水准测量原理

11第二章水准测量高程是确定地面点位置的要素之一，在工程建设的设计、施工与管理等阶段都具有十分重要的作用。测定地面点高程的工作称为高程测量。高程测量按所使用的仪器和施测方法不同，主要有水准测量和三角高程测量等。水准测量是高程测量中最常用的一种方法。本章主要介绍水准测量原理、水准仪的构造及其使用、水准测量的施测方法与成果整理以及仪器的检验与校正等内容。2-1水准测量原理水准测量不是直接测定地面点的高程，而是测出两点间的高差。即在两个点上分别竖立水准尺，利用水准测量的仪器提供的一条水平视线，瞄准并在水准尺上读数，求得两点间的高差，从而由已知点高程推求未知点高程。如图2-1所示，设已知A点高程为AH，用水准测量方法求未知点B的高程BH。在A、B两点中间安置水准仪，并在A、B两点上分别竖立水准尺，根据水准仪提供的水平视线在A点水准尺上读数为a，在B点的水准尺上读数为b，则A、B两点间的高差为：bahAB（2-1）图2-1水准测量原理设水准测量是由A点向B点进行，如图2-1中箭头所示，则规定A点为后视点，其水准尺读数a为后视读数；B点为前视点，其水准尺读数b为前视读数。由此可见，两点之间的高差一定是“后视读数”减“前视读数”。如果ab，则高差ABh为正,表示B点比A点高；如果ab，则高差ABh为负，表示B点比A点低。在计算高差ABh时，一定要注意ABh的下标AB的写法：ABh表示A点至B点的高差，BAh则表示B点至A点的高差，两个高差应该是绝对值相同而符号相反，即BAABhh＝－(2-2)12测得A、B两点间高差ABh后，则未知点Ｂ的高程BH为：)(baHhHHAABAB(2-3)由图2-1可以看出，B点高程也可以通过水准仪的视线高程iH（也称为仪器高程）来计算，视线高程iH等于A点的高程加A点水准尺上的后视读数a，即aHHAi＝(2-4)则bHbaHHiAB)((2-5)一般情况下，用(2-3)式计算未知点B的高程BH，称为高差法。当安置一次水准仪需要同时求出若干个未知点的高程时，则用(2-5)式计算较为方便，这种方法称为视线高法。即每一个测站上测定一个视线高程作为该测站的常数，分别减去各待测点上的前视读数，即可求得各待测点的高程。这在建筑工程中经常用到。在实际水准测量中，A、B两点间高差可能较大或相距较远，不可能安置一次（一测站）水准仪即能测定两点间的高差。此时可在沿A点至B点的水准路线上增设若干个必要的临时立尺点，称为转点，根据水准测量原理依次连续地在两个立尺点中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，最后取各个测站高差的代数和，即求得两点间的高差值，这种方法称为连续水准测量。如图2-2所示，欲求ABh，在A点至B点水准路线上增设1n个临时立尺点（转点）11~nTPTP，安置n次水准仪，依次连续地测定相邻两点间高差1h～nh，即111bah222bah………nnnbah则nABhhhh21＝h＝a－b(2-6)式中，a为后视读数之和，b为前视读数之和，则未知点Ｂ的高程为AABABHhHHa()b(2-7)图2-2连续水准测量A、B两点间水准路线上增设的转点起着传递高程的作用。为了保证高程传递的正确性，在连续水准测量过程中，不仅要选择土质稳固的地方作为转点位置（宜安放尺垫），而且在相邻测站的观测过程中，要保持转点（尺垫）稳定不动；同时要尽可能保持各测站的前后视距大致相等；还要尽可能通过调节前、后视距离保持整条水准路线中的前视视距之和与后视视距之和相等，这样有利于消除（或减弱）地球曲率和仪器某些误差对高差的影响。132-2水准测量仪器及其操作水准仪是水准测量的主要仪器。按水准仪所能达到的精度，它分为DS05、DS1、DS3及等几种等级（型号）。“Ｄ”和“Ｓ”表示中文“大地”和“水准仪”中的“大”字和“水”字的汉语拼音的第一个字母，通常在书写时可省略字母“Ｄ”；下标“05”、“1”、“3”及“10”等数字表示该类仪器的精度，见表2-1。我国目前常用的S05型（如威特N3，蔡司Ni004）和S1型（如国产S1，蔡司Ni007）水准仪属于精密水准仪，配有相应的精密水准尺。水准仪上配置光学测微器，可以在水准尺上估读至0.01mm，水准器有较高的灵敏度，望远镜也有较高的放大倍数，仪器的结构稳定，受外界影响小。精密水准尺是在木质或金属尺身槽内，张一因瓦合金带，在带上标有分划线，数字注在周边木尺或金属上，尺上两排分划彼此错开，分划宽度有10mm和5mm两种。精密水准仪用于国家一二等水准测量、大型工程建筑物施工及变形测量以及地下建筑测量、城镇与建（构）筑物沉降观测等。S3型水准仪称为普通水准仪，用于国家三四等及普通水准测量。本节主要介绍S3型水准仪及其使用。表2-1常用水准仪系列及精度表水准仪系列型号S05S1S3每公里往返测高差中数的中误差≤0.5mm≤1mm≤3mm一、S3型水准仪的构造图2-3为S3型微倾式水准仪，它主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。仪器的上部有望远镜、水准管、水准管气泡观察窗、圆水准器、目镜及物镜对光螺旋、制动扳手、微动及微倾螺旋等，通过仪器竖轴与仪器基座相连。望远镜和水准管连成一个整体，转动微倾螺旋可以调节水准管连同望远镜一起相对于支架作上下微小转动，使水准管气泡居中，从而使望远镜视线精确水平。由于用微倾螺旋使望远镜上、下倾斜有一定限度，可先调整脚螺旋使圆水准器气泡居中，粗略定平仪器。图2-3S3型水准仪整个仪器的上部可以绕仪器竖轴在水平方向旋转。水平制动扳手和微动螺旋用于控制望远镜在水平方向转动。松开制动扳手，望远镜可在水平方向任意转动；只有当扳紧制动扳手后，微动螺旋才能使望远镜在水平方向上作微小转动，以精确瞄准水准尺。基座的作用是支承仪器的上部，并通过连接螺旋使仪器与三角架相连。它包括轴套、脚14螺旋、三角形底板等，仪器竖轴插入轴套内。1．望远镜望远镜是用来精确瞄准远处水准尺和提供视线进行读数的设备。如图2-4所示，它主要由物镜1、目镜2、调焦透镜3及十字丝分划板4等组成。5是物镜对光螺旋，6是目镜对光螺旋，7是从目镜中看到的经过放大后的十字丝分划板上的像。十字丝分划板是用来准确瞄准目标用的，中间一根长横丝称为中丝，与之垂直的一根丝称为竖丝，在中丝上下对称的两根与中丝平行的短横丝称为上、下丝（又称视距丝）。在水准测量时，用中丝在水准尺上进行前、后视读数，用以计算高差；用上、下丝在水准尺上读数，用以计算水准仪至水准尺的距离（视距）。图2-4测量望远镜物镜和目镜采用多块透镜组合而成，调焦透镜由单块透镜或多块透镜组合而成。望远镜成像原理如图2-5所示，望远镜所瞄准的目标AB经过物镜的作用形成一个倒立而缩小的实像ab。调节物镜对光螺旋即可带动调焦透镜在望远镜筒内前后移动，从而将不同距离的目标清晰地成像在十字丝平面上。调节目镜对光螺旋可使十字丝像清晰，再通过目镜，便可看到同时放大了的十字丝和目标影像''ba。通过物镜光心与十字丝交点的连线CC称为望远镜视准轴，视准轴的延长线即为视线，它是瞄准目标的依据。从望远镜内所看到目标影像的视角与观测者直接用眼睛观察该目标的视角之比称为望远镜的放大率（放大倍数）。如图2-5所示，从望远镜内所看到的远处物体AB的影像''ba的视角为，肉眼直接观测原目标AB的视角可近似地认为是，故放大率/v。S3型水准仪望远镜放大率一般不小于28倍。图2-5望远镜成像原理由于物镜调焦螺旋调焦不完善，可能使目标形成的实像ab与十字丝分划板平面不完全重合，此时当观测者眼睛在目镜端略作上、下少量移动时，就会发现目标的实像ab与十字丝平面之间有相对移动，这种现象称为视差。测量作业中不允许存在视差，因为它不利于精确地瞄准目标与读数，所以在观测中必须消除视差。消除视差的方法：首先应按操作程序依次调焦，先进行目镜调焦，使十字丝十分清晰；再瞄准目标进行物镜调焦，使目标十分清晰，当观测者眼睛在目镜端作上下少量移动时，发现目标与十字丝平面之间没有相对移动，则表15示视差不存在；否则应重新进行物镜调焦，直至无相对移动为止。在检查视差是否存在时，观测者眼睛应处于松弛状态，不宜紧张，且眼睛在目镜端上下移动量不宜大，仅作很少量移动，否则会引起错觉而误认为视差存在。2．水准器水准器是水准仪上重要部件。它是利用液体受重力作用后使气泡居为最高处的特性，指示水准器的水准轴位于水平或竖直位置，从而使水准仪获得一条水平视线的一种装置。水准器分圆水准器和水准管两种。（1）水准管水准管由玻璃管制成，其纵向内壁研磨成具有一定半径的圆弧（圆弧半径一般为7～20m），内装酒精和乙醚的混合液，加热密封冷却后形成一小长气泡，因气泡较轻，故处于管内最高处。水准管圆弧中点O称为水准管零点，通过零点O的圆弧切线LL，称为水准管轴，如图2-6(a)所示。水准管表面刻有2mm间隔的分划线，并与零点O相对称。当气泡的中点与水准管的零点重合时，称为气泡居中，表示水准管轴水平。若保持视准轴与水准管轴平行，则当气泡居中时，视准轴也应位于水平位置。通常根据水准气泡两端距水准管两端刻划的格数相等的方法来判断水准气泡精确居中，如图2-6(b)所示。图2-6水准管水准管上两相邻分划线间的圆弧（弧长为2mm）所对的圆心角，称为水准管分划值（或灵敏度）。用公式表示为2R（2-8）式中＝206265″；R——水准管圆弧半径，单位为mm。上式说明分划值与水准管圆弧半径R成反比。R愈大，愈小，水准管灵敏度愈高，则定平仪器的精度也愈高；反之定平精度就低。S3型水准仪水准管的分划值一般为20″/2mm，说明气泡移动一格（2mm），水准管轴倾斜20″。为了提高水准管气泡居中精度，S3型水准仪的水准管上方安装有一组符合棱镜，如图2-7所示。通过符合棱镜的反射作用，把水准管气泡两端的影像反映在望远镜旁的水准管气泡观图2-7水准管与符合棱镜图2-8圆水准器16察窗内。当气泡两端的两个半像符合成一个圆弧时，就表示水准管气泡居中，如图2-7(a)所示；若两个半像错开，则表示水准管气泡不居中，如图2-7(b)所示。此时可转动位于目镜下方的微倾螺旋，使气泡两端的半像严密吻合（即居中），达到仪器的精确置平。这种配有符合棱镜的水准器，称为符合水准器。它不仅便于观察，同时可以使气泡居中精度提高一倍。（2）圆水准器圆水准器用于初步整平仪器，如图2-8所示。圆水准器顶面的内壁磨成圆球面，顶面中央刻有一个小圆圈，其圆心O称为圆水准器的零点，过零点O的法线''LL，称为圆水准轴。由于它与仪器的旋转轴（竖轴）平行，所以当圆气泡居中时，圆水准轴处于竖直（铅垂）位置，表示水准仪的竖轴也大致处于竖直位置了。S3水准仪圆水准器分划值一般为8′～10′。由于分划值较大，则灵敏度较低，只能用于水准仪的粗略整平，为仪器精确置平创造条件。二、水准尺、尺垫和三脚架水准尺是水准测量时使用的标尺，其质量的好坏直接影响水准测量的精度。因此水准尺是用不易变形且干燥的优良木材或玻璃钢制成，要求尺长稳定，刻划准确，长度从2m至5m不等。根据它们的构造，常用的水准尺可分为直尺（整体尺）和塔尺两种，如图2-9所示。直尺中又有单面分划尺和双面（红黑面）分划尺。水准尺尺面每隔1cm涂有黑白或红白相间的分格，每分米处注有数字，数字一般是倒写的，以便观测时从望远镜中看到的是正像字。双面水准尺的两面均有刻划，一面为黑白分划，称为“黑面尺”（也称主尺）；另一面为红白分划，称为“红面尺”。通常用两根尺组成一对进行水准测量。两根尺的黑面尺尺底尺均从零开始，而红面尺尺底，一根从固定数值4.687m开始，另一根从固定数值4.787m开始，此数值称为零点差（或红黑面常数差）。水平视线在同一根水准尺上的黑面与红面的读数之差称为尺底的零点差，可作为水准测量时图2-9水准尺读数的检核。塔尺是由三节小尺套接而成，不用时套在最下一节之内，长度仅2m。如把三节全部拉出可达5m。塔尺携带方便，但应注意塔尺的连接处，务使套接准确稳固。塔尺一般用于地形起伏较大，精度要求较低的水准