水準(zhǔn)測(cè)量是確定公路工程地面點(diǎn)高程的方法之一，是高程測(cè)量中精度較高且常用的方法。水準(zhǔn)測(cè)量是采用幾何原理，利用水平視線測(cè)定兩點(diǎn)間高差,所使用的儀器為水準(zhǔn)儀，工具是水準(zhǔn)尺和尺墊。公路工程施工測(cè)量中通常使用DS3型微傾式水準(zhǔn)儀，每公里能達(dá)到的精度是3mm，水準(zhǔn)儀在一個(gè)測(cè)站使用的基本程序是安置儀器、粗略整平、瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺、精確整平和讀數(shù)。實(shí)施過(guò)程中，需要幾個(gè)人合作才能完成，誤差允許范圍內(nèi)的精度由于儀器和人為的影響而不容易控制，而且易出現(xiàn)隱蔽性錯(cuò)誤，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)資料是錯(cuò)誤的，從而水準(zhǔn)點(diǎn)高程不正確，直接影響路線縱斷面設(shè)計(jì)和施工。
在公路工程施工測(cè)量中同一條公路采用同一個(gè)高程系統(tǒng)，工程施工中測(cè)量方法通常是基平與中平同時(shí)測(cè)量，兩臺(tái)水準(zhǔn)儀同時(shí)觀測(cè)一個(gè)水準(zhǔn)尺，間視和轉(zhuǎn)點(diǎn)由兩個(gè)人立水準(zhǔn)尺，但兩臺(tái)水準(zhǔn)儀總是同時(shí)觀測(cè)一個(gè)水準(zhǔn)尺進(jìn)行讀數(shù)，一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)段測(cè)完后檢核，在每一測(cè)站，沒(méi)有檢查、復(fù)核，為誤差的積累創(chuàng)造了條件，容易返工，耽誤時(shí)間、浪費(fèi)人力。通過(guò)工程實(shí)踐證明，這一方法經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，現(xiàn)節(jié)選一個(gè)實(shí)例加以說(shuō)明：
表1.1 靖安高速公路M-2標(biāo)D001至D002水準(zhǔn)點(diǎn)及原地面標(biāo)高外業(yè)測(cè)量結(jié)果
|
點(diǎn)號(hào)
|
后視
|
視線高
|
間視
|
前視
|
高程
|
|
點(diǎn)號(hào)
|
后視
|
視線高
|
間視
|
前視
|
高程
|
|
D001
|
3.300
|
15.750
|
|
|
12.450
|
|
D001
|
3.083
|
15.533
|
|
|
12.450
|
|
+254.6
|
|
|
1.442
|
|
14.308
|
|
+254.6
|
|
|
1.227
|
|
14.306
|
|
+284.6
|
|
|
1.424
|
|
14.326
|
|
+284.6
|
|
|
1.211
|
|
14.322
|
|
+314.6
|
1.425
|
15.715
|
|
1.460
|
14.290
|
|
+314.6
|
1.266
|
15.554
|
|
1.245
|
14.288
|
|
+344.6
|
|
|
1.420
|
|
14.295
|
|
+344.6
|
|
|
1.259
|
|
14.295
|
|
+374.6
|
|
|
1.387
|
|
14.328
|
|
+374.6
|
|
|
1.225
|
|
14.329
|
|
+406.2
|
1.493
|
15.716
|
|
1.492
|
14.223
|
|
+406.2
|
1.368
|
15.592
|
|
1.330
|
14.224
|
|
ZD1
|
1.175
|
15.732
|
|
1.159
|
14.557
|
|
ZD1
|
1.104
|
15.661
|
|
1.035
|
14.557
|
|
C6
|
|
|
1.415
|
|
14.317
|
|
C6
|
|
|
1.344
|
|
14.316
|
|
+437.8
|
|
|
1.425
|
|
14.307
|
|
+437.8
|
|
|
1.351
|
|
14.310
|
|
+467.8
|
|
|
1.363
|
|
14.369
|
|
+467.8
|
|
|
1.297
|
|
14.364
|
|
+497.8
|
|
|
1.312
|
|
14.420
|
|
+497.8
|
|
|
1.239
|
|
14.422
|
|
+527.8
|
|
|
1.41
|
|
14.322
|
|
+527.8
|
|
|
1.343
|
|
14.318
|
|
+557.8
|
1.483
|
15.765
|
|
1.450
|
14.282
|
|
+557.8
|
1.366
|
15.650
|
|
1.377
|
14.382
|
|
+600
|
|
|
1.386
|
|
14.379
|
|
+600
|
|
|
1.386
|
|
14.379
|
|
+650
|
|
|
1.357
|
|
14.408
|
|
+650
|
|
|
1.238
|
|
14.412
|
|
+700
|
1.672
|
16.005
|
|
1.432
|
14.333
|
|
+700
|
1.575
|
15.913
|
|
1.312
|
14.338
|
|
+750
|
|
|
1.482
|
|
14.523
|
|
+750
|
|
|
1.384
|
|
14.529
|
|
+800
|
|
|
1.476
|
|
14.529
|
|
+800
|
|
|
1.379
|
|
14.534
|
|
+850
|
1.488
|
16.021
|
|
1.472
|
14.533
|
|
+850
|
1.403
|
15.940
|
|
1.376
|
14.537
|
|
+900
|
|
|
1.475
|
|
14.546
|
|
+900
|
|
|
1.389
|
|
14.551
|
|
+950
|
|
|
1.428
|
|
14.593
|
|
+950
|
|
|
1.341
|
|
14.599
|
|
K25+0
|
1.540
|
16.204
|
|
1.357
|
14.664
|
|
K25+0
|
1.486
|
16.157
|
|
1.269
|
14.671
|
|
+50
|
|
|
1.439
|
|
14.765
|
|
+50
|
|
|
1.384
|
|
14.773
|
|
ZD2
|
2.240
|
17.684
|
|
0.760
|
15.444
|
|
ZD2
|
2.001
|
17.453
|
|
0.705
|
14.452
|
|
D002
|
|
|
|
0.820
|
16.864
|
|
D002
|
|
|
|
0.581
|
16.872
|
表1.2 靖安高速公路M-2標(biāo)D001至D002水準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)核測(cè)量結(jié)果
|
點(diǎn)號(hào)
|
后視
|
視線高
|
間視
|
前視
|
高程
|
點(diǎn)號(hào)
|
后視
|
視線高
|
間視
|
前視
|
高程
|
平均高程
|
|
D001
|
1.637
|
|
|
|
12.450
|
D002
|
0.354
|
|
|
|
16.969
|
|
|
ZD1
|
1.848
|
|
|
0.202
|
|
ZD10
|
1.355
|
|
|
1.890
|
|
|
|
ZD2
|
1.424
|
|
|
1.399
|
|
ZD11
|
1.113
|
|
|
1.531
|
|
|
|
ZD3
|
1.372
|
|
|
1.359
|
|
ZD12
|
1.307
|
|
|
1.580
|
|
|
|
ZD4
|
1.330
|
|
|
1.283
|
|
ZD13
|
1.295
|
|
|
1.521
|
|
|
|
ZD5
|
1.348
|
|
|
1.301
|
|
ZD14
|
1.367
|
|
|
1.364
|
|
|
|
ZD6
|
1.413
|
|
|
1.279
|
|
ZD15
|
1.349
|
|
|
1.392
|
|
|
|
ZD7
|
1.533
|
|
|
1.200
|
|
ZD16
|
1.388
|
|
|
1.436
|
|
|
|
ZD8
|
1.525
|
|
|
1.065
|
|
ZD17
|
1.436
|
|
|
1.452
|
|
|
|
ZD9
|
2.012
|
|
|
1.350
|
|
ZD18
|
0.366
|
|
|
1.884
|
|
|
|
D002
|
|
|
|
0.485
|
16.969
|
D001
|
|
|
|
1.798
|
12.451
|
|
表1.1經(jīng)過(guò)成果整理，fh=8mm滿足平原微丘區(qū)三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度f(wàn)h容=±20·L（1/2）=±20·0.9（1/2）=19mm規(guī)范要求。但經(jīng)過(guò)表1.2應(yīng)用水準(zhǔn)點(diǎn)與中樁分開(kāi)觀測(cè)的方法，對(duì)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核,水準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)采取往返測(cè)量,成果整理fh（fh =Σh往+Σh返）=1mm滿足平原微丘區(qū)三等水準(zhǔn)測(cè)量高差閉合差的精度不大于fh容=±20·L（1/2）=19mm規(guī)范要求,證實(shí)表1.1的結(jié)果不正確。因此，我們有必要分析水準(zhǔn)測(cè)量的誤差來(lái)源，找出控制糾正的方法，避免錯(cuò)誤的出現(xiàn)，保證項(xiàng)目的順利施工。
一、水準(zhǔn)測(cè)量的誤差分析及控制方法
水準(zhǔn)測(cè)量誤差來(lái)源有儀器誤差、觀測(cè)誤差和外界條件的影響。
1. 水準(zhǔn)測(cè)量的儀器誤差和水準(zhǔn)尺刻劃誤差
1.1儀器誤差是水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸不平行于水準(zhǔn)管軸所產(chǎn)生的誤差
儀器雖在測(cè)量前經(jīng)過(guò)校正，仍會(huì)存在殘余誤差。因此造成水準(zhǔn)管氣泡居中，水準(zhǔn)管軸居于水平位置而望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸卻發(fā)生傾斜，致使讀數(shù)誤差。這種誤差與視距長(zhǎng)度成正比。觀測(cè)時(shí)可通過(guò)中間法（前后視距相等）和距離補(bǔ)償法（前視距離和等于后視距離總和）消除。針對(duì)中間法在實(shí)際過(guò)程中的控制，立尺人是關(guān)鍵，通過(guò)應(yīng)用普通皮尺測(cè)距離，之后立尺，簡(jiǎn)單易行。而距離補(bǔ)償法不僅繁瑣，并且不容易掌握。
1.2水準(zhǔn)尺刻劃誤差
主要包含尺長(zhǎng)誤差（尺子長(zhǎng)度不準(zhǔn)確）、刻劃誤差（尺上的分劃不均勻）和零點(diǎn)差（尺的零刻劃位置不準(zhǔn)確），對(duì)于較精密的水準(zhǔn)測(cè)量，一般應(yīng)選用尺長(zhǎng)誤差和刻劃誤差小的標(biāo)尺。尺的零誤差的影響，控制方法可以通過(guò)在一個(gè)水準(zhǔn)測(cè)段內(nèi)，兩根水準(zhǔn)尺交替輪換使用（在本測(cè)站用作后視尺，下測(cè)站則用為前視尺），并把測(cè)段站數(shù)目布設(shè)成偶數(shù)，即在高差中相互抵消。同時(shí)可以減弱刻劃誤差和尺長(zhǎng)誤差的影響。
2.觀測(cè)誤差
2.1觀測(cè)誤差之一是符合水準(zhǔn)管氣泡居中的誤差
由于符合水準(zhǔn)氣泡未能做到嚴(yán)格居中，造成望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸傾斜，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。讀數(shù)誤差的大小與水準(zhǔn)管的靈敏度有關(guān)，主要是水準(zhǔn)管分劃值τ的大小。此外，讀數(shù)誤差與視線長(zhǎng)度成正比。水準(zhǔn)管居中誤差一般認(rèn)為是0.1·τ，根據(jù)公式m居=0.1·τ·S/ρ，DS3級(jí)水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)管的分劃值一般為20″，視線長(zhǎng)度S為75m，ρ=206265″，那么，m居=0.7mm。由此看來(lái)，只要觀測(cè)時(shí)符合水準(zhǔn)管氣泡能夠認(rèn)真仔細(xì)進(jìn)行居中，且對(duì)視線長(zhǎng)度加以限制，與中間法一致，此誤差可以消除。
2.2觀測(cè)誤差之二是視差的影響
當(dāng)存在視差時(shí)，尺像不與十字絲平面重合，觀測(cè)時(shí)眼睛所在的位置不同，讀出的數(shù)也不同，因此，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。所以在每次讀數(shù)前，控制方法就是要仔細(xì)進(jìn)行物鏡對(duì)光，消除視差。
2.3觀測(cè)誤差之三是水準(zhǔn)尺的傾斜誤差
水準(zhǔn)尺如果是向視線的左右傾斜，觀測(cè)時(shí)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡十字絲很容易察覺(jué)而糾正。但是，如果水準(zhǔn)尺的傾斜方向與視線方向一致，則不易察覺(jué)。尺子傾斜總是使尺上讀數(shù)增大。它對(duì)讀數(shù)的影響與尺的傾斜角和尺上讀數(shù)的大�。匆暰�距地面的高度）有關(guān)。尺的傾斜角越大，對(duì)讀數(shù)的影響就越大；尺上讀數(shù)越大，對(duì)讀數(shù)的影響就越大。所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差為Δa=a（1/cosγ-1）。當(dāng)γ=3o，a=1.5m時(shí)，Δa=2mm，由此可以看出，此項(xiàng)影響是不可忽視的，通常我們立鏡高度是1.7m, 則Δa=2.33mm，。因此，在水準(zhǔn)測(cè)量中，立尺是一項(xiàng)十分重要的工作，一定要認(rèn)真立尺，使尺處于鉛垂位置。尺上有圓水準(zhǔn)的應(yīng)使氣泡居中。必要時(shí)可用搖尺法，即讀數(shù)時(shí)尺底置于點(diǎn)上，尺的上部在視線方向前后慢慢搖動(dòng)，讀取最小的讀數(shù)。當(dāng)?shù)孛嫫露容^大時(shí)，尤其應(yīng)注意將尺子扶直，并應(yīng)限制尺的最大讀數(shù)。最重要的是在轉(zhuǎn)點(diǎn)位置。
3.外界條件的影響。
3.1地球曲率及大氣折光
用水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)高程的影響，可以用公式Δh=D2/（2R）表示，地球半徑R=6371Km，當(dāng)D=75m時(shí)，Δh=0.44mm；當(dāng)D=100m時(shí)，Δh=0.78mm；當(dāng)D=500m時(shí)，Δh=2cm；當(dāng)D=1Km時(shí)，Δh=8cm；當(dāng)D=2Km時(shí)，Δh=31cm；顯然，以水平面代替水準(zhǔn)面時(shí)高程所產(chǎn)生的誤差要遠(yuǎn)大于測(cè)量高程的誤差。所以，對(duì)于高程而言，即使距離很短，也不能將水準(zhǔn)面當(dāng)作水平面，一定要考慮地球曲率對(duì)高程的影響。實(shí)測(cè)中采用中間法可消除。由于地面大氣密度的不同，大氣折光使視線成為一條曲率約為地球半徑6～7倍的曲線，使讀數(shù)減小，可以用公式Δh=D2/（2x7R）表示，視線離地面越近，折射越大，因此，視線距離地面的角度不應(yīng)小于0.3m，并且其影響也可用中間法消除或減弱。此外，應(yīng)選擇有利的時(shí)間，一日之中，上午10時(shí)至下午4時(shí)這段時(shí)間大氣比較穩(wěn)定，便于消除大氣折光的影響，但在中午前后觀測(cè)時(shí)，尺像會(huì)有跳動(dòng)，影響讀數(shù)，應(yīng)避開(kāi)這段時(shí)間，陰天、有微風(fēng)的天氣可全天觀測(cè)。
3.1儀器及水準(zhǔn)尺下沉的影響
儀器下沉是指在一測(cè)站上讀的后視讀數(shù)和前視讀數(shù)之間儀器發(fā)生下沉，使得前視讀數(shù)減小，算得的高差增大。為減弱其影響，當(dāng)采用雙面尺法或變更儀器高法時(shí)，第一次是讀后視讀數(shù)再讀前視讀數(shù)，而第二次則先讀前視讀數(shù)再讀后視讀數(shù)。即“后、前、前、后”的觀測(cè)程序。這樣的兩次高差的平均值即可消除或減弱儀器下沉的影響。
水準(zhǔn)尺下沉的誤差是指儀器在遷過(guò)程中，轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生下沉，使遷站后的后視讀數(shù)增大，算得的高差也增大。如果采取往返測(cè)，往測(cè)高差增大，返測(cè)高差減小，所以取往返高差的平均值，可以減弱水準(zhǔn)尺下沉的影響。最有效的方法是應(yīng)用尺墊，在轉(zhuǎn)點(diǎn)的地方必須放置尺墊，并將其踩實(shí)，以防止水準(zhǔn)尺在觀測(cè)過(guò)程中下沉。
二、結(jié)語(yǔ)
根據(jù)對(duì)表1.1及表1.2的內(nèi)業(yè)計(jì)算分析，兩次測(cè)量外業(yè)成果均沒(méi)有錯(cuò)。那么，這個(gè)比較隱蔽的錯(cuò)誤就主要來(lái)源是立尺方向出現(xiàn)傾斜和轉(zhuǎn)點(diǎn)位置下沉或移動(dòng)，中間法距離控制不好。解決的方法是首先改變水準(zhǔn)測(cè)量的模式，基平與中平分開(kāi)。其次在每一個(gè)測(cè)站檢核，在同一測(cè)站上以不同的儀器高度（或稱視線高度）觀測(cè)兩次，兩次所測(cè)高差之差不超過(guò)規(guī)定的容許值2.0mm，取其算術(shù)平均值作為本測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果。嚴(yán)格執(zhí)行上述控制誤差的方法。就能夠有效的把誤差控制在精度要求內(nèi)。
通過(guò)實(shí)踐證明，在測(cè)量中熟練操作，才能提高觀測(cè)的速度，采取規(guī)范的辦法，嚴(yán)格執(zhí)行正確步驟，司儀與立尺互相配合，才能得到正確結(jié)果。將上述控制方法應(yīng)用到實(shí)際工作中后，能夠達(dá)到了“多干事、動(dòng)作快、效率好、省時(shí)間”的目的。
