《土木工程測量》第2章：水準(zhǔn)測量

1、n第第2章章 水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量n測定地面點(diǎn)高程的工作，稱為高程測量(height measurement)。n高程測量是測量的基本工作之一。n高程測量按所使用的儀器和施測方法的不同，可以分為水準(zhǔn)測量(leveling)、三角高程測量(trigonometric leveling)、GPS高程測量(GPS leveling)和氣壓高程測量(air pressure leveling)。水準(zhǔn)測量是目前精度較高的一種高程測量方法。n2.1 水準(zhǔn)測量原理水準(zhǔn)測量原理水準(zhǔn)測量的原理是利用水準(zhǔn)儀(level)提供的水平視線(horizontal sight)，讀取豎立于兩個(gè)點(diǎn)上的水準(zhǔn)尺(leveling

2、staff)上的讀數(shù)，來測定兩點(diǎn)間的高差，再根據(jù)已知點(diǎn)高程計(jì)算待定點(diǎn)高程。n2.2 水準(zhǔn)測量的儀器與工具水準(zhǔn)測量的儀器與工具n水準(zhǔn)測量所用的儀器為水準(zhǔn)儀，工具有水準(zhǔn)尺和尺墊(staff plate)。n(1) 微傾式水準(zhǔn)儀微傾式水準(zhǔn)儀n通過調(diào)整水準(zhǔn)儀使管水準(zhǔn)氣泡居中獲得水平視線的水準(zhǔn)儀稱為微傾式水準(zhǔn)儀(title level)；n通過補(bǔ)償器獲得水平視線讀數(shù)的水準(zhǔn)儀稱為自動安平水準(zhǔn)儀(compensator level)。n國產(chǎn)微傾式水準(zhǔn)儀的型號有：DS05、DS1、DS3、DS10，其中字母D、S分別為“大地測量”和“水準(zhǔn)儀”漢語拼音的第一個(gè)字母，字母后的數(shù)字表示以mm為單位的、儀器每公里往返

3、測高差中數(shù)的中誤差。DS05、DS1、DS3、DS10水準(zhǔn)儀每公里往返測高差中數(shù)的中誤差分別為0.5mm、1mm、3mm、10mm。n稱DS05、DS1為精密水準(zhǔn)儀(precise level)，主要用于國家一、二等水準(zhǔn)測量和精密工程測量；n稱DS3、DS10為普通水準(zhǔn)儀(general level)，主要用于國家三、四等水準(zhǔn)測量和常規(guī)工程建設(shè)測量。工程建設(shè)中，使用最多的普通水準(zhǔn)儀是DS3水準(zhǔn)儀。n水準(zhǔn)儀主要由望遠(yuǎn)鏡(telescope)、水準(zhǔn)器(bubble)和基座(tribrach)組成。n1) 望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡是用來照準(zhǔn)遠(yuǎn)處豎立的水準(zhǔn)尺并讀取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，要求望遠(yuǎn)鏡能看清水準(zhǔn)尺上的分

4、劃和注記并有讀數(shù)標(biāo)志。根據(jù)在目鏡端觀察到的物體成像情況，望遠(yuǎn)鏡可以分為正像望遠(yuǎn)鏡和倒像望遠(yuǎn)鏡。圖2-4是倒像望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)圖，它由物鏡、調(diào)焦透鏡、十字絲分劃板和目鏡組成。 n十字絲分劃板：n在一直徑為約10mm的光學(xué)玻璃圓片上刻出三根橫絲和一根垂直于橫絲的縱絲；n中間的長橫絲稱為中絲，用于讀取水準(zhǔn)尺上分劃的讀數(shù)；n上、下兩根較短的橫絲稱為上絲和下絲，上、下絲總稱為視距絲，用來測定水準(zhǔn)儀至水準(zhǔn)尺的距離。用視距絲測量出的距離稱為視距(stadia)。n十字絲分劃板安裝在一金屬圓環(huán)上，用四顆校正螺絲固定在望遠(yuǎn)鏡筒上。n望遠(yuǎn)鏡物鏡光心與十字絲交點(diǎn)的連線稱為望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸(collimation axis

5、 of telescope)，用CC表示。n望遠(yuǎn)鏡物鏡光心的位置是固定的，調(diào)整固定十字絲分劃板的四顆校正螺絲，在較小的范圍內(nèi)移動十字絲分劃板可以調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸。物鏡與十字絲分劃板之間的距離是固定不變的，而望遠(yuǎn)鏡所瞄準(zhǔn)的目標(biāo)有遠(yuǎn)有近。目標(biāo)發(fā)出的光線通過物鏡后，在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)所成實(shí)像的位置隨著目標(biāo)的遠(yuǎn)近而改變，要旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦螺旋使目標(biāo)像與十字絲分劃板平面重合才可以讀數(shù)。觀測者的眼睛在目鏡端上、下微微移動時(shí)，目標(biāo)像與十字絲沒有相對移動，如果目標(biāo)像與十字絲分劃板平面不重合，觀測者的眼睛在目鏡端上、下微微移動時(shí)，目標(biāo)像與十字絲之間就會有相對移動，這種現(xiàn)象稱為視差(parallax)。視差會影響讀數(shù)的正確

6、性，讀數(shù)之前必須消除它。消除視差的方法：用手暫時(shí)遮住物鏡(或?qū)⑼h(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空)，旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦螺旋，使十字絲十分清晰；移去遮物鏡的手(或瞄準(zhǔn)標(biāo)尺)，旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦螺旋使目標(biāo)像十分清晰。 2) 水準(zhǔn)器水準(zhǔn)器水準(zhǔn)器用于置平儀器。水準(zhǔn)器有管水準(zhǔn)器(bubble tube)和圓水準(zhǔn)器(circular bubble)兩種。 管水準(zhǔn)器管水準(zhǔn)器由玻璃圓管制成，其內(nèi)壁磨成一定半徑R的圓弧，如圖2-7所示。將管內(nèi)注滿酒精或乙醚，加熱封閉冷卻后，管內(nèi)形成的空隙部分充滿了液體的蒸汽，稱為水準(zhǔn)氣泡。因?yàn)檎羝谋戎匦∮谝后w，所以，水準(zhǔn)氣泡總是位于內(nèi)圓弧的最高點(diǎn)。 圓水準(zhǔn)器圓水準(zhǔn)器由玻璃圓柱管制成，其頂面內(nèi)壁是磨成一定半徑

7、R的球面，中央刻有小圓圈，其圓心O是圓水準(zhǔn)器的零點(diǎn)；過零點(diǎn)O的球面法線為圓水準(zhǔn)器軸(circular bubble axis)；當(dāng)圓水準(zhǔn)氣泡居中時(shí)，圓水準(zhǔn)器軸處于豎直位置；當(dāng)氣泡不居中，氣泡偏移零點(diǎn)2mm時(shí)，軸線所傾斜的角度值，稱為圓水準(zhǔn)器的分劃值。一般為810。圓水準(zhǔn)器用于粗略整平儀器。制造水準(zhǔn)儀時(shí)，使圓水準(zhǔn)器軸平行于儀器豎軸。旋轉(zhuǎn)基座上的三個(gè)腳螺旋使圓水準(zhǔn)氣泡居中時(shí)，圓水準(zhǔn)器軸處于豎直位置，從而使儀器豎軸也處于豎直位置。 基座基座的作用是支承儀器的上部，用中心螺旋將基座連接到三腳架上?；饕奢S座、腳螺旋、底板和三角壓板構(gòu)成。(2) 水準(zhǔn)尺和尺墊水準(zhǔn)尺和尺墊水準(zhǔn)尺一般用優(yōu)質(zhì)木材或玻璃鋼制

8、成，長度從2m5m不等。水準(zhǔn)尺分為直尺、塔尺和折尺，其中直尺又分單面分劃和雙面分劃兩種。塔尺和折尺常用于圖根水準(zhǔn)測量，尺面上的最小分劃為1cm或0.5cm，在每1米和每1分米處均有注記。雙面水準(zhǔn)尺多用于三、四等水準(zhǔn)測量，以兩把尺為一對使用。尺的兩面均有分劃，一面為黑白相間稱黑面尺；另一面為紅白相間稱紅面尺，兩面的最小分劃均為1cm，只在分米處有注記。兩把尺的黑面均由零開始分劃和注記。紅面的分劃和注記，一把尺由4.687m開始分劃和注記，另一把尺由4.787m開始分劃和注記，兩把尺紅面注記的零點(diǎn)差為0.1m。尺墊是在轉(zhuǎn)點(diǎn)處放置水準(zhǔn)尺用的，它是用生鐵鑄成的三角形板座，尺墊中央有一凸起的半球體以便于

9、放置水準(zhǔn)尺，下有三個(gè)尖足便于將其踩入土中，以固穩(wěn)防動。(3) 微傾式水準(zhǔn)儀的使用微傾式水準(zhǔn)儀的使用按觀測者的身高調(diào)節(jié)好三腳架的高度，為便于整平儀器，還要求使三腳架的架頭面大致水平，并將三腳架的三個(gè)腳尖踩入土中，使腳架穩(wěn)定。然后從儀器箱內(nèi)取出水準(zhǔn)儀，放在三腳架的架頭面，并立即用中心螺旋旋入儀器基座的螺孔內(nèi)，以防止儀器從三腳架頭上摔下來。水準(zhǔn)測量的操作步驟：粗平瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺精平讀數(shù)。1) 粗平粗平即粗略整平儀器。旋轉(zhuǎn)腳螺旋使圓水準(zhǔn)氣泡居中，儀器的豎軸大致鉛垂，使望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸大致水平。旋轉(zhuǎn)腳螺旋方向與圓水準(zhǔn)氣泡移動方向的規(guī)律是：用左手旋轉(zhuǎn)腳螺旋，則左手大拇指移動方向即為水準(zhǔn)氣泡移動方向；用右手旋轉(zhuǎn)腳

10、螺旋，則右手食指移動方向即為水準(zhǔn)氣泡移動方向，初學(xué)者一般先練習(xí)用一只手操作，熟練后再練習(xí)用雙手操作。 2) 瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺先目鏡對光：將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)明亮的背景，旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦螺旋，使十字絲清晰；松開制動螺旋，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，用望遠(yuǎn)鏡上的準(zhǔn)星和照門瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，擰緊制動螺旋；從望遠(yuǎn)鏡中觀察目標(biāo)，旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦螺旋，使目標(biāo)清晰，再旋轉(zhuǎn)微動螺旋，使豎絲對準(zhǔn)水準(zhǔn)尺。 3) 精平從望遠(yuǎn)鏡的一側(cè)觀察管水準(zhǔn)氣泡偏離零點(diǎn)的方向，旋轉(zhuǎn)微傾螺旋，使氣泡大致居中，這時(shí)再從目鏡左邊的附合氣泡觀察窗中察看兩個(gè)氣泡影像是否吻合，如不吻合，再漫漫旋轉(zhuǎn)微傾螺旋直至完全吻合為止。4) 讀數(shù)儀器精平后，應(yīng)立即用十字絲的橫絲在水準(zhǔn)標(biāo)尺上讀數(shù)。2.

11、3 水準(zhǔn)測量方法與成果處理水準(zhǔn)測量方法與成果處理(1) 水準(zhǔn)點(diǎn)水準(zhǔn)點(diǎn)為統(tǒng)一全國的高程系統(tǒng)和滿足各種測量的需要，測繪部門在全國各地埋設(shè)并測定了很多高程點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為水準(zhǔn)點(diǎn)(benchmark，通?？s寫為BM)。一、二等水準(zhǔn)測量為精密水準(zhǔn)測量(precise leveling)，三、四等水準(zhǔn)測量為普通水準(zhǔn)測量(general leveling)。采用某等級的水準(zhǔn)測量方法測出其高程的水準(zhǔn)點(diǎn)稱為該等級水準(zhǔn)點(diǎn)；各等水準(zhǔn)點(diǎn)均應(yīng)埋設(shè)永久性標(biāo)石或標(biāo)志，水準(zhǔn)點(diǎn)的等級應(yīng)注記在水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)石或標(biāo)記面上。水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)石的類型可分為：基巖水準(zhǔn)標(biāo)石、基本水準(zhǔn)標(biāo)石、普通水準(zhǔn)標(biāo)石和墻腳水準(zhǔn)標(biāo)志四種，其中混凝土普通水準(zhǔn)標(biāo)石和墻腳水準(zhǔn)標(biāo)

12、志的埋設(shè)要求見圖2-15，水準(zhǔn)點(diǎn)在地形圖上的表示符號見圖2-16。 (3) 水準(zhǔn)測量方法水準(zhǔn)測量方法在進(jìn)行連續(xù)水準(zhǔn)測量時(shí)，如果任何一測站的后視讀數(shù)或前視讀數(shù)有錯(cuò)誤，都將影響所測高差的正確性。在每一測站的水準(zhǔn)測量中，為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測中的錯(cuò)誤，通常采用兩次儀器高法或雙面尺法進(jìn)行觀測，以檢核高差測量中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，這種檢核稱測站檢核。1) 兩次儀器高法在每一測站上用兩次不同儀器高度的水平視線(改變儀器高度應(yīng)在10cm以上)來測定相鄰兩點(diǎn)間的高差；如果兩次高差觀測值不相等，對圖根水準(zhǔn)測量，其差的絕對值應(yīng)小于5mm，否則應(yīng)重測。表2-1為一附合水準(zhǔn)路線進(jìn)行水準(zhǔn)測量的記錄計(jì)算格式，表中圓括弧內(nèi)的數(shù)值為

13、兩次高差之差。 2) 雙面尺法用雙面尺法進(jìn)行水準(zhǔn)測量就是同時(shí)讀取每一把水準(zhǔn)尺的黑面和紅面分劃讀數(shù)，然后由前后視尺的黑面讀數(shù)計(jì)算出一個(gè)高差，前后視尺的紅面讀數(shù)計(jì)算出另一個(gè)高差，以這兩個(gè)高差之差是否小于某一限值來進(jìn)行檢核。在每一測站上儀器高度不變，這樣可加快觀測的速度。立尺點(diǎn)和水準(zhǔn)儀的安置同兩次儀器高法。在每一測站上，儀器經(jīng)過粗平后，其觀測程序?yàn)椋?瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)水準(zhǔn)尺黑面分劃精平讀數(shù)； 瞄準(zhǔn)前視點(diǎn)水準(zhǔn)尺黑面分劃精平讀數(shù)； 瞄準(zhǔn)前視點(diǎn)水準(zhǔn)尺紅面分劃精平讀數(shù)； 瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)水準(zhǔn)尺紅面分劃精平讀數(shù)。其觀測順序簡稱為“后一前一前一后”，對于尺面分劃來說，順序?yàn)椤昂谝缓谝患t一紅”。 由于在一對雙面水準(zhǔn)尺中，兩把尺子的紅面零點(diǎn)注記分別為4687和4787，零點(diǎn)差為100mm，在表2-2每站觀測高差的計(jì)算中，當(dāng)4787水準(zhǔn)尺位于后視點(diǎn)，4687水準(zhǔn)尺位于前視點(diǎn)時(shí)，采用紅面尺讀數(shù)計(jì)算出的高差比采用黑面尺讀數(shù)計(jì)算出的高差大100mm；當(dāng)4687水準(zhǔn)尺位于后視點(diǎn)，4787水準(zhǔn)尺位于前視點(diǎn)時(shí)，采用紅面尺讀數(shù)計(jì)算出的高差比采用黑面尺讀數(shù)計(jì)算出的高差小100mm。每站高差計(jì)算中，要先將紅面尺讀數(shù)計(jì)算出的高差加或減100mm后才能與黑面尺讀數(shù)計(jì)算出的高差取平均。 (4) 水準(zhǔn)測量的成果處理水準(zhǔn)測量的成果處理水準(zhǔn)測量的成果整理內(nèi)容包括：測量記錄和計(jì)算的復(fù)核，高差閉合差(closi