土木工程测量.2 水准测量

1、普通高等学校土木工程专业精编系列规划教材土木工程测量主编 王晓明 殷耀国目录1 绪 论2 水准测量3 角度测量4 距离测量5 坐标测量6 地形图基本知识7 地形图测绘目录8 地形图的应用9 工程放样的基本工作10 建筑工程测量11 线路工程测量12 桥梁工程测量13 地下工程测量 14 变形测量目录下页上页 2 水准测量目录下页上页内容提要能力要求 本章的主要内容包括：水准测量的原理、水准测量仪器及工具、等外水准测量内外业工作、三四等水准测量内外业工作。通过本章的学习，学生应达到熟练操作水准仪、准确进行水准测量内业计算的能力。2 水准测量2.1 水准测量原理2.2 水准测量仪器2.3 水准测量

2、外业2.4 水准测量内业 习题与思考题目录下页上页目录下页上页2 2.1.1水准测量原理 一、水准测量的原理 利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，直接测定地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测得的高差，推算出未知点高程。目录下页上页ABabhABbahAB 前进方向前进方向 A A点为点为后视点后视点，A A点尺上的读数点尺上的读数a a称为称为后视读数后视读数；B B点点为为前视点前视点，B B点尺上的读数点尺上的读数b b称为称为前视读数前视读数。 高差等于高差等于后视读数后视读数减去减去前视读数前视读数。 A A、B B 两点间高差两点间高差h hABAB为：为：目录下

3、页上页ABabhAB前进方向前进方向大地水准面大地水准面HAHBABABhHH 二、计算待测点的高程1.1.高差法高差法目录下页上页ABabhAB前进方向前进方向大地水准面大地水准面HAHB目录下页上页ABabhAB前进方向前进方向大地水准面大地水准面HAHBHi2 2视线高法视线高法HAaHBb目录下页上页2 2. .2 2水准测量仪器 一、水准测量的仪器及工具 水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。 国产水准仪按其精度分，有DS05，DS1，DS3及DS10等几种型号。05、1、3和10表示水准仪精度等级。 目录下页上页目录下页上页一 、DS3DS3微倾式水准仪的构造 DS3D

4、S3主要由望远镜、水准器及基座主要由望远镜、水准器及基座三部分组成。三部分组成。 1 1望远镜望远镜 望远镜是精确瞄准目标并对水准尺望远镜是精确瞄准目标并对水准尺进行读数进行读数物镜物镜目镜目镜调焦透镜调焦透镜十字丝分划板十字丝分划板目录下页上页上丝上丝下丝下丝中丝中丝竖丝竖丝十字丝分划板十字丝分划板（1 1）十字丝分）十字丝分划板划板 十字丝分划十字丝分划板是为了瞄准目板是为了瞄准目标和读数用的。标和读数用的。目录下页上页（2 2）物镜和目镜）物镜和目镜 物镜和目镜多采用复合透镜组；物镜和目镜多采用复合透镜组； 目标目标ABAB经过物镜成像后形成一个倒立而缩小的实经过物镜成像后形成一个倒立而

5、缩小的实像像abab；移动对光透镜，可使不同距离的目标均能清晰地移动对光透镜，可使不同距离的目标均能清晰地成像在十字丝平面上；成像在十字丝平面上；再通过目镜的作用，便可看清同时放大了的十字再通过目镜的作用，便可看清同时放大了的十字丝和目标影象丝和目标影象abab。（3 3）视准轴）视准轴十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴CCCC。视准轴的延长线即为视线。视准轴的延长线即为视线。当视准轴水平时，用十字丝的中丝在水准尺上截当视准轴水平时，用十字丝的中丝在水准尺上截取读数。取读数。目录下页上页 2 2水准器水准器管水准器 管水准器（亦称水准管）用于管水准器（

6、亦称水准管）用于精确整平精确整平仪器。仪器。OLL目录下页上页 为了提高水准管气泡居中的精度，为了提高水准管气泡居中的精度，采用符合水准器。采用符合水准器。目录下页上页（2 2）圆水准器）圆水准器 过零点的球面法线过零点的球面法线L LL L，称为圆水准器轴。称为圆水准器轴。气泡中心偏离零点气泡中心偏离零点2mm2mm时竖轴所倾斜的角值，时竖轴所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，称为圆水准器的分划值，主要是靠调整支架的高度主要是靠调整支架的高度来来粗略整平粗略整平。气泡气泡LL目录下页上页 3 3基座基座 二、水准尺和尺垫二、水准尺和尺垫 （1 1）塔尺）塔尺目录下页上页双面水准尺双面水准尺

7、尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，称为黑面尺（主尺）；另一面为红白相间，称为称为黑面尺（主尺）；另一面为红白相间，称为红面尺（辅尺）。红面尺（辅尺）。 两根尺的黑面尺尺底均从零开始，而红两根尺的黑面尺尺底均从零开始，而红面尺尺底，一根从面尺尺底，一根从4.687m4.687m开始，另一根从开始，另一根从4.787m4.787m开始。在视线高度不变的情况下，同一根水准尺开始。在视线高度不变的情况下，同一根水准尺的红面和黑面读数之差应等于常数的红面和黑面读数之差应等于常数4.687m4.687m或或4.787m4.787m，这个常数称为尺常数，用，这个常数称为尺常

8、数，用K K来表示。来表示。 两面的刻划均为两面的刻划均为1cm1cm，在分米处注有数字。，在分米处注有数字。目录下页上页2 2尺垫尺垫 尺垫用于转点处，是由生铁铸成。尺垫用于转点处，是由生铁铸成。一般为三角形板座，其下方有三个脚，可一般为三角形板座，其下方有三个脚，可以踏入土中。尺垫上方有一突起的半球体，以踏入土中。尺垫上方有一突起的半球体，水准尺立于半球顶面。水准尺立于半球顶面。目录下页上页三、水准仪的使用三、水准仪的使用微倾式水准仪的基本操作程序为微倾式水准仪的基本操作程序为1 1、安置仪器、安置仪器2 2、粗略整平、粗略整平3 3、瞄准水准尺、瞄准水准尺4 4、精确整平、精确整平5 5

9、、读数、读数目录下页上页 1 1、安置仪器、安置仪器 （1 1）在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三三脚架架头大致水平脚架架头大致水平。 （2 2）从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。目录下页上页2 2、粗略整平、粗略整平通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。目录下页上页目录下页上页3 3、瞄准水准尺、瞄准水准尺 （1 1）目镜调焦）目镜调焦 转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。 （2 2）初步瞄准）初步瞄准 通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。（3 3）

10、物镜调焦）物镜调焦 转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。（4 4）精确瞄准）精确瞄准 转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央。目录下页上页（5 5）消除视差）消除视差 眼睛在目镜端上下移动，有时可看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动，叫视差。产生视差的原因：水准尺的尺像与十字丝平面不重合。消除视差的方法：仔细地转动物镜对光螺旋，直至尺像与十字丝平面重合。 目录下页上页4 4、精确整平、精确整平 转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合,此时水准管气泡居中，视线即为水平视线 目录下页上页目录下页上页5 5、读数、读数目录下页上页 四、自动安平水准仪自动安平水准仪望远镜的光学系统中装

11、有一个自动补偿器代替了管水准器起到了自动安平的作用，当望远镜视线有微量倾斜时补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动从而能自动而迅速地获得视线水平时的标尺读数。自动安平水准仪不需要精平，测量速度快，在工程中被广泛应用。自动安平水准仪操作步骤观测时，首先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后瞄准水准尺，等待24秒后，即可用十字丝中丝进行读数。有的自动安平水准仪配有一个补偿器检查按钮，每次读数前按一下该按钮，确认补偿器能正常作用后再读数。目录下页上页目录下页上页Zeiss Koni007自动安平水准仪目录下页上页五、电子水准仪电子水准仪又称数字水准仪，是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和读

12、数器，并采用条码标尺和图象处理电子系统而构成的光机电测一体化的高科技产品。（1）安置仪器 在测站点上架设好三脚架，将电子水准仪从仪器箱中取出并安置在三脚架上，拧紧中心螺旋。调节三脚架架腿使圆气泡大致居中，再用脚螺旋使圆气泡精确居中。 目录下页上页 （2）仪器操作 设置仪器参数 开机后用导航键选择主菜单中配置选项按回车键选择输入菜单按回车键输入大气折射、加常数、日期、时间按回车键储存。 用导航键选择主菜单中配置选项按回车键选择限差/测试菜单按回车键输入 最大视距（范围0-100m）、最小视距高（范围0-1m）、 最大视距高（范围0-5m）按回车键进入第三页选择设置一个测站限差或单次测量最大限差（

13、范围0-0.01m）按回车键进入第四页设置单站前后视距差（范围0-5m）或设置水准线路前后视（范围0-100m）按回车键储存。 建立数据文件 在主菜单中选择文件选项按回车键选择项目管理按回车键选择新建项目按回车键输入文件名称输入作者名称按回车键。目录下页上页目录下页上页2 2. .3 3水准测量外业 一、水准点一、水准点 我们将用水准测量的方法测定的高程控制点，称为水准点。 水准点记为BM (Bench Mark)BM (Bench Mark)。 水准点有永久性水准点和临时性水准点两种。目录下页上页目录下页上页（1 1）永久性水准点）永久性水准点 国家等级永久性水准点目录下页上页目录下页上页建

14、筑工地上的永久性水准点目录下页上页（2 2）临时性水准点目录下页上页二、水准路线及成果检核二、水准路线及成果检核 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。BMABMBh1h2h3h4123目录下页上页 在一般的工程测量中，水准路线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：布设形式主要有以下三种形式： 1 1附合水准路线 2 2闭合水准路线 3 3支水准路线目录下页上页1 1附合水准路线附合水准路线 （1 1）附合水准路线的布设方法）附合水准路线的布设方法 从已知高程的水准点BMBMA A出发，沿待定高程的水准点1 1、2 2、3 3进行水

15、准测量，最后附合到另一已知高程的水准点BMBMB B所构成的水准路线，称为附合水准路线。BMABMBh1h2h3h4CDE目录下页上页（2 2）成果检核）成果检核 从从 理论上讲，附合水准路线各测段高差理论上讲，附合水准路线各测段高差代数和应等于两个已知高程的水准点之间的代数和应等于两个已知高程的水准点之间的高差，即高差，即 ABthHHh目录下页上页2 2闭合水准路线闭合水准路线 （1 1）闭合水准路线的布设方法从已知高程的水准点BMBMA A出发，沿各待定高程的水准点1 1、2 2、3 3、4 4进行水准测量，最后又回到原出发点BMBMA A的环形路线，称为闭合水准 路线。BMAh1h2h

16、3h4h51234目录下页上页（2 2）成果检核）成果检核 从理论上讲，闭合水准路线各测段高差代数和应等于零即 0thh如果不等于零，则高差闭合差为 mhhf目录下页上页 3 3支水准路线支水准路线 （1 1）支水准路线的布设方法）支水准路线的布设方法 从已知高程的水准点BMBMA A出发，沿待定高程的水准点1 1进行水准测量，这种既不闭合又不附合的水准路线，称为支水准路线。支水准路线要进行往返测量，以资检核。BMA1hfhb目录下页上页 （2 2）成果检核）成果检核从理论上讲，支水准路线往测高差与返测高差的代数和应等于零。即0 bfhh 如果不等于零，则高差闭合差为 bfhhhf目录下页上页

17、 各种路线形式的水准测量，其高差闭合差均不应超过容许值，否则即认为观测结果不符和要求。 不同等级的水准测量其高差闭合差的容许值不同，后面介绍。目录下页上页ABabhAB前进方向前进方向大地水准面大地水准面HAHBHB三、水准测量的测量方法三、水准测量的测量方法目录下页上页AHACHChAC大地水准面大地水准面D1000mBMABhAB12.500mDAB50m目录下页上页 提出问题：提出问题：当已知高程的水准点距欲测定高程点较远或高差较大时，不能安置一次仪器即可测得两点间的高差。 解决方法：解决方法：这时需要在两点间加设若干个立尺点，分段设站，连续进行观测。 加设的这些立尺点并不需要测定加设的

18、这些立尺点并不需要测定其高程，它们只起传递高程的作用，故称其高程，它们只起传递高程的作用，故称之为转点，用之为转点，用TPTP（Turning PointTurning Point）表示。）表示。目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP1TP4TP3h1TP2进行方向h22.3120.4502.4240.558A2.0141.2231.9011.1081.9550.7402.0770.866h32.4130.9012.2870.771h40.4180.5332.4672.350h5目录下页上页AHACHChAC大地水准面大地水准面D1000m 1. 1.观测与记录观测与记录 例

19、例 已知水准点已知水准点BMBMA A的高程的高程 HAHA32.186m32.186m，现，现欲测定欲测定C C点的高程点的高程HCHC，由于，由于A A、C C两点相距较远，需两点相距较远，需分段设站进行测量，具体施测步骤如下。分段设站进行测量，具体施测步骤如下。目录下页上页表2-1 水准测量手簿 日期：2013年5月14日天气：多云 仪器：DS3水准仪 地点：校内实训基地 观测：张鹏 记录：李翔目录下页上页AHACHChAC大地水准面大地水准面D1000mTP1h1后视点后视点前视点前视点进行方向进行方向目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP12.0141.223h1后

20、视点后视读数前视读数前视点进行方向目录下页上页2.2.测站检核（确保精度）测站检核（确保精度） 1 1）变动仪器高法 在同一个测站上用两次不同的仪器高度，测得两次高差进行检核。即测得第一次高差后，改变仪器高度（大于（大于10cm10cm），），再测一次高差。两次所测高差之差不超过容许值（例如等外水准测量容许值为（例如等外水准测量容许值为6mm6mm），），则认为符合要求。取其平均值作为该测站最后结果，否则须要重测。目录下页上页 （2 2）双面尺法 仪器的高度不变，而分别对双面水准尺的黑面和红面进行观测。这样可以利用前、后视的黑面和红面读数，分别算出两个高差。如果不符值不超过规定的限差，取其平均

21、值作为该测站最后结果，否则须要重测。目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP12.0141.223h1.9011.108进行方向目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP12.0141.223h11.9011.108TP2进行方向目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP1h1TP2进行方向h22.3120.450后视点前视点后视读数前视读数目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP1h1TP2进行方向h22.3120.4502.4240.558目录下页上页AHACHCHAC大地水准面D1000mTP1TP3h1TP2进行方向h22.3

22、120.4502.4240.558目录下页上页AHACHChAC大地水准面D1000mTP1TP4TP3h1TP2进行方向h22.3120.4502.4240.558A2.0141.2231.9011.1081.9550.7402.0770.866h32.4130.9012.2870.771h40.4180.5332.4672.350h5目录下页上页目录下页上页目录下页上页四、水准测量的等级及主要技术要求四、水准测量的等级及主要技术要求 在工程上常用的水准测量有：在工程上常用的水准测量有： 三、四等水准测量三、四等水准测量 等外水准测量等外水准测量 1 1三、四等水准测量三、四等水准测量 三、

23、四等水准测量，常作为小地区三、四等水准测量，常作为小地区测绘大比例尺地形图和施工测量的高程基测绘大比例尺地形图和施工测量的高程基本控制。本控制。目录下页上页三、四等水准测量的主要技术要求三、四等水准测量的主要技术要求目录下页上页 2 2等外水准测量等外水准测量 等外水准测量又称为图根水准测量或普通水准测量，其主要用于测定图根点的高程及作工程水准测量之用。 等外水准测量的主要技术要求等外水准测量的主要技术要求 目录下页上页五、三、五、三、 四等水准测量四等水准测量1 1三、四等水准测量观测的技术要求三、四等水准测量观测的技术要求目录下页上页 2 2一个测站上的观测程序和记录一个测站上的观测程序和

24、记录 （1 1）瞄准后视黑面尺，精平，读下丝、上丝和中丝读）瞄准后视黑面尺，精平，读下丝、上丝和中丝读数，分别记入表数，分别记入表2-52-5中中、位置；位置；（2 2）瞄准前视黑面尺，精平，读下丝、上丝和中丝读数，）瞄准前视黑面尺，精平，读下丝、上丝和中丝读数，分别记入表分别记入表2-52-5中中、位置；位置；（3 3）瞄准前视红面尺，读中丝读数，记入表）瞄准前视红面尺，读中丝读数，记入表2-52-5中中位置；位置； （4 4）瞄准后视红面尺，读中丝读数，记入表）瞄准后视红面尺，读中丝读数，记入表2-52-5中中位置。位置。 一个测站上的这种观测程序简称一个测站上的这种观测程序简称“后后前前

25、前前后后”或或“黑黑黑黑红红红红”。四等水准测量也可采用。四等水准测量也可采用“后后后后前前前前”或或“黑黑红红黑黑红红”的观测程序。的观测程序。 目录下页上页 3 3测站计算与检核测站计算与检核（1 1）视距部分 视距等于下丝读数与上丝读数的差乘以100100 。后视距离：后视距离：100100前视距离：前视距离：100100计算前、后视距差：计算前、后视距差：计算前、后视距累积差：计算前、后视距累积差：上站上站本站本站目录下页上页2 2. .4 4水准测量内业 一、附合水准路线的计算 下图是一附合水准路线等外水准测量示意下图是一附合水准路线等外水准测量示意图，图，A A、B B为已知高程的

26、水准点，为已知高程的水准点，HAHA65.376m65.376m，HBHB68.623m68.623m，1 1、2 2、3 3为待定高程的水准点。为待定高程的水准点。h11.575mh22.036mh31.742mh41.446mn18L11.0kmn212L21.2kmn314L31.4kmn416L42.2kmBMA123BMB目录下页上页1填写观测数据和已知数据目录下页上页目录下页上页 根据附合水准路线的测站数及路线长度求出每公里测站数，以便确定采用平地或山地高差闭合差容许值的计算公式。在本例题中在本例题中6 . 8km8 . 550 站站Ln站站/km16站站/km 故高差闭合差容许值

27、采用平地公式计故高差闭合差容许值采用平地公式计算。等外水准测量平地高差闭合差容许值算。等外水准测量平地高差闭合差容许值f fhphp的计算公式为的计算公式为Lfhp40mm68m068. 0m)376.65m623.68(m315. 3)(ABmhHHhfmm96km8 . 53030Lfhphphff成果合格成果合格mm68m068. 0m)376.65m623.68(m315. 3)(ABmhHHhf2计算高差闭合差及允许值 3调整高差闭合差 高差闭合差调整的原则和方法是：高差闭合差调整的原则和方法是： 按与测站数或测段长度成正比例的原则，将高差闭合差反号分配到各相应测段的高差上，得改正后高差。即ihinnfvihiLLfv式中式中 vi 第第i测段的高差改正数（测段的高差改正数（mm）；）； 、 水准路线总测站数与总长度；水准路线总测站数与总长度； 、 第测段的测站数与测段长度。第测段的测站数与测段长度。 n LiniL在本例中，各测段改正数为：mm12km0 . 1km8 . 5mm6811LLfvhmm14km2 . 1km8 . 5mm6822LLfv