遠點通視，導致控製網的圖形往往很不規則又很複雜。
水利樞紐的大部分建築物位於大壩的下遊，若控製點按一般情況均勻布設，則隨著壩體施工麵的升高，上下遊間將不能通視，上遊的一部分點位會失去作用。另外，蓄水後布設於上遊的一些控製點將被淹沒，並且點位的穩定性也會受到影響。因此，水利樞紐施工控製點的分布應以大壩的下遊為重點，但上遊也要作適當的照顧，以利於放樣工作的順利進行。
從放樣時使用方便出發，控製點應盡量靠近建築物，但這樣很容易被施工破壞，即使點位保存下來，由於施工的影響也很難保證它的穩定性。為了解決這種矛盾，水利樞紐施工平麵控製網常常分兩級布設。首級控製網為基本網，起著控製各建築物軸線的作用，其點位應盡量選在地質條件好、施工幹擾小、穩定且便於長期保存的地方；第二級為定線網，它是依據首級網加密形成的，其點位靠近建築物，直接控製建築物的輔助軸線和細部位置。定線網點在施工期間要定期用基本網點來檢查。定線網可以布設成矩形網、邊角網、導線網、三角網等形式。
在水利樞紐工程勘測設計階段，設計人員往往在實地上確定出大壩軸線的2~3個點。建立首級平麵控製網時，應盡量將壩軸線作為控製網一條邊，這樣既方便放樣，又便於提高壩軸線上點位的放樣精度。
水利樞紐施工平麵控製網各控製點間的高差較大，而控製網的邊長相對較短，因此，在一個測站上所觀測的各方向豎直角的變化也較大。為了減小對中誤差和照準偏心誤差的影響，一般直接在岩石上造標或澆注混凝土觀測墩，埋設車有螺紋的金屬標誌為標心。岩石上的標誌可直接架設經緯儀和安置標杆進行觀測，混凝土觀測墩可將經緯儀旋緊在標誌上，達到強製歸心。標杆可根據網邊的長短，做成粗細不等的紅白花杆，花杆的底部為母螺紋，可旋緊在標誌上進行觀測。觀測墩底部一般埋設在岩石上，當標誌位於土層較厚的地段時，應加大標石的底部尺寸，以增加點位的穩定性，特殊情況下，也可用直徑為20cm左右的金屬管狀標代替鋼筋混凝土觀測墩。為了使管狀標穩定，可在管內灌滿混凝土，而在金屬管頂部安裝一個金屬圓盤，以放置儀器和照準標誌。
由於控製網邊短、各控製點間的高差較大，因此一個測站上所觀測的各方向的垂直角度變化較大，此時應特別注意儀器縱軸的垂直性。在觀測之前必須嚴格檢校儀器，觀測時仔細整平儀器。控製網離水麵較近，觀測容易受到水霧等的影響，所以應選擇目標成像清晰穩定的時間段施測。首級控製網的等級，應根據工程規模和建築物的施工精度要求按表13-1選擇，各等級控製網的平均邊長。
二、施工平麵控製網的精度要求
水工建築物放樣的精度要求有以下兩個特點：一是鬆散性，一個水利樞紐建築物可以分成不同的整體，各整體（如壩、溢洪道、船閘等）之間具有鬆散的聯係，不僅如此，在散鬆聯係的各整體內部，如電站中各機組之間，它們的聯係也是鬆散的，我們可利用這些鬆散部位作誤差調整或吸收誤差；二是整體性，一些相互關聯的水工結構物之間和金屬結構建築物都具有較高的相對精度要求，需盡可能采用相同的控製點或建築物軸線、輔助軸線進行放樣。
根據水工建築物放樣要求的上述特點，在考慮布設施工控製網時首先應劃分工程部位的鬆散區段和整體區段。將閘門區段、水電廠房區段、船閘段、溢流段等作為整體區段，而將這些建築物的連接處作為鬆散區段；將有金屬結構聯係的建築物劃分為整體區段，否則為鬆散區段。由此，區分開各部分對放樣精度的不同要求，然後確定設計方案。
根據所劃分的整體區段的多少、彼此相距的遠近、麵積的大小以及所占整個施工區麵積的比例，來考慮施工控製網的布設方案。如果整體區段相距較近，且合並後麵積占整個施工區麵積的比例較大，而整個主要建築區的麵積又不大（1km2左右）時，可考慮采用全麵提高整個控製網精度的方案，采用這種方案的控製網精度需根據整體性要求最高的建築物來設計。當整體性區段彼此相距較遠，或整體性建築物雖相距較近但它們聯合後的麵積較大時，則以不合並為宜。此時，整個施工場地的控製網可隻考慮放樣各整體性區段的軸線，而對局部的整體性區段則通過加密控製網來進行放樣，根據首級控製網（基本網）的精度及欲放樣的整體性區段的要求來決定加密控製網作為附合網或獨立加強網（即在精度上可高於首級控製）。施工放樣需要的是控製點間的實際距離，所以控製網邊長通常投影到建築物平均高程麵上，有時根據需要也可投影到放樣精度要求最高的高程麵上，如水輪機安裝高程麵上。
（一）設計施工控製網的依據
建立施工控製網的目的是按一定精度要求將各建築物的軸線放樣到實地，有時還需放樣主要建築物的輪廓點。設計施工控製網精度的依據是主軸線和主要建築物輪廓點的放樣要求。根據我國《水利水電工程施工測量規範》的規定，大壩、廠房、船閘、水閘等建築物的主要軸線點均應由等級控製點進行測設，主要軸線點相對於鄰近控製點的點位中誤差不應大於20mm。表13-3為該規範對施工測量的主要精度指標的規定，由表可知，施工控製網應滿足混凝土建築物輪廓點放樣的要求，即保證放樣點位中誤差（m0）在±20mm以內。水利樞紐工程施工測量中精度要求最高的是機電與金屬結構安裝，一般為1~10mm之間，但安裝測量的實踐表明，安裝工作一般均根據安裝軸線進行，因而在設計施工控製網時可以不考慮機電與金屬結構安裝的要求。
當施工控製網采用兩級（基本網與定線網）布網時，可以根據建築物輪廓點放樣的精度要求來確定定線網的精度要求。
（二）定線網精度設計
定線網直接用於建築物放樣，選擇點位應盡量便於施工放樣，在可能的情況下，點位應選在廠房、船閘、水閘等建築物的主要軸線上。利用定線網點放樣建築物輪廓點的誤差有兩個來源：一是控製點誤差引起的放樣點位誤差M1，二是放樣過程中的誤差M2，放樣點誤差為：
（13-1）
欲使控製點誤差對放樣點位的影響可忽略（僅占總誤差的10%），設mP=20mm，則要求：
M1=0.4mP=±8mm （13-2）當用前方交會法放樣時，在不考慮交會基線方位誤差的情況下，控製點誤差對放樣點位的影響PP0（參見圖13-2）可推證如下：從相似△BP'B’中可得：PP0=P'B=。在一般情況下，可以選擇合適的放樣控製點，使sin≥sin，故有PP0≤ms，因此可把兩個控製點間的邊長誤差看做控製點誤差對放樣點位的影響，由此提出最低一級加密網的邊長誤差ms=±8mm。
根據經驗，用控製點交會放樣時，交會邊長一般在200～400m之間，因此施工控製網最低一級定線網的最弱邊相對中誤差應為1/5萬～1/2.5萬之間。
（三）基本網精度設計
基本網的精度設計可按兩種不同思路進行：一種是按傳統的測量布網原則，即逐級控製；另一種則是考慮到水利樞紐不同水工建築物之間存在鬆散聯係，而基本網的作用主要是統一整個樞紐的坐標係統，此時，為放樣不同建築物而加密的定線網可以看成是相應建築物放樣的首級控製網。
1.按逐級控製的原則設計基本網
（1）由基本網用插網（或插點）方式加密定線網時，基本網的必要精度的確定原則為：當用基本網分級加密定線網時，則基本網的精度取決於加密級數和精度梯度。根據經驗，施工控製網布設梯級以不多於三級為宜，故以三級布網來討論基本網的必要精度。若取精度梯度為1/2，則由最低一級定線網的精度要求，可以對各梯級提出如表13-4所示的精度要求。
（2）由基本網用插點方式加密定線網時，基本網的必要精度估算如下：
當直接由基本網用插點方式加密定線網時，最不利情況為兩相鄰插點間無直接聯係，如圖13-3所示的1、2兩點。此時，1、2兩點間的邊長誤差ms與這兩點的點位誤差M1、M2之間的關係可按下式計算：
（13-3）
當認為點1、2的誤差獨立，且假設M1=M2=M時，則ms=M=±8mm。即，直接由基本網用插點加密定線網時，應從保證插點點位中誤差不大於8mm的角度來確定基本網的精度。
用插點方式加密定線網時，插點點位中誤差可近似地表示為：
（13-4）
式中：M‘為插點時的測量誤差；mb為基本網邊長中誤差；b為基本網邊長；s為插點時邊長。
顯然，理想情況是插點在基本網點形成的等邊三角形的中心，此時：；插點在三角形外較為不利，此時：。考慮一般情況，取，則按（13-4）可得：
（13-5）
設，代入式（13-5），得：
（13-6）
考慮到基本網平均邊長大於1km是極個別情況，故可以認為，當用插點方式加密定線網時，基本網最弱邊邊長相對誤差應在1/20萬～1/6萬之間。
2.考慮水工建築物之間的鬆散聯係來設計基本網在考慮到水工建築物之間的鬆散聯係時，則可以把不同類的水工建築物（如電廠、船閘等）看成是獨立的建築物。當用基本網加密定線網後，定線網可以看成是該獨立建築物的首級控製網，定線網相對於基本網的誤差在施工放樣中可不予考慮。按照這一思想設計基本網時，可以從放樣建築物主要軸線點的誤差不大於±20mm考慮。通常放樣主要軸線點的距離不超過400m，控製點誤差對放樣點誤差的影響不大於±8mm，所以可按最弱邊邊長誤差不超過1/5萬的要求來設計基本網。在實際工作中，可按主要建築物附近的基本網邊長相對誤差不超過1/5萬進行設計。