第一章 综述
1.1 选题背景及研究意义
尾矿库较普遍的由三个部分构成：尾矿堆存部分、尾矿库排洪部分和尾矿库回水部分；相关研究表明，尾矿库排洪系统的泄流能力不足或排洪失效是引起尾矿库安全事故的主要原因。测量工作又是尾矿库排洪工程施工建设的基石，是保证工程施工质量的先行基础工作[1]。在排洪系统建设过程中，良好的测量施工方案是工程建设的前提条件。工程施工的每一步都离不开测量的指导，测量工作的好坏直接关系到整个工程的质量安全[2]；如果在工程施工中，施工测量工作出现失误，会造成较严重的工程质量问题，还有可能造成工程事故，同时浪费了大量的人力物力和资源，会造成经济的损失，延误工期。为避免造成巨大的工程损失，因此对施工测量进行合理的规划布局并严格执行是十分必要的[3]。
随着测量技术与方法的日益发展，卫星导航空间定位技术越来越多的应用在测量工作方面，这主要是由于空间定位技术的全天候、测量点间的不需要相互通视，同时测量点之间的相对精度也较高，这些都是 GPS 的优点[4]；在卫星导航空间定位中，由于 GPS 已经了有几十年的发展，在工程测量及控制网布设方面也有了一定的系统，所以目前很多隧洞外平面控制网大都采用 GPS 测量，特别是山区地带，然而，随着我国的北斗卫星日趋的完善，利用北斗卫星定位来实现工程测量的任务必将成为越来越多的工程建设使用工具，北斗卫星也将最大限度的为我国基础设施建设和国民经济的发展提供服务。基于以往的工程实践经验，洞、井外平面控制测量采用适宜等级的 GPS 网形进行布设，洞外高程控制网采用四等水进行布置及准施测基本能够满足规范的要求。
在平面控制方面，在用空间定位技术布设出洞外高精度平面控制网情况下，确定洞内导线精度，合理布设洞内控制网，理论推导出洞内平面控制网精度误差；在高程控制方面，由于控制网和洞内施测是靠四等水准测量，其精度很容易得到保证，故针对竖井传递高程误差影响较大这一薄弱环节，分析研究竖井垂线传递高程在测量角度和长度两个方面上的影响，竖井高程传递方面相关研究较少，丰富研究结论；随着北斗导航卫星的发展，北斗在工程上的应用势必会成为趋势，结合 2000 国家坐标系的实施，研究大地侧脸学相关知识，以北沟尾矿库排洪工程为例，编写一套适合本工程的坐标向 2000 国家坐标转换的系统。从这些方面出发，研究对整个工程的测量质量有着重要的意义。
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1.2 国内外研究现状
尾矿库工程建设是伴随着矿业的兴起发展起来的，一些发达国家由于在矿业方面也起步较早，故研究也较早。后来我国也结合本国矿产的实际情况，在尾矿库建设及测量工作的施测方法及数据处理等各一些方面做了较大的理论和应用的研究。过去在国内的水利矿山及城市建设等各个测量方面，测绘先驱们大都采用经纬仪、水准仪等传统测量工具，同时配合着钢尺，进行着大量的测绘数据处理，其工作强度大和任务量相当繁重。在这些工具的基础上，测绘先驱者一步步完成了我国的国家平面控制网，构成了严谨的测绘控制网。我国土地广袤，幅员辽阔，且地貌类型多样化，有高原高山盆地丘陵这些地貌，要构成全国的控制网其难度是非常大的，目前提供使用的国家平面控制网导线点共有十几万个，这些高精度控制点，控制点构成 1954 北京坐标系统、1980 西安坐标系两套系统[5]；与此同时，国务院下发相关文件要求全面实行 2000 国家大地坐标系，我国势必要实行新的坐标系即 2000 国家大地坐标系，国土资源部（现自然资源部）文件表明，要在 2018 年 7 月 1 日起全面开始使用 2000 国家大地坐标系，6 月底前完成我国各类型的坐标系统转换成2000 国家坐标系。届时起，测绘主管部门和国土资源部门为工程建设提供的坐标数据只有 2000 国家坐标系坐标，北京 54 坐标系和西安 80 坐标系退出历史舞台。
近年来，随着科技的发展，测量工具和计算机处理系统也得到了高速发展，精度较高的全站仪的出现为测量工作提供了较大的简化，提高了作业的效率，也提高了作业的精度，同时也极大地降低了作业人员的劳动强度，现如今的光电测量工具更主要的发展趋势则是向较高的测量效率和高度的自动化、智能化等方面发展。空间定位技术的出现更是为测量工作带来了极大地变革，现如今我们可以应用卫星接收机实现卫星的高精度定位，来达到我们在测量工作方面的目的，这又进一步的提高了作业效率，极大地降低了外业测量的劳动强度。特别是空间定位技术在隧道洞外控制测量的广泛使用，对洞外控制测量的格局产生了极大的影响，使其由传统的三角网测量和导线测量演变成简单的空间定位控制网，不仅节省了时间，而且内业外业的工作强度得到了极大的改善。
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第二章 工程控制测量理论
2.1 工程概述
北沟尾矿库位于洛阳市汝阳县，地处东经 110 度，北纬 33°－34°，项目区位于豫西伏牛山区，区内为山地丘陵地貌，东西两侧崇山峻岭，南北程狭长沟形之势，北沟因此得名。排洪系统地下部分主要由 5 座排水竖井，1070m 长的排洪支洞和 2223m 长的排洪主洞组成，竖井内径 5m，支洞与主洞均为内径 3.5m 圆形断面，纵向坡度 3.2%。北沟尾矿库概况见图 2.1 所示。
为满足需施工要，需要在各个隧洞进出口地段及竖井开挖面附近布设高精度平面控制网，项目区有高精度国家二级导线点一个，三级导线点二个。为更好地服务于北沟隧洞工程建设，决定建立北沟隧道工程独立控制网以确保隧道的正常、顺利贯通。北沟隧洞工程洞外独立平面控制网共布设 8 个控制点，其中新设 6 个控制点桩号：P1、P2、P3、P4、P5、P6，利用既有控制点桩号：三屯Ⅱ、吉家庄Ⅲ。经过地图选址和实地查看，将点 P1、点三屯Ⅱ设于北沟隧洞进口处，点 P2、点 P3布置在排洪隧洞工程中的最长支洞 2#支洞进口处，点 P4 和点 P5 两布置于排洪隧洞工程中的最深竖井 4#竖井井口工作面处，每个洞口确保 2 个及以上且相互通视的控制点，作业过程中根据具体任务加测布控符合导线或闭合导线点。
洞内平面控制采用碎步测量，利用洞口高等级控制点，用全站仪布设成支导线的形式往洞内支设，往洞中深入的过程中，由于没有多余的监测边，导线形式布设成每前进 500m 往返测量一次支导线，做闭合导线平差要求，类同闭合导线进行平差。
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2.2 设计依据及相关要求
要完成北沟尾矿库工程的测量任务，必须明确对设计依据和相关要求，结合相关设计要求得到如下设计基准。2.2.1 设计依据本工程控制测量及施工放样测量主要依据为：
1.《 全球定位系统 (GPS)测量规范 GB/T 18314-2001》(SL 52-2015)；
2.《水利水电工程施工测量规范》(SL 52-2015)；
3.《国家水准测量规范 GB/T12879-2006》(SL 52-2013)；
4. 相关技术任务书设计资料等文件 。
2.2.2 基准设计
北沟隧洞南北长东西窄，最长贯通距离 3km，项目区位于经度 110°与经度112°之间，如果按照高斯投影 3°带划分，项目区属于第 37 个 3°带，项目区投影在平面中位于第 37 个 3°带之间，项目区没有涉及到分带，但为了提高投影精度，中央子午线我们不设置为 110°或 112°，我们的控制网采用北京 54 坐标系统下的任意带高斯正投影，采用中央子午线为 111°的平面坐标系作为北沟隧洞工程的平面坐标系[18]。
采用 GPS 空间定位技术，由于 GPS 导航电文数据信息都是参考椭球 WGS84相关参数，故通过 GPS 接收机获得的数据都是 WGS84 参考椭球下的数据[19]，而我们的工程实际是需要转换成地方独立坐标系或国家坐标系或的坐标，本工程给定的设计 1:2 万地形图以及已知国家导线点坐标是北京 54 高斯平面直角坐标系统。因此需要结合测区概况和已有资料，后期数据处理过程中进网的约束平差，使其投影面与北京 54 坐标系相同。
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3.1 GPS 技术简介............................. 10
3.1.1 GPS 系统介绍............................... 10
3.1.2 GPS 定位原理.....................11
第四章 隧洞贯通误差分析...........................22
4.1 贯通误差理论..................................22
4.2 导线网布设及精度分析........................22
第五章 竖井垂吊传递高程对贯通竖向精度的影响.........................31
5.1 高程系统...............................31
5.2 竖井垂线定向.................................32
第六章 北沟尾矿库施工测区坐标转换
6.1 我国坐标系的发展
要顺利实现一个工程的建设，需要知道工程的平面坐标和高程坐标，平面坐标包括工程点的 x 值和 y 值，工程平面坐标系一般横轴表示 y 轴，竖向表示 x 值，竖直坐标包括工程点的 h 值。我国的坐标系发展如下。
6.1.1 平面坐标系统
工程建设中，为了确定点的平面位置，需要建立一个平面坐标系，一般的在工程坐标系中纵轴坐标为 x 值，横轴坐标为 y 值。我国自建国以来，为进行国民及经济建设，坐标系统的发展经过测绘先驱的辛苦工作，组建了全国北京 54 坐标系和西安 80 坐标系下的平面直角坐标系控制网。
同时应用与地方的还有地方的独立坐标系，比如工程中用 GPS 建立的 WGS84坐标系作为地方独立坐标系也常常被使用，
WGS84 坐标系原点在为地球质心。
2000 国家大地坐标系。由于国家各个地方测量数据及坐标的不统一，还有很多地方独立坐标系的存在，这些因素都在不同方面制约了我国经济建设的发展，特别是在海洋领域的建设，不能只靠平面直角坐标系统和大地水准面系统，这也迫切的需要我国建设一套统一的符合经济建设需要的坐标系统。
高斯平面直角坐标系。上述的坐标系都是三维坐标系，根据坐标系得以确定地球上某一点的经纬度坐标和椭球面高。在实际工程中需要转化成平面坐标进行施工，因此我们球面测区投影到平面上来，这就是平面直角坐标系。
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第七章 结论与展望
1 主要结论
北沟尾矿库排洪隧洞工程在贯通面 D40 处已于 2018 年 6 月贯通，经过实际的测算横向贯通误差非常小。通过对贯通成果进行评定，均达到规范及测量设计要求，特别是横向贯通误差，实际贯通误差与本文理论仅多 7.8mm。
由于地球不是正球体，且球面上地势高低起伏，质量分布不均，垂线竖直方向朝向与似大地水准面法向有一定夹角，同时在垂吊钢尺传递高程过程中，高程误差受光学仪器观测旁折光及钢尺物理性质影响，造成高程传递在竖井施工过程中积累较大的误差，而且从工程造价方面分析，竖井施工到设计高程时，如果沿着主洞中线方向朝向主洞贯通，运输碎渣的成本也会大大增加，因此，本工程在竖井点位施工出马头门，把坐标和高程传递到主洞中线之后就停止继续贯通施工。
通过分析我国坐标系的发展历程及坐标系对工程建设的作用，进一步确认了我国建设统一的地心坐标系统的必要性。结合工程实例，建立本工程坐标向 2000国家坐标系转换的系统，为最后成果的提交和工程应用提供依据。
北沟尾矿库排洪工程施工测量的建设过程中，依据相关规范确定技术路线，首先用 GPS 定位技术建立精密首级平面控制网，高程控制网采用 85 国家高程基准，利用水准测量技术布设测区。然后进行隧洞贯通面横向精度分析，并合理布设洞内导线控制网，同时进行竖井垂吊高程对贯通面竖向精度影响分析，最后基于我国北斗卫星的完善和 2000 国家坐标系统的全面实施，分析本工程坐标向国家 2000 坐标转换相关内容及方法。以上，通过这些方面研究本工程的相关测量工作，得出以下结论：
（1）在隧洞平面控制网方面，进行横向贯通误差分配的时候，洞外控制网误差比洞内控制网误差重要，要优先分配。
（2）在竖井高程控制方面，由于竖井垂线定向及垂吊钢尺传递高程具有在方向和距离上两个方面的影响因素，根据误差传播定律，高程误差会不断积累，故在竖井工程的施工中，贯通到设计高程后就不再向主洞方向贯通。
（3）随着我国北斗卫星的不断完善以及 2000 国家坐标系统的全面实施，分析大地测量学的基础，用 Visual Basic 软件，编写了一套适合本工程实际的向 2000 国家坐标系统转换的软件，能直接进行本工程运用。
参考文献（略）