浅析工程水准测量误差来源及控制

水准测量是确定公路工程地面点高程的方法之一，是高程测量中精度较高且常用的方法。水准测量是采用几何原理，利用水平视线测定两点间高差,所使用的仪器为水准仪，工具是水准尺和尺垫。公路工程施工测量中通常使用DS3型微倾式水准仪，每公里能达到的精度是3mm，水准仪在一个测站使用的基本程序是安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。实施过程中，需要几个人合作才能完成，误差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制，而且易出现隐蔽性错误，如果不能及早发现，基础资料是错误的，从而水准点高程不正确，直接影响路线纵断面设计和施工。



在公路工程施工测量中同一条公路采用同一个高程系统，工程施工中测量方法通常是基平与中平同时测量，两台水准仪同时观测一个水准尺，间视和转点由两个人立水准尺，但两台水准仪总是同时观测一个水准尺进行读数，一个水准点段测完后检核，在每一测站，没有检查、复核，为误差的积累创造了条件，容易返工，耽误时间、浪费人力。通过工程实践证明，这一方法经常出现错误，现节选一个实例加以说明：表1.1 靖安高速公路M-2标D001至D002水准点及原地面标高外业测量结果点号 后视 视线高 间视 前视 高程 点号 后视 视线高 间视 前视 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标D001至D002水准点复核测量结果点号 后视 视线高 间视 前视 高程 点号 后视 视线高 间视 前视 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经过成果整理，fh=8mm满足平原微丘区三等水准测量的精度fh容=±20·L（1/2）=±20·0.9（1/2）=19mm规范要求。但经过表1.2应用水准点与中桩分开观测的方法，对水准点进行复核,水准点观测采取往返测量,成果整理fh（fh =Σh往+Σh返）=1mm满足平原微丘区三等水准测量高差闭合差的精度不大于fh容=±20·L（1/2）=19mm规范要求,证实表1.1的结果不正确。因此，我们有必要分析水准测量的误差来源，找出控制纠正的方法，避免错误的出现，保证项目的顺利施工。一、水准测量的误差分析及控制方法水准测量误差来源有仪器误差、观测误差和外界条件的影响。1. 水准测量的仪器误差和水准尺刻划误差1.1仪器误差是水准仪的望远镜视准轴不平行于水准管轴所产生的误差仪器虽在测量前经过校正，仍会存在残余误差。因此造成水准管气泡居中，水准管轴居于水平位置而望远镜视准轴却发生倾斜，致使读数误差。这种误差与视距长度成正比。观测时可通过中间法（前后视距相等）和距离补偿法（前视距离和等于后视距离总和）消除。针对中间法在实际过程中的控制，立尺人是关键，通过应用普通皮尺测距离，之后立尺，简单易行。而距离补偿法不仅繁琐，并且不容易掌握。1.2水准尺刻划误差主要包含尺长误差（尺子长度不准确）、刻划误差（尺上的分划不均匀）和零点差（尺的零刻划位置不准确），对于较精密的水准测量，一般应选用尺长误差和刻划误差小的标尺。尺的零误差的影响，控制方法可以通过在一个水准测段内，两根水准尺交替轮换使用（在本测站用作后视尺，下测站则用为前视尺），并把测段站数目布设成偶数，即在高差中相互抵消。同时可以减弱刻划误差和尺长误差的影响。2.观测误差2.1观测误差之一是符合水准管气泡居中的误差由于符合水准气泡未能做到严格居中，造成望远镜视准轴倾斜，产生读数误差。读数误差的大小与水准管的灵敏度有关，主要是水准管分划值τ的大小。此外，读数误差与视线长度成正比。水准管居中误差一般认为是0.1·τ，根据公式m居=0.1·τ·S/ρ，DS3级水准仪水准管的分划值一般为20″，视线长度S为75m，ρ=206265″，那么，m居=0.7mm。由此看来，只要观测时符合水准管气泡能够认真仔细进行居中，且对视线长度加以限制，与中间法一致，此误差可以消除。2.2观测误差之二是视差的影响当存在视差时，尺像不与十字丝平面重合，观测时眼睛所在的位置不同，读出的数也不同，因此，产生读数误差。所以在每次读数前，控制方法就是要仔细进行物镜对光，消除视差。2.3观测误差之三是水准尺的倾斜误差水准尺如果是向视线的左右倾斜，观测时通过望远镜十字丝很容易察觉而纠正。但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不易察觉。尺子倾斜总是使尺上读数增大。它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小（即视线距地面的高度）有关。尺的倾斜角越大，对读数的影响就越大；尺上读数越大，对读数的影响就越大。所产生的读数误差为Δa=a（1/cosγ-1）。当γ=3o，a=1.5m时，Δa=2mm，由此可以看出，此项影响是不可忽视的，通常我们立镜高度是1.7m, 则Δa=2.33mm，。因此，在水准测量中，立尺是一项十分重要的工作，一定要认真立尺，使尺处于铅垂位置。尺上有圆水准的应使气泡居中。必要时可用摇尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢摇动，读取最小的读数。当地面坡度较大时，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数。最重要的是在转点位置。3.外界条件的影响。3.1地球曲率及大气折光用水平面代替水准面对高程的影响，可以用公式Δh=D2/（2R）表示，地球半径R=6371Km，当D=75m时，Δh=0.44mm；当D=100m时，Δh=0.78mm；当D=500m时，Δh=2cm；当D=1Km时，Δh=8cm；当D=2Km时，Δh=31cm；显然，以水平面代替水准面时高程所产生的误差要远大于测量高程的误差。所以，对于高程而言，即使距离很短，也不能将水准面当作水平面，一定要考虑地球曲率对高程的影响。实测中采用中间法可消除。由于地面大气密度的不同，大气折光使视线成为一条曲率约为地球半径6～7倍的曲线，使读数减小，可以用公式Δh=D2/（2x7R）表示，视线离地面越近，折射越大，因此，视线距离地面的角度不应小于0.3m，并且其影响也可用中间法消除或减弱。此外，应选择有利的时间，一日之中，上午10时至下午4时这段时间大气比较稳定，便于消除大气折光的影响，但在中午前后观测时，尺像会有跳动，影响读数，应避开这段时间，阴天、有微风的天气可全天观测。3.1仪器及水准尺下沉的影响仪器下沉是指在一测站上读的后视读数和前视读数之间仪器发生下沉，使得前视读数减小，算得的高差增大。为减弱其影响，当采用双面尺法或变更仪器高法时，第一次是读后视读数再读前视读数，而第二次则先读前视读数再读后视读数。即“后、前、前、后”的观测程序。这样的两次高差的平均值即可消除或减弱仪器下沉的影响。水准尺下沉的误差是指仪器在迁过程中，转点发生下沉，使迁站后的后视读数增大，算得的高差也增大。如果采取往返测，往测高差增大，返测高差减小，所以取往返高差的平均值，可以减弱水准尺下沉的影响。最有效的方法是应用尺垫，在转点的地方必须放置尺垫，并将其踩实，以防止水准尺在观测过程中下沉。二、结语根据对表1.1及表1.2的内业计算分析，两次测量外业成果均没有错。那么，这个比较隐蔽的错误就主要来源是立尺方向出现倾斜和转点位置下沉或移动，中间法距离控制不好。解决的方法是首先改变水准测量的模式，基平与中平分开。其次在每一个测站检核，在同一测站上以不同的仪器高度（或称视线高度）观测两次，两次所测高差之差不超过规定的容许值2.0mm，取其算术平均值作为本测站的观测结果。严格执行上述控制误差的方法。就能够有效的把误差控制在精度要求内。通过实践证明，在测量中熟练操作，才能提高观测的速度，采取规范的办法，严格执行正确步骤，司仪与立尺互相配合，才能得到正确结果。将上述控制方法应用到实际工作中后，能够达到了“多干事、动作快、效率好、省时间”的目的。