当精密水准路线必须跨越江河或峡谷时, 视线的长度将比一般的视距大得很多, 这时一方面照准水准尺读数的精度将要降低;另一方面视准轴与水准轴不平行及大气折光的影响也急剧增大, 加以水面上的空气温度梯度远与陆地上的不同, 就使得折光影响更加复杂化。为了顾及这些因素以求得可靠的成果, 《国家一、二等水准测量规范》 (GB12897-91) 第5.1款规定:当水准路线跨越江、河, 视线长度超过100m时, 应根据视线长度和仪器设备情况, 选择适当的跨河水准测量方法。
1 工程概况
某大桥位于河北省某市, 桥址处两岸地形平坦, 地面高程一般为4m~8m。桥址处河面宽约2.1km, 河槽宽浅。
大桥高程控制网设计为国家二等水准网, 采用1985国家高程基准 (复测) , 需进行过河水准测量。
2 过河 (江) 水准测量的几种方法
间接水准测量跨河有四种方法:“水准仪光学测微法”、“水准仪微倾螺旋法”、“经纬仪倾角法”、“测距三角高程法”, 其原理都是一致的, 都是为了消除各种误差, 观测测回多是为了消除测量误差和各种气象条件下的误差, 上半测回和下半测回安排在两个光段进行是为了消除不同气象条件下的误差, 近标尺观测方法是为了准确测量仪器视线高度, 特制觇牌的制作是为了放大水准标尺的刻画, 两台仪器同时对向观测是为了消除大气气象误差, 不同测回觇牌重新摆位是为了消除觇牌的对准误差等。
两台仪器同时对向观测为一半单测回, 另外一个光段仪器调岸观测组成一测回。两个测回组成一个双测回。一天中有三个光段, 上午、下午、夜晚, 上午和下午为对称光段, 夜晚单独为一光段。一般河面距离在500m内附合水准线路中只须一条边过河, 河面距离在500m~3500m间用平行四边形过河, 河面距离在3500m以上用大地四边形过河。河面距离在500m内采用水准仪光学测微法过河, 河面距离在500m上采用全站仪测距三角高程法过河。
根据水准测量规范: (1) 当水准路线视线长度在50m~100m时, 可采用一般的水准测量方法进行观测, 但应变更仪器高度两次测量, 两次高差之差不得超过1.5mm, 取用两次结果的中数; (2) 当水准路线视线长度在100m~5000m时, 可采用水准仪光学测微法, 采用精密光学水准仪水平视线照准觇板标志, 并读记测微鼓分划值, 求出两岸高差。 (3) 当水准路线视线长度在500m~1500m时, 可采用水准仪微倾螺旋法, 使用两台水准仪对向观测, 用倾斜螺旋或气泡移动来测定水平视线上下两标志的倾角, 计算水平视线位置, 求出两岸高差。本次二等水准跨越长河处远大于1500m, 故未采用该方法进行跨河水准测量。 (4) 当水准路线视线长度在1500m~3500m时, 可采用经纬仪倾角法和测距三角高程法。
大桥桥址处河面宽约2.1km, 只有采用经纬仪倾角法和三角高程法。三角高程法是根据垂直角和水平距, 计算测站点与照准点之间的高差。具体作业时需将各站点形成闭和环, 以便平差计算。外业工作量较大, 精度易受外界条件制约。最终选择经纬仪倾角法。
经纬仪倾角法的基本原理是:用经纬仪观测垂直角, 间接求出视线水平时中丝在远、近水准标尺上的读数, 两者之差就是远、近立尺点的高差。此法的最长适用距离可达3000m。
观测近尺时, 如图1所示, 使望远镜中丝照准与水平视线最临近的水准标尺基本分划a, 此时的垂直角为α。则水平视线在水准标尺上的读数为:
式中a为望远镜中丝照准水准标尺上基本分划的分划线注记读数;d为仪器至水准标尺的距离;α为倾斜视线的垂直角。
对远尺观测时, 如图2所示, 使觇标的两标志线对称于经纬仪望远镜的水平视线, 并将觇板固定在水准标尺上。将望远镜的中丝分别照准觇板上的两标志线, 则水平视线在远尺上的读数为
式中a为觇板的下标志线在水准标尺上的读数, 可按觇板指标线求得;α, β为照准觇板标志时倾斜视线的垂直角, 用经纬仪的垂直度盘测定;l为觇板两标志线之间的距离, 可用一级线纹米尺预先精确测定。
3 大桥过河水准施测情况
选取了F1-F2 (河面宽约2000m) 、F3-F4 (河面宽约2100m) 两处作过河水准测量。两次均选用2台南方NTS-362R全站仪同时对向观测。
4 数据处理
两台仪器对向观测, 分别获得一个高差值, 同型号仪器、同时段, 我们假定天气条件对高差的影响相同, 只是方向不同, 两个高差值中包含的大气折光等引起的误差大小相等、符号相反, 将两个高差值相加并取平均, 所得的平均数将接近高差真值。
其中4月15日数据0.17763偏离算术平均值较大, 不予采用, 余下16组数据求算术平均值得过河点 (F1-F2) 高差为0.18905m n-1标准差为0.0027mm, 显示精度良好。
其中4月14日数据0.13454偏离算术平均值较大, 不予采用, 余下16组数据求算术平均值得过河点 (F3-F4) 高差为0.14223m n-1标准差为0.0033mm, 显示精度良好。
两处过河水准使大桥两岸的水准点形成闭合环, 将过河成果代入水准网平差, 整个水准网的精度较好。
5 误差分析及对应措施
5.1 误差来源
(1) 照准误差。
经纬仪倾角法通过观测角度计算高差。只有精确照准才能保证测量精度。由于河面较宽, 觇标在望远镜里很小, 标志线就更细小了, 如果觇标不够醒目, 即使寻找觇标都很困难, 更不要说精确照准。过河水准观测宜在风力微和, 气温变化较小的阴天进行。
(2) 大气折光。
当视线在大气层中通过时, 视线会发生偏折, 由于大气密度不断变化, 视线也就会成为一条曲率不断变化的曲线。大气垂直折光对观测垂直角影响很大。大气垂直折光系数K, 目前尚不可能精确确定它的数值。通过实验发现, K值在一天内的变化, 大致在中午前后最小, 也最稳定;日出、日落时数值最大, 变化也快。也就是说, 每次观测的数据中都包含由大气折光引起的误差, 而且误差值还在不断变化。
5.2 对应措施
(1) 选择良好的观测条件、观测时段。
我们可以选择风力微和, 气温变化较小的阴天观测, 最好把观测时间选在10时至16时。一方面, 便于观测;还有就是K值相对稳定, 有利于提高精度。
(2) 选择稳定而无突变的经纬仪。
过河水准测量时间较长, 稳定的仪器不仅可以保证数据的可靠性, 还可以降低工作强度, 保证测量精度。
摘要：本文基于笔者从事过河 (江) 水准测量的相关工程经验, 以笔者参与的河北某大桥过河水准测量为研究背景, 分析了工程实践中方法的选用准则, 给出了具体的施测情况和数据处理思路, 进而探讨了误差的来源和消除策略, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：经纬仪倾角法,过河水准测量,误差
参考文献
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