水準誤差測量管理
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摘要：水準測量是確定公路工程地面點高程的方法之一，是高程測量中精度較高且常用的方法。實施過程中，需要幾個人合作才能完成，誤差允許范圍內(nèi)的精度由于儀器和人為的影響而不容易控制，而且易出現(xiàn)隱蔽性錯誤，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)資料是錯誤的，從而水準點高程不正確，直接影響路線縱斷面設(shè)計和施工。
關(guān)鍵詞：水準測量水準儀高程誤差
1.0勘察設(shè)計過程中水準測量的問題
水準測量是采用幾何原理，利用水平視線測定兩點間高差。儀器使用水準儀，工具是水準尺和尺墊。公路工程測量一般使用DS3型微傾式自動安平水準儀，每公里能達到的精度是3mm，水準儀在一個測站使用的基本程序是安置儀器、粗略整平、瞄準水準尺、精確整平和讀數(shù)。我們在實際勘測過程中按這個順序施行，在每一水準點段測完后復(fù)核結(jié)果。
同一條公路采用同一個高程系統(tǒng)，測量方法是基平與中平同時測量，兩臺水準儀同時觀測一個水準尺，間視和轉(zhuǎn)點由兩個人立水準尺，但兩臺水準儀總是同時觀測一個水準尺進行讀數(shù)，一個水準點段測完后檢核，在每一測站，沒有檢查、復(fù)核，為誤差的積累創(chuàng)造了條件，容易返工，耽誤時間、浪費人力。通過工程實踐證明，這一方法經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，節(jié)選五個水準點連續(xù)錯誤中的一個測段結(jié)果如表1.1和1.2所示：
表1.1廊泊一級公路BM4至BM5水準點外業(yè)測量結(jié)果
點號
后視
視線高
間視
前視
高程
點號
后視
視線高
間視
前視
高程
BM4
3.300
15.750
3.286
15.529
557.8
1.483
15.765
1.450
14.282
254.6
1.442
14.308
600
1.386
14.379
284.6
1.424
14.326
650
1.357
14.408
314.6
1.425
15.715
1.460
14.290
700
1.672
16.005
1.432
14.333
344.6
1.420
14.295
750
1.482
14.523
374.6
1.387
14.328
800
1.476
14.529
406.2
1.493
15.716
1.492
14.223
850
1.488
16.021
1.472
14.533
ZD1
1.175
15.732
1.159
14.557
900
1.475
14.546
C6
1.415
14.317
950
1.428
14.593
437.8
1.425
14.307
K4
1.540
16.204
1.357
14.664
467.8
1.363
14.369
50
1.439
14.765
497.8
1.312
14.420
ZD2
2.240
17.684
0.760
15.444
527.8
1.41
14.322
BM5
0.826
16.864
表1.2廊泊一級公路BM4至BM5水準點復(fù)核測量結(jié)果
點號
后視
視線高
間視
前視
高程
點號
后視
視線高
間視
前視
高程
平均高程
BM4
1.637
1.637
12.585
BM4
1.798
1.798
12.539
12.562
ZD1
1.848
0.202
14.020
ZD1
1.884
0.366
13.971
ZD2
1.424
1.399
14.469
ZD2
1.452
1.436
14.419
ZD3
1.372
1.359
14.534
ZD3
1.436
1.388
14.483
ZD4
1.330
1.283
14.623
ZD4
1.392
1.349
14.570
ZD5
1.348
1.301
14.652
ZD5
1.364
1.367
14.595
ZD6
1.413
1.279
14.721
ZD6
1.521
1.295
14.664
ZD7
1.533
1.200
14.934
ZD7
1.580
1.307
14.878
ZD8
1.525
1.065
15.402
ZD8
1.531
1.113
15.345
ZD9
2.012
1.350
15.577
ZD9
1.890
1.355
15.521
BM5
0.485
17.104
BM5
0.363
17.048
17.076
表1.1經(jīng)過成果整理，讀數(shù)差Δh=Σ后視-Σ前視，Δh小于2mm滿足規(guī)范要求。但是施工過程中，施工單位提出問題，經(jīng)過表1.2復(fù)核補充測量成果證實，外業(yè)測量的結(jié)果不正確，因此，有必要分析水準測量的誤差，找出控制糾正的方法，避免錯誤的出現(xiàn)，保證項目的順利施工。
2.0水準測量的現(xiàn)狀
現(xiàn)在應(yīng)用水準點與中樁分開觀測的方法，水準點觀測采取往返測量，成果整理要求高差閉合差fh容（fh容=Σh往+Σh返）達到平原微丘區(qū)三等水準測量的精度不大于±20·L（1/2）。平原微丘地區(qū)影響水準測量精度的主要因素是水準路線的長度，長度越長，精度越低。山區(qū)，則是測站，測站越多，精度越低。
3.0水準測量的誤差分析及控制方法
水準測量誤差有儀器誤差、觀測誤差和外界條件的影響。
3.1儀器誤差之一是水準儀的望遠鏡視準軸不平行于水準管軸所產(chǎn)生的誤差
儀器雖在測量前經(jīng)過校正，仍會存在殘余誤差。因此造成水準管氣泡居中，水準管軸居于水平位置而望遠鏡視準軸卻發(fā)生傾斜，致使讀數(shù)誤差。這種誤差與視距長度成正比。觀測時可通過中間法（前后視距相等）和距離補償法（前視距離和等于后視距離總和）消除。針對中間法在實際過程中的控制，立尺人是關(guān)鍵，通過應(yīng)用普通皮尺測距離，之后立尺，簡單易行。而距離補償法不僅繁瑣，并且不容易掌握。
3.2儀器誤差之二是水準尺誤差
主要包含尺長誤差（尺子長度不準確）、刻劃誤差（尺上的分劃不均勻）和零點差（尺的零刻劃位置不準確），對于較精密的水準測量，一般應(yīng)選用尺長誤差和刻劃誤差小的標尺。尺的零誤差的影響，控制方法可以通過在一個水準測段內(nèi)，兩根水準尺交替輪換使用（在本測站用作后視尺，下測站則用為前視尺），并把測段站數(shù)目布設(shè)成偶數(shù)，即在高差中相互抵消。同時可以減弱刻劃誤差和尺長誤差的影響。
3.3觀測誤差之一是符合水準管氣泡居中的誤差
由于符合水準氣泡未能做到嚴格居中，造成望遠鏡視準軸傾斜，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。讀數(shù)誤差的大小與水準管的靈敏度有關(guān)，主要是水準管分劃值τ的大小。此外，讀數(shù)誤差與視線長度成正比。水準管居中誤差一般認為是0.1·τ，根據(jù)公式m居=0.1·τ·S/ρ，DS3級水準儀水準管的分劃值一般為20″，視線長度S為75m，ρ=206265″，那么，m居=0.4mm。由此看來，只要觀測時符合水準管氣泡能夠認真仔細進行居中，且對視線長度加以限制，與中間法一致，此誤差可以消除。
3.4觀測誤差之二是視差的影響
當存在視差時，尺像不與十字絲平面重合，觀測時眼睛所在的位置不同，讀出的數(shù)也不同，因此，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。所以在每次讀數(shù)前，控制方法就是要仔細進行物鏡對光，消除視差。
3.6觀測誤差之三是水準尺的傾斜誤差
水準尺如果是向視線的左右傾斜，觀測時通過望遠鏡十字絲很容易察覺而糾正。但是，如果水準尺的傾斜方向與視線方向一致，則不易察覺。尺子傾斜總是使尺上讀數(shù)增大。它對讀數(shù)的影響與尺的傾斜角和尺上讀數(shù)的大小（即視線距地面的高度）有關(guān)。尺的傾斜角越大，對讀數(shù)的影響就越大；尺上讀數(shù)越大，對讀數(shù)的影響就越大。
所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差為Δa=a（1-cosγ）。當γ=3o，a=1.5m時，Δa=2mm，由此可以看出，此項影響是不可忽視的，通常我們立鏡高度是1.7m,則Δa=2.33mm，。因此，在水準測量中，立尺是一項十分重要的工作，一定要認真立尺，使尺處于鉛垂位置。尺上有圓水準的應(yīng)使氣泡居中。必要時可用搖尺法，即讀數(shù)時尺底置于點上，尺的上部在視線方向前后慢慢搖動，讀取最小的讀數(shù)。當?shù)孛嫫露容^大時，尤其應(yīng)注意將尺子扶直，并應(yīng)限制尺的最大讀數(shù)。最重要的是在轉(zhuǎn)點位置。
3.6外界條件和下沉的影響
用水平面代替水準面對高程的影響，可以用公式Δh=D2/（2R）表示，地球半徑R=6371Km，當D=75m時，Δh=0.44cm；當D=100m時，Δh=0.08cm；當D=500m時，Δh=2cm；當D=1Km時，Δh=8cm；當D=2Km時，Δh=31cm；顯然，以水平面代替水準面時高程所產(chǎn)生的誤差要遠大于測量高程的誤差。所以，對于高程而言，即使距離很短，也不能將水準面當作水平面，一定要考慮地球曲率對高程的影響。實測中采用中間法可消除。大氣折光使視線成為一條曲率約為地球半徑7倍的曲線，使讀數(shù)減小，可以用公式Δh=D2/（2x7R）表示，視線離地面越近，折射越大，因此，視線距離地面的角度不應(yīng)小于0.3m，并且其影響也可用中間法消除或減弱。此外，應(yīng)選擇有利的時間，一日之中，上午10時至下午4時這段時間大氣比較穩(wěn)定，便于消除大氣折光的影響，但在中午前后觀測時，尺像會有跳動，影響讀數(shù)，應(yīng)避開這段時間，陰天、有微風的天氣可全天觀測。
儀器下沉是指在一測站上讀的后視讀數(shù)和前視讀數(shù)之間儀器發(fā)生下沉，使得前視讀數(shù)減小，算得的高差增大。為減弱其影響，當采用雙面尺法或變更儀器高法時，第一次是讀后視讀數(shù)再讀前視讀數(shù)，而第二次則先讀前視讀數(shù)再讀后視讀數(shù)。即“后、前、前、后”的觀測程序。這樣的兩次高差的平均值即可消除或減弱儀器下沉的影響。
水準尺下沉的誤差是指儀器在遷過程中，轉(zhuǎn)點發(fā)生下沉，使遷站后的后視讀數(shù)增大，算得的高差也增大。如果采取往返測，往測高差增大，返測高差減小，所以取往返高差的平均值，可以減弱水準尺下沉的影響。最有效的方法是應(yīng)用尺墊，在轉(zhuǎn)點的地方必須放置尺墊，并將其踩實，以防止水準尺在觀測過程中下沉。
根據(jù)誤差來源分析表1.1，應(yīng)用偶然中誤差MΔ=±（[Δ·Δ]/[4·n·R]）（1/2）計算合格，附合路線閉合差公式計算同樣合格。那么，這個比較隱蔽的錯誤主要來源是立尺方向出現(xiàn)傾斜和轉(zhuǎn)點位置下沉或移動，中間法距離控制不好。解決的方法是首先改變水準測量的模式，基平與中平分開。其次在每一個測站檢核，在同一測站上以不同的儀器高度（或稱視線高度）觀測兩次，兩次所測高差之差不超過規(guī)定的容許值2.0mm，取其算術(shù)平均值作為本測站的觀測結(jié)果。嚴格執(zhí)行上述控制誤差的方法。就能夠有效的把誤差控制在精度要求內(nèi)。
4.0結(jié)語
減小和消除誤差的方法都是以增加時間或采取更多的步驟為代價。在測量中操作熟練，才能提高觀測的速度，采取規(guī)范的辦法，嚴格執(zhí)行正確步驟，司儀與立尺互相配合，才能得到正確結(jié)果。
通過實踐證明，將控制方法應(yīng)用到實際工作中后，沒有出現(xiàn)過錯誤，達到了“多干事、動作快、效率好、省時間”的目的。
