施工单位-公路水准测量

公路水准测量

2013年3月21日ABHA大地水准面任意水准面HB过B点的水准面一

、

高程测量概述1.1高程测量l

高程测量：测量地面点高程的工作。目的：获得未知点的高程。一般是通过测出已知点和未知点之间的高差，再根据已知点的高程推算出未知点的高程。

（1）水准测量：利用水平视线来测量两点之间的高差。此方法施测简单，且精度较高，所以是高程测量中最主要的方法，被广泛应用于高程控制测量、工程勘测和各项施工测量中。1.2高程测量的方法

（2）其他高程测量方法：

三角高程测量、高程测量、静力高程测量、摄影高程测量、GPS高程测量等。1.3水准点及其等级l

水准点（BenchMark），通过水准测量建立的高程控制点，工程上常用BM来标记。l

水准点的等级及埋设w

国家水准点分为一、二、三、四等四个等级，按规范要求埋设永久性标石标记。三、四等水准点一般用混凝土标石制成，深埋到地面冻结线以下，在标石的顶面设有用不锈钢或其它不易锈蚀的材料制成的半球状标志（图1-1a）。w

墙上水准点（图1-1b）w

等外等水准点和一些施工测量使用的水准点

常采用临时性标志,例如:木桩（桩顶钉一半圆球状铁钉）BMB45.331或大铁钉打入地面，也可在地面上突出的坚硬岩石或房屋四周水泥面、台阶等处用红油漆标记。2.1

基本原理

水准测量的实质:测量两点之间的高差。

水准测量的基本原理

利用水准仪建立一条水平视线，借助水准尺来测定两点间的高差，从而由已知点的高程推算出未知点的高程。A、B两点的高差为：(利用水准仪提供的水平视线，分别读取A点水准尺上的读数a和B点的读数b)l

如果A点是已知高程点，B点是待求高程点。则B点高程为:

二

水准测量原理

图2-2水准测量术语如图2-2所示：

A—后视点、a—后视读数，

B—前视点、b—前视读数高差=后视读数—前视读数

※观测者站在仪器处，面向前进方向，前面所立尺为前视，背后所立尺为后视。

高差的符号：高差的正负号反映两点的高低；

高差的正负号又与测量前进的方向有关：

hAB=－hBA

图2-22.2连续水准测量

在两点间连续地多次安置仪器所进行的水准测量。

图2-3

在图2-3中：

测站：安置仪器的点（在图2-3中Ⅰ、Ⅱ…）

转点：标识为：TP或ZD，是传递高程的点(1、2…)。

在转点上先有前视读数后有后视读数。假设A点高程已知为HA，各测站测得的高差为hi，则有：

hAB为A、B两点间测得的高差，则：未知点B的高程为：2.3仪高法测量

l

适用场合：根据一个后视点的高程同时测定多个未知点的高程。常用于纵断面测量、土石方测量。

l

仪高法：仪器的视线高：Hi=HA+a

待求点高程：H

B=Hi–b=(HA+a)–b

中间点(p1.P2等)：在测量过程中不起传递高程作用的高程待求点，这些点上只有一个前视读数C,也称“中视读数”。其高程:

（转点：TP1、TP2等）三、水准测量的仪器及其使用

3.1水准仪的种类（1）

按构造分：

l光学水准仪

l

微倾式水准仪

：用水准管来获得水平视线；

l

自动安平水准仪：用补偿器来获得水平视线。

l

电子水准仪

（2）

按仪器精度：DS05、DS1、DS3、DS10

四个等级。

DS05

和DS1

用于精密水准测量，DS3

用于一般水准测量，DS10

则用于简易水准测量。工程常用DS3

水准仪。（1）水准尺用优质木材或合金制成，要求尺长稳定，刻划准确。

l

最常用的有双面尺和塔尺两种。※

双面尺多用于三、四等及以下精度的水准测量（图3-1）。其中:A尺和B尺黑面0~3m;A尺红面4.687~7.687m,B尺红面4.787~7.787m。※

塔尺用两节或三节套接在一起，能伸缩，携带方便。

图3-13.2水准尺和尺垫

l

尺垫是在转点上放置水准尺用的，尺垫可使转点稳固，防止下沉。

l

用钢板或铸铁制成，一般为三角形，中央有一突出的半球体，下方有三个尖脚（见图3-2）。

l

用时把三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。图3-2（2）尺垫（1）DS3微倾式水准仪的构造

3.3

DS3微倾式水准仪的构造及使用望远镜水准器基座132765498101412131115161.微倾螺旋；2.分划板护罩；3.目镜；4.物镜调焦螺旋；5.制动螺旋；6.微动螺旋；7.底板；8.三角压板；9.脚螺旋；10.弹簧帽；11.望远镜；12.物镜；13.管水准器；14.圆水准器；15.连接小螺钉；16.轴座

l

作用：它可以提供视线，并可读出远处水准尺上的读数

l

构造：物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板。

物镜：使目标的成像落在十字丝板前后。

调焦透镜：使目标的成像与十字丝重合。

目镜：放大十字丝和目标的成像。

十字丝分划板：竖丝是为了瞄准目标，中丝（单丝或楔形丝）读取读数。视距丝：上、下短丝，用于测距。①望远镜中丝（横丝）竖丝视距丝l视准轴（即视线）：十字丝交点与物镜光心的连线。它是水准仪的主要轴线之一。望远镜的成像原理：图3-4②水准器水准器分圆形和管形两种（1）圆水准器灵敏度8/2mm用于仪器粗平

（2）管水准器灵敏度20/2mm用于仪器精平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。水准管圆水准器轴③基座l

用于置平仪器，它支撑仪器的上部使其在水平方向上转动，并通过连接螺旋与三脚架连接。l

基座主要由轴座、脚螺旋、三角压板和底板构成。

调节三个脚螺旋可使圆水准器的气泡居中，使仪器粗略整平。

望远镜基座三脚架VV水准器（2）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圆水准管脚螺旋粗平

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瞄准调节目镜：照准明亮的物体（如白墙）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，检查有无“视差”（消除视差）。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）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。

bc水准测量的瞄准与读数adb

a0.7256.2521.5333.5自动安平水准仪用设置在望远镜内的自动补偿器代替水准管而能自动获得水平视线的水准仪。观测时，用圆水准器使仪器粗略整平后，即可直接读取水平视线读数。具有观测速度快、精度高等优点，被广泛应用在各种等级的水准测量中。补偿器有一定的补偿范围，应特别注意圆水准器的气泡居中。要防止补偿器贴靠周围的部件，保证其处于正常工作状态。

用自动安平补偿器代替水准管，只需将水准仪上的圆水准器气泡居中，便可通过中丝读到水平视线在水准尺上的读数。4.1水准路线的布设形式

l

附合水准路线（a）

l

闭合水准路线（b）

l

支水准路线（c）

l

水准网（d、e）水准路线:水准测量所经过的路线。

图4-1四、

水准测量的方法4.2水准测量的施测方法图4-2中：水准点A为已知点，高程为51.903m；B为待定高程的点；施测过程（见表4-1）图4-2点号水准尺读数高差高程备注后视前视+－BMA1.339

51.903已知高程点TP11.4181.402

0.063

TP21.5191.1870.231

TP31.2420.9840.535

TP41.2671.347

0.105

BMB

0.8710.396

∑6.7855.7911.1620.168

计算检核∑a—∑b=+0.994∑h=+0.994HB—HA=+0.994表4-1水准测量记录手簿（记录、计算）图4-2点号水准尺读数高差高程备注后视前视+－BMA1.339

51.903已知高程点TP11.4181.402

0.063

TP21.5191.1870.231

TP31.2420.9840.535

TP41.2671.347

0.105

BMB

0.8710.396

52.897

∑6.7855.7911.1620.168

计算检核∑a—∑b=+0.994∑h=+0.994HB—HA=+0.994表4-1水准测量记录手簿水准测量的检核

为了保证水准测量成果的正确可靠，必须进行检核。检核的方法主要有以下几种：1.计算检核2.测站检核3.成果检核计算检核

在每一测段结束后或手簿上每一页之末，须进行计算检核。表4-1中:

（1）ab=h=0.994

说明高差的计算是正确的。

（2）HBHA=h

说明高程的计算也是正确的。 如不相等，则计算中必有错误，应进行检查。2.测站检核

通常采用以下两种方法：

（1）变动仪器高法：在一个测站上两次置镜(变动仪高›0.1m)所得高差之差不超过容许值（例如等外等水准测量容许值为±6mm），则认为符合要求，并取其平均值作为最后结果，否则，必须重测。

（2）双面尺法：利用同一水准尺红面与黑面两次测得高差，扣除一对尺常数差后，较差均在容许值范围内,则取其平均值作为该测站观测高差。否则，需要检查原因，重新观测。3.成果检核l

将整个水准路线的成果与理论值进行比较：能检测出多个测站的累计误差如：温度、风力、仪器、大气折光、尺子倾斜及转点位置移动等误差的影响。l

方法：是按水准路线的布设形式求出高差闭合差并与限差比较：高差闭合差=实测高差－理论高差<限差l

其大小在一定程度上反映了测量成果的质量（1）附合水准路线

l此种布设形式可以使成果得到可靠的检核。

l高差闭合差（2）闭合水准路线

l

此种布设形式亦可对成果进行可靠的检核。

l

高差闭合差※高差闭合差（3）支水准路线l

此种布设形式没有可靠的成果检核条件

l

进行往返测或两组并行测量

l高差闭合差

：往返测

：

两组并行测量：※高差闭合差容许值——限差

l

其大小在一定程度上反映了测量成果的等级

l

闭合差的数值应该在容许值范围内，否则应检查原因，返工重测

l

高差闭合差的容许值，一般用

fh容表示。如等外等水准测量：四等水准测量：

三等水准测量：

要求：

式中：L——水准路线长度，以KM为单位n—为测站总数表示观测成果满足精度要求，可分配。反之，应检查外业资料，甚至重测。五、水准测量的成果计算

1）计算闭合差2）判断闭合差是否超限3）计算各测段观测高差的改正数5）计算各测段的改正后的高差6）计算各点的高程值4）检查闭合差是否分配完5.1附合水准测量路线的成果计算按等外等水准测量的方法测得各测段的观测高差和水准路线的长度BMA、BMB为已知高程的水准点;BM1、BM2、BM3为待定高程的水准点。

图5-1表5-1附合水准路线成果计算(例：填表)测段点号路线长度（km）测站数实测高差（m）改正数（mm）改正后高差（m）高程（m）

1BMA2.3

+0.748

46.216BM1

21.2

-0.423

BM2

32.4

+0.298

BM3

42.1

-1.476

BMB45.331∑8.0

-0.853-32-0.885

辅助计算1.高差闭合差和限差的计算：2.高差闭合差的调整

当闭合差在容许值范围内时，可把闭合差分配到各测段的高差上。

分配的原则：将闭合差反号按测站数或水准路线长度成正比分配到各测段的高差上。（各测段的改正数与测站数或水准路线的长度成正比

）1）计算各测段高差改正数:(表5-1中第6列）

或

式中:vi————分配给第i测段高差的改正数；

Li，ni————第i测段路线的长度和测站数；

∑L，∑n————水准路线的总长度和总测站数。

检核：各段改正数的总和应与高差闭合差的大小相等且符号相反，即∑vi=-fh

。例：如表5-1中v1=-（32/8）×2.3=-9mm

v2=-（32/8)

×1.2=-5mm

v3=-（32/8)×2.4=-10mmv4=-（32/8)×2.1=-8mm记于表中第6列相应行中。检核：-9-5-10-8=-32mm（∑vi=-fh

）

2）计算改正后高差（见表5-1中第7列）

3、计算待定点高程（见表5-1中第8列）

表5-1附合水准路线成果计算(例图5-1)测段点号路线长度（km）测站数实测高差（m）改正数（mm）改正后高差（m）高程（m）

1BMA2.3

+0.748-9+0.73946.216BM146.95521.2

-0.423-5-0.428BM246.52732.4

+0.298-10+0.288BM346.81542.1

-1.476-8-1.484BMB45.331∑8.0

-0.853-32-0.885

辅助计算5.2闭合水准测量路线的成果计算闭合水准路线是附合水准路线的特例闭合水准路线成果计算与附合水准路线相同闭合高差闭合差：附合高差闭合差：闭合水准路线5.3

支水准测量路线的成果计算

l支水准路线（往返或两组并测）是闭合水准路线特例（两点）l支水准路线，应将闭合差反号平均分配在往测和返测的实测高差上当高差闭合差小于限差时，亦可

hi=（hi往―hi返）2【例】

在A、B间进行往返水准测量,已知HA=53.218m,

∑h往=+0.165m,∑h返=－0.183m,AB间路线长L=2km,求改正后B点的高程(按等外等水准测量精度要求计算)。

【解】

高差闭合差：容许高差闭合差：改正后往测高差：改正后返测高差：

B点高程：检校的时间：购进仪器之后长途运输之后项目开工之后出现问题之后检校目的：使仪器各种轴系关系处于正常状态。

六、水准仪的检验和校正

CCLLVVL'L'七、水准测量的误差分析

为了保证测量成果的精度，需要分析研究产生误差的原因，并采取措施消除或减小误差的影响。主要的误差来源：仪器误差操作误差外界条件的影响其他7.1水准测量的操作误差（1）气泡居中不准引起的误差（2）水准尺倾斜引起的误差（3）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。θ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。7.2外界条件对水准测量的影响（1）地球曲率的影响（2）大气折光的影响（3）大气抖动的影响（4）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差值。这样在高差中就没有这误差的影响了。因此，放测站时要争取“前后视相等”（2）大气折光的影响接近地面的空气温度不均匀，所以空气的密度也不均匀。光线在密度不匀的介质中沿曲线传布。这称为“大气折光”。总体上说，白天近地面的空气温度高，密度低，弯曲的光线凹面向上；晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。接近地面的温度梯度大大气折光的曲率大由于空气的温度不同时刻不同的地方一直处于变动之中。所以很难描述折光的规律。对策：避免用接近地面的视线工作尽量抬高视线用前后视等距的方法进行水准测量（3）大气抖动的影响除了规律性的大气折光以外，还有不规律的部分：白天近地面的空气受热膨胀而上升，较冷的空气下降补充。因此，这里的空气处于频繁的运动之中，形成不规则的湍流。湍流会使视线抖动，从而增加读数误差。对策：夏天中午一般不做水准测量在沙地，水泥地……湍流强的地区，一般只在上午10点之前作水准测量。高精度的水准测量也只在上午10点之前进行。（4）温度对仪器的影响温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。由于光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡“趋向太阳”---水准管轴的零位置改变了。对策：仪器制作时采取保护措施：如Zeiss004在望远镜筒外面还有一个保护筒。量筒之间静止的空气起隔热作用精密水准测量时必须撑伞精密水准仪从箱中拿出来后要静置半小时后再开始工作避免日光直接照射水准管（5）其他影响转点的唯一性问题：水准测量常需多次设站把高程传递到待定点。为此必须利用转点。在转点上水准尺有二次工作状态。必须保证转点状态不变。土质松软转点会下沉平坦的硬质路面上立尺会因尺子倾斜状态不同引起高度变化水准仪架在松软的土质上也有下沉的可能对策：选择有棱角的硬物做转点携带专用的测垫或测桩做转点采用“时间对称”的工作流程，削弱“随时间而变化的因素”对测量成果的不良影响。如水准测量采用“前--后--后--前”的流程八、

精密水准仪与水准尺8.1精密水准仪DS05、DS1均属于精密水准仪，精密水准仪主要用于国家一、二等水准测量以及建筑物沉降观测、大型桥梁