工程测量绪论-水准测量原理

建筑工程测量,绪论,1.1建筑工程测量的任务一、测量学的定义研究地球的形状和大小和地表(包括地面上各种物体)的几何形状及其空间位置的科学。二、建筑工程测量工作的内容测定：是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。测设：又称为放样，是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。,地面,图纸,测定,测设,地物：地面上的物体如河流、道路、房屋等。地貌：地面高低起伏的形态。地形：狭义而言是地面的高低起伏，广义来讲是地物和地貌的总称。,三、测量在工程建设中的作用在勘测设计阶段：为工程设计提供详细的地面资料在施工建设阶段：将设计好的建筑物测设标定于实地并指导施工和变形监测在峻工阶段：进行竣工测量，为工程的扩建、改建提供竣工图；在运营管理阶段：进行维护测量，以便对工程进行维护保养，确保运营安全。,面水准测量场地平整,基坑底面标高控制,标高控制,控制工程质量：建筑物建成后（甚至在施工期间）会因地基承载力弱或因自重和外力的作用而产生变形。如大坝可能位移、高层建筑物可能倾斜等。,1.2地面点位的确定,一、地球的形状和大小,地球表面高低起伏不规则,大地体,旋转椭球体,球体,前提：起伏/地球半径小（20/6371）,是人们设想有一个不受风浪和潮汐影响的静止海水面，向陆地和岛屿延伸形成一个封闭的形体,a=6378140mb=6356755m扁率=（a-b）/a=1/298.257,R=6371km,铅垂线、水平线、水平面和水准面铅垂线：某点的重力方向线，可用悬挂垂球的细线方同来表示水平线：与铅垂线正交的直线水平面：与铅垂线正交的平面称为水平面水准面：处处与重力方向垂直的连续曲面任何自由静止的水面都是水准面大地水准面：与不受风浪和潮汐影响的静止海水面相吻合的水准面,水准面,水平线、水平面,铅垂线,基准线,基准面,海水面是个动态的曲面，我国在青岛设立验潮站，长期观察和记录黄海海水面的高低变化，取其平均值作为大地水准面的平均位置（其高程为零），并在青岛观象山上建立了水准原点。将大地水准面的平均位置引测到水准原点，我国采用“1985年高程基准”，水准原点高程为72.260m。,72.260,二、确定地面点位的方法测量工作的实质：确定地面点的空间位置点的空间位置（三维）=该点在水准面或水平面（球面或平面）的位置（二维）+该点到大地水准面的铅垂距离（一维）,坐标,高程,（一）、地面点的坐标1、地理坐标球面坐标系统地面点在球面上的位置用经度（）纬度（）表示如北京的地理坐标：东经11628，北纬38541980年国家大地坐标系大地原点：陕西泾阳县永乐镇(大地原点，亦称大地基准点，即国家水平控制网中推算大地坐标的起标点),为什么将大地原点设在此地？中华人民共和国大地原点选点报告中作了这样的解释：“为了使大地测量成果数据向各方面均匀推算，原点最好在我国大陆的中部。”而陕西泾阳县永乐镇石际寺村的确处在祖国大陆的中部。这里距我国边界正北为880公里，距东北2500公里，距正东1000公里，距正南1750公里，距西南2250公里，距正西2930公里，距西北2500公里。同时，这里的地质条件比较理想。2、高斯平面直角坐标系,大地坐标表示地面点的球面坐标，工程设计上需要点位平面位置。工程建设在地球曲面上完成，工程设计均在平面上进行。“平面”与“曲面”必然有矛盾。高斯平面直角坐标系是一种应用广泛的坐标系统，可以解决这类问题。,3独立的平面直角坐标系投影面：用测区中心点a的切平面作为投影平面,以当地的北方向为坐标轴的正方向，平面直角坐标系只用于小的局部地区。一般选取测区的西南角为坐标原点，纵轴为X轴，横轴为Y轴，X轴正向为正北方向，负向为正南方向，Y轴正向为正东方向，负向为正西方向（上北下南左西右东），象限以顺时针方向编号。,面积小于25km2,不同点：1、X、Y轴方向不同2、象限转向不同3、测量学中直角坐标轴与方向相关,相同点：1、基本要素相同2、数学中的公式直接应用到测量中来，而无需作任何修改。,平面坐标系与数学坐标系,二、地面点的高程绝对高程地面点到大地水准面的铅垂距离，简称高程。用H表示，如HA（测量工作一般采用绝对高程，只在偏僻地区没有已知点才用相对高程）相对高程地面点到假定水准面的铅垂距离。用H表示HA高差地面两点之间的高程差。用h表示。如：hAB=HB-HA=HB-HAhBA=HA-HB=HA-HB,hAB=-hBA,综上所述确定地面点的位置必须进行的三项基本测量工作：角度测量、距离测量、高程测量,如果把一小块水准面当作平面看待，其产生的变形不超过测量和制图误差的容许范围时，即可在局部范围内，用水平面代替水准面，使测量和绘图工作大大简化。1、对距离的影响,1.3用水平面代替水准面的限度,结论：在10km为半径的圆面积之内进行距离测量时，可以用水平面代替水准面，而不需考虑地球曲率对距离的影响。,2、对角度的影响,从球面三角学可知，同一空间多边形在球面上投影的各内角和，比在平面上投影的各内角和大一个球面角超值。式中球面角超值（）；结论：当面积P为100km2时，进行水平角测量时，可以用水平面代替水准面，而不必考虑地球曲率对距离的影响。,3、对高程的影响,结论：就高程测量而言，即使距离很短，也应用水准面作为测量的基准面，即应顾及地球曲率对高程的影响。,测量工作的基本原则,基本工作：水平距离水平角度高差,测量工作的基本原则测量工作的程序：先精确地测量出少数点的位置，这些点在测区中构成一个骨架，起着控制的作用，可以将它们称为控制点，测量控制点的工作称为控制测量。然后以控制点为基础，测量它周围的地形，也就是测量每一控制点周围各地形特征点的位置，这一工作称为碎部测量。它可以减少误差积累，保证测图精度，还可以分幅测绘，加快测图进度。测量工作的原则“从整体到局部、先控制后碎部”基本原则“步步有检核”,计算中数字的凑整规则测量计算过程中，般都存在数值取位的凑整问题。为了尽量减弱凑整误差对测量成果的影响，避免凑整误差的累积，在计算中通常采用如下凑整规则：1、遵循“四舍六入”的原则2、当其后被舍去的部分等于0.5时，“五前单进双不进”。即末位凑成偶数，末位为奇数数时进1，为偶数或零时末位不变。例如：将下列数据取舍到小数后三位。3.141593.142；3.513293.513；9.750509.750；4.513504.514；2.8545002.854；1.2585011.258,本课程的特点和要求,（1）特点内容多：理论+实践操作+应用实践性强，责任性要求高：必须遵照测量的规范和规则。,学会和掌握测量的基本作业方法角度测量、距离测量、高程测量（仪器的基本操作、作业程序、记录、成果整理）学会控制测量、地形测量、施工放样的基本作业方法（外业测量、内业计算与绘图）建立测量误差的基本概念（掌握测量误差的基本理论和测量误差的计算）完成实训任务，满足实训要求（随堂实训、实训周）,（2）学习要求,第二章水准测量,第二章水准测量,水准测量原理水准测量的方法与成果整理,学习要点,第二章水准测量,2-1高程测量概述,一、高程原点二、高程测量方法三、水准测量等级,地面点的高程,2-1高程测量概述,1.高程测量测定地面点高程的工作,2.高程测量的方法水准测量用水准仪进行高程测量的工作。是高程测量的主要方法使用仪器：水准仪水准仪的主要功能是能指出一条水平视线。,其他高程测量方法：三角高程测量、GPS测量,我国国家高程系统：黄海高程系我国国家高程基准：1985年国家高程基准,我国取青岛附近黄海平均海水面为大地水准面；人为而定，相对稳定(我国1956年取前6年的平均潮位作为大地水准面；1985年取1953年1979年共26年观测的平均潮位作为大地水准面)；水准原点建在青岛市内，作为我国的国家高程基准。1956年高程基准的高程为72.289米，1985年高程基准的高程为72.260米。,3.高程系统与高程基准,3.4.高程系统、等级,4.水准测量的等级分一、二、三、四等（按精度要求、控制范围）,一等水准测量:仅在国家等级中存在作为国家的高程控制,建立统一的高程基准;科学研究(地壳形变、地面沉降、精密测量）,二等水准测量:作为大城市的高程控制；地面沉降；精密工程测量,三、四等水准测量:作为小地区的高程控制；普通工程测量,2-2水准测量原理,要求：测量A，B两点间的高差h思路：在A，B上竖立标尺，用水准仪构筑一条水平视线该视线在两尺上截得读数a和b则B比A高出h=a-b注：高差h有正有负,一、计算未知点高程1高差法测得A、B两点间高差hAB后，如果已知A点的高程HA，则B点的高程HB为：这种直接利用高差计算未知点B高程的方法，称为高差法。2视线高法如图所示，B点高程也可以通过水准仪的视线高程Hi来计算，即这种利用仪器视线高程Hi计算未知点B点高程的方法，称为视线高法。在施工测量中，有时安置一次仪器，需测定多个地面点的高程，采用视线高法就比较方便。,二、连续水准测量,在实际水准测量中，A、B两点间高差较大或相距较远，安置一次水准仪不能测定两点之间的高差。此时有必要沿A、B的水准路线增设若干个必要的临时立尺点，即转点（用作传递高程）。根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，求和得到A、B两点间的高差值，有：h1=a1b1h2=a2b2则：hAB=h1+h2+hn=h=ab结论：A、B两点间的高差等于后视读数之和减去前视读数之和。,一.水准测量的仪器与工具,2-3水准尺和的水准仪,一.水准尺、尺垫直尺：双面(黑、红)水准尺，尺常数4.687m、4.787m，用于三等以下水准路线测量。,塔尺可伸缩，伸足为3米、5米，用于一般工程测量。尺垫：转点立尺用。,2.水准仪,二.水准仪,等级(精度系列)：DS05DS1DS3DS10型号下标：毫米数，表示1公里往、返测量的高差平均值的中误差(由于仪器引起的)。,构造：望远镜水准器支架基座,S3水准仪外型,一般的望远镜只需望远，不需瞄准。所以有物镜，目镜（加调焦镜）即可。测量望远镜要能瞄准。所以要有十字丝。目标的象与十字丝重合即瞄准。,望远镜与视差,望远镜与视差,测量望远镜及十字丝,视准轴：十字丝分划中心与物镜光心的连线。物镜的作用：把目标成象（拉近）。目镜的作用：把十字丝（和目标象）放大。十字丝固定不动。为了让仪器适用于不同视力的人，目镜可以前后调节，称为目镜调焦。调焦镜的作用：使远近不同的目标都能成象于十字丝面上。移动调焦镜称为物镜调焦。视差：如果目标象没有落在十字丝面上，则当观测员的眼睛上下左右移动时，会感到目标象与十字丝之间有相对错动。这种现象称为视差。视差影响瞄准的精度。物镜调焦可以消除视差。,测量望远镜,水准器,圆水准器用于仪器粗平管水准器用于仪器精平,水准器,水准器分圆形和管形两种管水准器是个玻璃容器，其纵剖面上内侧呈圆弧形。刻划线对称中点处的切线就是水准管轴。“气泡居中”即水准管轴水平。圆水准器是个玻璃容器，上面有同心圆的刻划。上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径就是圆水准器的轴。“气泡居中”即水准器的轴垂直。,水准管,圆水准器,三、水准仪的使用,1、安置：用连接螺旋把仪器固定在三脚架上2、粗平：使三脚架架头大致水平;转动脚螺旋使圆水准器的气泡居中3、瞄准调节目镜：照准明亮的物体（如白色的墙）调节目镜使之适合自己的视力（十字丝最清晰）；粗瞄准：转动仪器，利用望远镜外壳上的准星瞄准目标；精确瞄准：转动调焦螺旋使目标象清晰，直至无“视差”。用微动螺旋慢慢转动望远镜，直至精确瞄准目标为止（十字丝的纵丝靠近水准尺）,4、精平用微倾螺旋使水准管气泡居中（符合气泡符合）5、读数用十字丝的横丝在水准尺上读数（先读毫米数，然后米，分米，厘米数。每次读四位数，“0”也是必须记录的数字。）,水准管的校正螺丝像片,脚螺旋,2、粗平,用连接螺旋把仪器固定在三脚架上，固定两个脚架，动第三个脚架，使三脚架架头大致水平;转动脚使螺旋圆水准器的气泡居中,2、粗平,（左手拇指法则）,物镜的作用：把目标成象（拉近）。目镜的作用：把十字丝（和目标象）放大。十字丝固定不动。为了让仪器适用于不同视力的人，目镜可以前后调节，称为目镜调焦。调焦镜的作用：使远近不同的目标都能成象于十字丝面上。移动调焦镜称为物镜调焦。视差：如果目标象没有落在十字丝面上，则当观测员的眼睛上下左右移动时，会感到目标象与十字丝之间有相对错动。这种现象称为视差。视差影响瞄准的精度。物镜调焦可以消除视差。,3、瞄准,水准管的校正螺丝像片,缺口,视差,视差：望远镜内目标像与十字丝分划板未重合。现象：观测时，改变眼睛与目镜的相对位置，十字丝与目标的像有相对移动。,消除视差的步骤：目镜调焦，使十字丝最清晰；物镜调焦，使目标像最清晰，且无视差。,符合棱镜系统把水准气泡两端成象在一起便于观察。若直接用肉眼观察则因为玻璃有厚度，斜视时会产生视差要同时观察气泡的两端才能判断气泡是否居中用符合棱镜系统观察，可以避免上述缺点。判断“气泡居中”的精度约可提高一倍。,观察窗,4、精平,普通水准尺,水准尺的分划不是线划式而是区格式的。区格的边缘是分划的位置，区格内的小数“估读”。区格式分划便于从远处观察并读数。,5、读数,瞄准与读数,水准测量的瞄准与读数,a,自动安平水准仪原图,四、自动安平水准仪,（一）自动安平水准仪的特点,1、没有水准管和微倾螺旋；望远镜和支架连成一体2、测量时，只需粗平,Koni007自动安平水准仪,ZeissKoni007自动安平水准仪,2-4水准测量的方法及成果处理,一、水准点和水准路线（一）水准点用水准测量的方法测定的高程控制点，称为水准点，记为BM(BenchMark)。水准点有永久性水准点和临时性水准点两种。,（1）永久性水准点永久性水准点是国家有关专业测量单位，按一、二、三、四等，四个等级分级，在全国各地建立的国家等级水准点。有些永久性水准点的金属标志也可镶嵌在稳定的墙角上，称为墙上水准点。,（2）临时性水准点临时性的水准点可用地面上突出的坚硬岩石或用大木桩打入地下，桩顶钉以半球状铁钉，作为水准点的标志。,建筑工程水准点a）永久性水准点b）临时性水准点,（二）水准路线在水准点间进行水准测量所经过的路线，称为水准路线。相邻两水准点间的路线称为测段。,在一般的工程测量中，水准路线布设形式主要有以下三种形式。1、闭合水准路线(closedlevelingline)。由已知点BM1已知点BM12、附合水准路线(annexedlevelingline)。由已知点BM1已知点BM23、支水准路线(spurlevelingline)。由已知点BM1某一待定水准点A。,附合水准路线和闭合水准路线因为有检核条件，一般采用单程观测；支水准路线没有检核条件，必须进行往、返观测或单程双线观测，来检核观测数据的正确性。,二、水准测量的实施（外业）,（一）观测要求（1）水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。（2）为及时发现观测中的错误，通常采用“两次仪器高法”或“双面尺法”。两次仪器高法：高差之差h-h5mm；双面尺法，红黑面读数差3mmh黑-h红5mm。,（a）两次仪器高法（变动10cm以上）已知HA，求HB,a1,b1,a2,b2,h1=a1-b1,h2=a2-b2,h1-h2=f=5mm,水准测量记录（两次仪器法）,（b）双面尺法已知HA，求HB,a1,b1,a2,b2,h1=a1-b1,h2=a2-b2,h1-h2=f=5mm,水准测量记录（双面尺法）,(二)水准测量记录表,注意：（1）起始点只有后视读数，结束点只有前视读数，中间点既有后视读数又有前视读数。（2），只表明计算无误，不表明观测和记录无误。,四、水准测量的成果处理（内业）,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,HA=45.286m,HB=49.579m,(一）、高差闭合差计算,0,闭合水准,HBHA=H终-H始,附合水准,无,支水准,支水准路线无闭合差，所以采用往、返测量,（二）分配高差闭合差(1)高差闭合差限差（容许误差）对于普通水准测量，有：式中，高差闭合差限差，单位：mmL水准路线长度，单位：km；n测站数(2)分配原则：按与距离L或测站数n成正比，将高差闭合差反号分配到各段高差上。(三)计算各待定点高程用改正后的高差和已知点的高程，来计算各待定点的高程。,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,HA=45.286m,HB=49.579m,(一）高差闭合差计算,高差闭合差的允许值,L-以公里为单位,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,HA=45.286m,HB=49.579m,（二）高差闭合差的分配,水准测量成果整理,（一）精密水准尺,水准尺：因瓦钢+分划式,2-6精密水准仪和电子水准仪,一、精密水准仪和水准尺,2-6精密水准仪和电子水准仪,格值小(=710)，气泡长、大，符合精度高；望远镜放大倍率高（3040），瞄准精度高（15/V）微动螺丝精细，望远镜微倾对高度的影响小,（二）精密水准仪,读数：瞄准+平行玻璃板+测微分划尺,精密水准仪、水准尺,WILDN3、精密水准尺,WILDN3精密自动安平水准仪,精密水准尺,三.电子水准仪,二、电子水准仪,也称“数字水准仪”,具有自动安平功能。自动显示水平视线读数和视距。通过物镜获取水准尺图象，通过仪器的处理系统，将图象信息转换成数字显示。能与计算机实现数据通讯。基本避免了人为的观测误差（视差、水准器精平误差、瞄准误差、估读数误差。,电子水准仪图,电子水准仪图,条码尺,测量键,电子水准仪的瞄准,电子水准仪的瞄准,2-7水准测量的误差分析,测量误差主要有三种：仪器误差操作误差外界的影响其它水准测量也具有这些误差水准测量的仪器误差）圆水准器轴不平行仪器纵轴LLVV）十字丝的横丝不水平）水准管轴与视准轴不平行LLCC,水准测量的操作误差,气泡居中不准引起的误差水准尺倾斜引起的误差瞄准和读数的误差分析讨论：1，设气泡居中不准引起的读数误差为则,2，水准尺倾斜引起的误差,水准尺倾斜引起的读数误差与水平视线离尺底的高度h，尺子的倾斜度，以及尺底的厚度b和尺子安放的情况有关。,对策精密水准测量时，尺上要装水准器普通水准测量时尽量把尺扶直或扶尺员慢慢地把尺前后摇动，观察员取尺上最小的读数,3，瞄准和读数的误差,对于区格式的水准尺，最小一位读数是估读的。一般说来估读的误差约为1毫米。十字丝粗约为0.005毫米。望远镜物镜焦距约为300毫米。当S=60m时，投影在尺面上十字丝的象粗为所以当视线长度大于60米时，读数误差会增加。,外界条件对水准测量的影响,地球曲率的影响大气折光的影响大气抖动的影响温度对仪器的影响,1、地球曲率的影响,工作时水准仪的视准轴是水平直线，而大地水准面是曲面。由此，在读数中就有误差当S=100米时，对策：如果前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，则在前视读数和后视读数中含有相同的。这样在高差中就没有这误差的影响了。因此，