《土木工程測量》第2章：水準測量

1、n第第2章章 水準測量水準測量n測定地面點高程的工作，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)。水準測量是目前精度較高的一種高程測量方法。n2.1 水準測量原理水準測量原理水準測量的原理是利用水準儀(level)提供的水平視線(horizontal sight)，讀取豎立于兩個點上的水準尺(leveling

2、staff)上的讀數(shù)，來測定兩點間的高差，再根據(jù)已知點高程計算待定點高程。n2.2 水準測量的儀器與工具水準測量的儀器與工具n水準測量所用的儀器為水準儀，工具有水準尺和尺墊(staff plate)。n(1) 微傾式水準儀微傾式水準儀n通過調(diào)整水準儀使管水準氣泡居中獲得水平視線的水準儀稱為微傾式水準儀(title level)；n通過補償器獲得水平視線讀數(shù)的水準儀稱為自動安平水準儀(compensator level)。n國產(chǎn)微傾式水準儀的型號有：DS05、DS1、DS3、DS10，其中字母D、S分別為“大地測量”和“水準儀”漢語拼音的第一個字母，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為精密水準儀(precise level)，主要用于國家一、二等水準測量和精密工程測量；n稱DS3、DS10為普通水準儀(general level)，主要用于國家三、四等水準測量和常規(guī)工程建設測量。工程建設中，使用最多的普通水準儀是DS3水準儀。n水準儀主要由望遠鏡(telescope)、水準器(bubble)和基座(tribrach)組成。n1) 望遠鏡望遠鏡望遠鏡是用來照準遠處豎立的水準尺并讀取水準尺上的讀數(shù)，要求望遠鏡能看清水準尺上的分

4、劃和注記并有讀數(shù)標志。根據(jù)在目鏡端觀察到的物體成像情況，望遠鏡可以分為正像望遠鏡和倒像望遠鏡。圖2-4是倒像望遠鏡的結構圖，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，用來測定水準儀至水準尺的距離。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鏡筒上。n望遠鏡物鏡光心與十字絲交點的連線稱為望遠鏡的視準軸(collimation axis

5、 of telescope)，用CC表示。n望遠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)整望遠鏡的視準軸。物鏡與十字絲分劃板之間的距離是固定不變的，而望遠鏡所瞄準的目標有遠有近。目標發(fā)出的光線通過物鏡后，在望遠鏡內(nèi)所成實像的位置隨著目標的遠近而改變，要旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦螺旋使目標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，目標像與十字絲沒有相對移動，如果目標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，目標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：用手暫時遮住物鏡(或?qū)⑼h鏡對準天空)，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(或瞄準標尺)，旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦螺旋使目標像十分清晰。 2) 水準器水準器水準器用于置平儀器。水準器有管水準器(bubble tube)和圓水準器(circular bubble)兩種。 管水準器管水準器由玻璃圓管制成，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，稱為水準氣泡。因為蒸汽的比重小于液體，所以，水準氣泡總是位于內(nèi)圓弧的最高點。 圓水準器圓水準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是圓水準器的零點；過零點O的球面法線為圓水準器軸(circular bubble axis)；當圓水準氣泡居中時，圓水準器軸處于豎直位置；當氣泡不居中，氣泡偏移零點2mm時，軸線所傾斜的角度值，稱為圓水準器的分劃值。一般為810。圓水準器用于粗略整平儀器。制造水準儀時，使圓水準器軸平行于儀器豎軸。旋轉(zhuǎn)基座上的三個腳螺旋使圓水準氣泡居中時，圓水準器軸處于豎直位置，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、底板和三角壓板構成。(2) 水準尺和尺墊水準尺和尺墊水準尺一般用優(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。雙面水準尺多用于三、四等水準測量，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差為0.1m。尺墊是在轉(zhuǎn)點處放置水準尺用的，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、放置水準尺，下有三個尖足便于將其踩入土中，以固穩(wěn)防動。(3) 微傾式水準儀的使用微傾式水準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，并將三腳架的三個腳尖踩入土中，使腳架穩(wěn)定。然后從儀器箱內(nèi)取出水準儀，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。水準測量的操作步驟：粗平瞄準水準尺精平讀數(shù)。1) 粗平粗平即粗略整平儀器。旋轉(zhuǎn)腳螺旋使圓水準氣泡居中，儀器的豎軸大致鉛垂，使望遠鏡的視準軸大致水平。旋轉(zhuǎn)腳螺旋方向與圓水準氣泡移動方向的規(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氣泡移動方向，初學者一般先練習用一只手操作，熟練后再練習用雙手操作。 2) 瞄準水準尺先目鏡對光：將望遠鏡對準明亮的背景，旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦螺旋，使十字絲清晰；松開制動螺旋，轉(zhuǎn)動望遠鏡，用望遠鏡上的準星和照門瞄準水準尺，擰緊制動螺旋；從望遠鏡中觀察目標，旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦螺旋，使目標清晰，再旋轉(zhuǎn)微動螺旋，使豎絲對準水準尺。 3) 精平從望遠鏡的一側觀察管水準氣泡偏離零點的方向，旋轉(zhuǎn)微傾螺旋，使氣泡大致居中，這時再從目鏡左邊的附合氣泡觀察窗中察看兩個氣泡影像是否吻合，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，應立即用十字絲的橫絲在水準標尺上讀數(shù)。2.

11、3 水準測量方法與成果處理水準測量方法與成果處理(1) 水準點水準點為統(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并測定了很多高程點，這些點稱為水準點(benchmark，通?？s寫為BM)。一、二等水準測量為精密水準測量(precise leveling)，三、四等水準測量為普通水準測量(general leveling)。采用某等級的水準測量方法測出其高程的水準點稱為該等級水準點；各等水準點均應埋設永久性標石或標志，水準點的等級應注記在水準點標石或標記面上。水準點標石的類型可分為：基巖水準標石、基本水準標石、普通水準標石和墻腳水準標志四種，其中混凝土普通水準標石和墻腳水準標

12、志的埋設要求見圖2-15，水準點在地形圖上的表示符號見圖2-16。 (3) 水準測量方法水準測量方法在進行連續(xù)水準測量時，如果任何一測站的后視讀數(shù)或前視讀數(shù)有錯誤，都將影響所測高差的正確性。在每一測站的水準測量中，為了能及時發(fā)現(xiàn)觀測中的錯誤，通常采用兩次儀器高法或雙面尺法進行觀測，以檢核高差測量中可能發(fā)生的錯誤，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(改變儀器高度應在10cm以上)來測定相鄰兩點間的高差；如果兩次高差觀測值不相等，對圖根水準測量，其差的絕對值應小于5mm，否則應重測。表2-1為一附合水準路線進行水準測量的記錄計算格式，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行水準測量就是同時讀取每一把水準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)計算出一個高差，前后視尺的紅面讀數(shù)計算出另一個高差，以這兩個高差之差是否小于某一限值來進行檢核。在每一測站上儀器高度不變，這樣可加快觀測的速度。立尺點和水準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，其觀測程序為： 瞄準后視點水準尺黑面分劃精平讀數(shù)； 瞄準前視點水準尺黑面分劃精平讀數(shù)； 瞄準前視點水準尺紅面分劃精平讀數(shù)； 瞄準后視點水準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，順序為“黑一黑一紅一紅”。 由于在一對雙面水準尺中，兩把尺子的紅面零點注記分別為4687和4787，零點差為100mm，在表2-2每站觀測高差的計算中，當4787水準尺位于后視點，4687水準尺位于前視點時，采用紅面尺讀數(shù)計算出的高差比采用黑面尺讀數(shù)計算出的高差大100mm；當4687水準尺位于后視點，4787水準尺位于前視點時，采用紅面尺讀數(shù)計算出的高差比采用黑面尺讀數(shù)計算出的高差小100mm。每站高差計算中，要先將紅面尺讀數(shù)計算出的高差加或減100mm后才能與黑面尺讀數(shù)計算出的高差取平均。 (4) 水準測量的成果處理水準測量的成果處理水準測量的成果整理內(nèi)容包括：測量記錄和計算的復核，高差閉合差(closi