柳州市维义大桥工程跨河水准测量

[摘要] 通过工程实例，介绍跨河水准测量的基本原理、场地选择、场地布设、观测方法等内容。

[关键字]跨河水准测量 经纬仪倾角法 观测近标尺 观测远标尺

[中图分类号] P258 [文献码] C [文章编号] 1000-405X（2013）-1-146-2

1 跨河水准的基本原理

当水准测量必须跨越江河进行观测时，其视线长度要比一般情况长得多（几百米甚至一公里以上），这样就会产生误差：由于前、后视线不能相等，产生仪器角误差；由于跨越障碍的视线大大加长，大气垂直折光影响必然增大；由于视线长度的增大，水准标尺上的分划线，在望远镜中观察就显得非常细小，甚至无法辨认，因而也就难以照准和无法读数。

针对上述三个误差问题，我们可以采取如下措施：

第一个问题可以通过适当安排测站和立尺点来解决。如图1所示，水准路线由北向南推进，必需跨过一条河流。此时可在河的两岸选定立尺b1，b2和测站和测站Ⅰ1，Ⅰ2。Ⅰ1，Ⅰ2同时又是立尺点。选点时使b1 Ⅰ1与b2 Ⅰ2相等。

观测时，仪器先在Ⅰ1处后视b1，在水准标尺上读数为B1， 再前视Ⅰ2 （此时Ⅰ2点上竖立水准标尺），在水准标尺上读数为A1。设水准仪具有某一定值的角误差，其值为正，由此对读数B1的误差影响为1，对于读数A1的误差影响2，则由Ⅰ1站所得观测结果，可按下式计算b2相对于b1的正确高差。

h′b1b2=（ B1-1）-（ A1- 2 ）+ hⅠ1b2

将水准仪迁至对岸Ⅰ2处，原在Ⅰ2处的水准标尺迁至Ⅰ1作后视尺，原在b1的水准标尺迁至b2作前视尺。在Ⅰ2观测得后视水准标尺读数为B2，其中角的误差影响为2，前视水准尺读数为A2，其中角的误差影响为1，则由Ⅰ2站所得观测结果，可按下式计算b2相对于b1的正确高差。

h″ b1b2= hb1I1+（B2-2）-（A2-1）

取Ⅰ1，Ⅰ2测站所得高差的平均值，即

hb1b2=1/2（ h′b1b2+ h″b1b2）=1/2{（B1-A1）+（B2-A2）+（hb1I1+h I2b2）}

由此可知，由于在两个测站上观测时，远近视距是相等的，所以由于仪器角误差对水准标尺上读数的影响，在平均高差中得到抵消，这就解决了第一个问题。

事实上，按上述方式解决问题是有条件的，因为仪器的角并不是不变的固定值。只有当跨越的视距较短（小于500m）、渡河比较方便，可以在较短时间内完成观测工作时，上述布点方式才是可行的。另外，为了保证跨越两岸的视线在Ⅰ1Ⅰ2在相对方向上具有相同的折光影响，因此，对Ⅰ1和Ⅰ2的点位选择，应特别注意，这主要是为了解决由于折光影响的问题。

为了更好地消除仪器角的误差影响和折光影响，最好用两架同型号的仪器在两岸同时进行观测，两岸的立尺点和仪器观测站应布置成平行四边形、等腰梯形所示的两种形式。布置时尽量使b1Ⅰ1=b2Ⅰ2，Ⅰ1b2=Ⅰ2b1。

实践表明，当采取上述措施后，第二个问题可以得到较好的解决。为了反映出实际布点情况以及观测时的具体条件，应在跨河水准测量记录手簿中绘出跨河场地的布置示意图，并在记录表格中填写观测条件。至于长视线照准水准标尺上的分划线和在水准标尺上读数的问题，要采用特制觇牌，再根据跨越障碍的宽度采用可行的方法来解决。

2 工程概况

柳州市维义大桥位于柳州市北外环路上，是北外环路上跨柳江的重要通道，桥梁设计2090米，造型为钢拱结构，总投资6亿元。为了建立该桥施工首级高程控制，需实施跨河水准，传递高差。此段江面约宽700米，北岸为丘陵地，施测时已挖土，南岸为一片菜地，视线开阔。根据考察实地后和综合分析，项目组选用经纬仪倾角法实施跨河水准。

3 跨河水准测量

3.1 跨河地点的选定

根据跨河水准测量特点，为保证精度要求，跨河地点的选择及其布设应尽可能完善以减弱各种误差的影响。要满足以下要求：

（1）选于测线附近，利于布设工作场地与观测的较窄河段处；

（2）跨河视线不得通过草丛及干丘、沙滩的上方；

（3） 两岸仪器视线距水面的高度应接近相等，不低于4 （S 为跨河视线长度千米数），跨河视线约0.7km，所以视线高度应不低于3.3m。由于所选河段河岸地势高，足以保证视线高度，否则，须埋设牢固的标尺桩，并建造稳固的观测台或标架；

（4）两岸由仪器至水边的一段河岸，其距离应近于相等；

（5）过河视线方向，宜避免正对日照方向。

跨河地点应尽量选择在路线附近河道的最狭窄处，为了减弱折光差的影响，要求两岸地形尽量相似，高差要小。所选河段河岸地势要高，要足以保证视线高度，视线离开水面要有足够的高度，一般不应小于2～3m，还应避免从草丛和河滩的上方通过。

3.2 场地布设

根据现场及仪器情况，在跨河两岸设置的仪器站和标尺点应构成对称的图形，我们选择如图2所示的平行四边形布设。布设方法，使用全站仪和棱镜及皮尺配合，先在北岸（如Ⅰ1 b1）用皮尺放好Ⅰ1 b1长度，一般要求10左右，根据实地此次量取8.68米，然后可在b1上摆全站仪观测Ⅰ2 ，全站仪垂直角设置在水平视线上，实现两岸基本同高的要求，此时Ⅰ2可打木桩选定，b1Ⅰ2长度675.54米，再把全站仪移至Ⅰ1 上摆站，对岸可用皮尺一段放在Ⅰ2上，另一端设置为8.68米，与Ⅰ1 b1同长度，棱镜放在另一端上以Ⅰ2为圆心前后移动，使全站仪测得的Ⅰ1 b2与 b1Ⅰ2长度相同，同时注意高度基本一致，就实现了两岸视线长度基本相同的要求。最好用两台仪器在两岸同时对向观测。这样布设和观测的目的在于：使各种误差对两岸观测结果的影响大小接近，符号相反，以便在两岸观测结果的平均值中得到较好的消除。

3.3 仪器检定

要根据规范，对水准标尺进行水准标尺名义米长的测定、水准标尺分米分划误差的测定、对全站仪进行垂直度盘测微器行差的测定、一测回垂直角观测中误差测定。用于跨河水准的仪器要按照一般水准测量规定的项目进行检查外，还要根据跨河水准测量的特性进行有关的检查，如检查与校正i角等。

3.4 觇板制作

由于跨河视距过长而难于清晰精确照准标尺分划线，因而需特制一块专门供照准读数的觇板，本项目采用有机玻璃制造，涂成白色，侧边装有专用夹子，可沿标尺滑动，并能可靠的固定在标尺的任何位置，觇板中央开一小窗，小窗中央设一水平标志线，标志线的宽度d视跨河视线长度S而定。

3.5 观测中应注意事项

（1）跨河水准观测宜在风力不大，气温变化较小的阴天进行，当雨后初晴和大气折射变化较大时，均不宜观测；

（2）观测开始前30min，应先将经纬仪置于露天阴影下，使仪器与外界气温趋于一致。观测时应遮蔽阳光；

（3）根据柳州春天的天气情况，我们选择早上9点-12点，下午选择在3点至6点两个时段观测；

（4）水准尺应用尺架撑稳，并经常注意使水准器的气泡居中。

3.6 测回数及限差

三等跨河水准测量的观测测回数、限差规定按照下表执行：

3.7 观测方法

3.7.1 观测近标尺

首先在经纬仪盘左的位置，照准近标尺的基本分划线，读取最近水平视线的标尺厘米分划数α，再使水平丝分别照准该分划线的上、下边缘各二次；再纵转望远镜以盘右位置，同样照准该分划线的上、下边缘各二次，便完成了一组观测（近标尺只测一组）。每次照准分划线边缘后，应先使垂直度盘指标气泡精密符合，再用光学测微器进行垂直度盘读数。盘左或盘右同一边缘两次照准读数差，应不大于3″。

近标尺读数b由式（3-1）计算：b=α- .d

式中：α----照准水准标尺上水平视线的标尺厘米分划数；

----分划线a的倾角，（″）；

d----经纬仪至标尺点的水平距离（用皮尺量取）；

ρ----206265。

3.7.2 观测远标尺

盘左位置用水平丝依次照准下、上标志线各四次，每次照准均应同时使垂直度盘指标气泡精密符合后，再用光学测微器进行垂直度盘读数，同一标志线四次照准读数之差不得大于3″。纵转望远镜以盘右位置，按相反次序照准上、下标志线各四次并如前读数。以上操作组成一组观测。依同法进行其他各组的观测。各组算出上、下标志线倾角α和 β，α或β其组间互差不应大于4″。

上述3.7.2和3.7.2两项操作组成一岸仪器观测的半测回，两岸仪器同时对测各半测回，组成一个测回。

两个测回连续观测时，测回间应间歇15分钟左右。

每测回观测前，应仔细检查觇板的指标线是否滑动，并核对指标线在标尺上的读数。观测的测回数按照上表中要求。

3.8 水准测量成果

为了方便计算，项目组采用电子表格，编程序计算高差及相关参数，成果如下：高差h中数=-0.41451米，高差中误差： Mh=± =±0.00066米。平差采用清华山维软件，进行符合线路平差，最大点位误差 =0.00105米，最大点间误差 =0.00100米，准成果精度达到设计要求。

经纬仪倾角法与光学测微法、倾斜螺旋法是最经典的跨河水准测量方法，应用历史长，理论和技术都很成熟，但对场地及观测条件要求较高，如要求两岸测站及立尺点间高程近似相同、观测期间仪器和标尺需频繁调岸等；而测距三角高程法是比较新的方法，用于精密跨河的时间不是很长，具有场地布设比较灵活、仪尺无需频繁调岸、作业效率较高等优点，但目前规范还不允许采用这种方法，因此实际项目中还不好采用。而GPS水准测量法，相对与传统方法而言，其主要优点是受外界气候条件的影响很小，GPS观测作业可在非常短的时间内完成，但它对测区似大地水准面的平缓性、跨河线的直线度及其点间距都有比较严格的限制，而且该方法的理论和技术尚不十分成熟，现阶段应用中仍需传统跨河技术或其他资料验证。

综上所述，虽然经纬仪倾角法在常规测量中不常用，但是在遇到江河（湖塘、宽沟、洼地、山谷）等特殊地区进行水准测量时，会起到事半功倍的效果。