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摘要：水準(zhǔn)測(cè)量是確定公路工程地面點(diǎn)高程的方法之一，是高程測(cè)量中精度較高且常用的方法。實(shí)施過程中，需要幾個(gè)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(cuò)誤，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)資料是錯(cuò)誤的，從而水準(zhǔn)點(diǎn)高程不正確，直接影響路線縱斷面設(shè)計(jì)和施工。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)測(cè)量水準(zhǔn)儀高程誤差

1.0勘察設(shè)計(jì)過程中水準(zhǔn)測(cè)量的問題

水準(zhǔn)測(cè)量是采用幾何原理，利用水平視線測(cè)定兩點(diǎn)間高差。儀器使用水準(zhǔn)儀，工具是水準(zhǔn)尺和尺墊。公路工程測(cè)量一般使用DS3型微傾式自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，每公里能達(dá)到的精度是3mm，水準(zhǔn)儀在一個(gè)測(cè)站使用的基本程序是安置儀器、粗略整平、瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺、精確整平和讀數(shù)。我們?cè)趯?shí)際勘測(cè)過程中按這個(gè)順序施行，在每一水準(zhǔn)點(diǎn)段測(cè)完后復(fù)核結(jié)果。

同一條公路采用同一個(gè)高程系統(tǒng)，測(cè)量方法是基平與中平同時(shí)測(cè)量，兩臺(tái)水準(zhǔn)儀同時(shí)觀測(cè)一個(gè)水準(zhǔn)尺，間視和轉(zhuǎn)點(diǎn)由兩個(gè)人立水準(zhǔn)尺，但兩臺(tái)水準(zhǔn)儀總是同時(shí)觀測(cè)一個(gè)水準(zhǔn)尺進(jìn)行讀數(shù)，一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)段測(cè)完后檢核，在每一測(cè)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(shí)間、浪費(fèi)人力。通過工程實(shí)踐證明，這一方法經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，節(jié)選五個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)連續(xù)錯(cuò)誤中的一個(gè)測(cè)段結(jié)果如表1.1和1.2所示：

表1.1廊泊一級(jí)公路BM4至BM5水準(zhǔn)點(diǎn)外業(yè)測(cè)量結(jié)果

點(diǎn)號(hào)

后視

視線高

間視

前視

高程

點(diǎn)號(hào)

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(jí)公路BM4至BM5水準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)核測(cè)量結(jié)果

點(diǎn)號(hào)

后視

視線高

間視

前視

高程

點(diǎn)號(hào)

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(bǔ)充測(cè)量成果證實(shí)，外業(yè)測(cè)量的結(jié)果不正確，因此，有必要分析水準(zhǔn)測(cè)量的誤差，找出控制糾正的方法，避免錯(cuò)誤的出現(xiàn)，保證項(xiàng)目的順利施工。

2.0水準(zhǔn)測(cè)量的現(xiàn)狀

現(xiàn)在應(yīng)用水準(zhǔn)點(diǎn)與中樁分開觀測(cè)的方法，水準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)采取往返測(cè)量，成果整理要求高差閉合差fh容（fh容=Σh往+Σh返）達(dá)到平原微丘區(qū)三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度不大于±20·L（1/2）。平原微丘地區(qū)影響水準(zhǔn)測(cè)量精度的主要因素是水準(zhǔn)路線的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，精度越低。山區(qū)，則是測(cè)站，測(cè)站越多，精度越低。

3.0水準(zhǔn)測(cè)量的誤差分析及控制方法

水準(zhǔn)測(cè)量誤差有儀器誤差、觀測(cè)誤差和外界條件的影響。

3.1儀器誤差之一是水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸不平行于水準(zhǔn)管軸所產(chǎn)生的誤差

儀器雖在測(cè)量前經(jīng)過校正，仍會(huì)存在殘余誤差。因此造成水準(zhǔn)管氣泡居中，水準(zhǔn)管軸居于水平位置而望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸卻發(fā)生傾斜，致使讀數(shù)誤差。這種誤差與視距長(zhǎng)度成正比。觀測(cè)時(shí)可通過中間法（前后視距相等）和距離補(bǔ)償法（前視距離和等于后視距離總和）消除。針對(duì)中間法在實(shí)際過程中的控制，立尺人是關(guān)鍵，通過應(yīng)用普通皮尺測(cè)距離，之后立尺，簡(jiǎn)單易行。而距離補(bǔ)償法不僅繁瑣，并且不容易掌握。

3.2儀器誤差之二是水準(zhǔn)尺誤差

主要包含尺長(zhǎng)誤差（尺子長(zhǎng)度不準(zhǔn)確）、刻劃誤差（尺上的分劃不均勻）和零點(diǎn)差（尺的零刻劃位置不準(zhǔn)確），對(duì)于較精密的水準(zhǔn)測(cè)量，一般應(yīng)選用尺長(zhǎng)誤差和刻劃誤差小的標(biāo)尺。尺的零誤差的影響，控制方法可以通過在一個(gè)水準(zhǔn)測(cè)段內(nèi)，兩根水準(zhǔn)尺交替輪換使用（在本測(cè)站用作后視尺，下測(cè)站則用為前視尺），并把測(cè)段站數(shù)目布設(shè)成偶數(shù)，即在高差中相互抵消。同時(shí)可以減弱刻劃誤差和尺長(zhǎng)誤差的影響。

3.3觀測(cè)誤差之一是符合水準(zhǔn)管氣泡居中的誤差

由于符合水準(zhǔn)氣泡未能做到嚴(yán)格居中，造成望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸傾斜，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。讀數(shù)誤差的大小與水準(zhǔn)管的靈敏度有關(guān)，主要是水準(zhǔn)管分劃值τ的大小。此外，讀數(shù)誤差與視線長(zhǎng)度成正比。水準(zhǔn)管居中誤差一般認(rèn)為是0.1·τ，根據(jù)公式m居=0.1·τ·S/ρ，DS3級(jí)水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)管的分劃值一般為20″，視線長(zhǎng)度S為75m，ρ=206265″，那么，m居=0.4mm。由此看來，只要觀測(cè)時(shí)符合水準(zhǔn)管氣泡能夠認(rèn)真仔細(xì)進(jìn)行居中，且對(duì)視線長(zhǎng)度加以限制，與中間法一致，此誤差可以消除。

3.4觀測(cè)誤差之二是視差的影響

當(dāng)存在視差時(shí)，尺像不與十字絲平面重合，觀測(cè)時(shí)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(xì)進(jìn)行物鏡對(duì)光，消除視差。

3.6觀測(cè)誤差之三是水準(zhǔn)尺的傾斜誤差

水準(zhǔn)尺如果是向視線的左右傾斜，觀測(cè)時(shí)通過望遠(yuǎn)鏡十字絲很容易察覺而糾正。但是，如果水準(zhǔn)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(duì)讀數(shù)的影響與尺的傾斜角和尺上讀數(shù)的大?。匆暰€距地面的高度）有關(guān)。尺的傾斜角越大，對(duì)讀數(shù)的影響就越大；尺上讀數(shù)越大，對(duì)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(dāng)γ=3o，a=1.5m時(shí)，Δa=2mm，由此可以看出，此項(xiàng)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(zhǔn)測(cè)量中，立尺是一項(xiàng)十分重要的工作，一定要認(rèn)真立尺，使尺處于鉛垂位置。尺上有圓水準(zhǔn)的應(yīng)使氣泡居中。必要時(shí)可用搖尺法，即讀數(shù)時(shí)尺底置于點(diǎn)上，尺的上部在視線方向前后慢慢搖動(dòng)，讀取最小的讀數(shù)。當(dāng)?shù)孛嫫露容^大時(shí)，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(diǎn)位置。

3.6外界條件和下沉的影響

用水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)高程的影響，可以用公式Δh=D2/（2R）表示，地球半徑R=6371Km，當(dāng)D=75m時(shí)，Δh=0.44cm；當(dāng)D=100m時(shí)，Δh=0.08cm；當(dāng)D=500m時(shí)，Δh=2cm；當(dāng)D=1Km時(shí)，Δh=8cm；當(dāng)D=2Km時(shí)，Δh=31cm；顯然，以水平面代替水準(zhǔn)面時(shí)高程所產(chǎn)生的誤差要遠(yuǎn)大于測(cè)量高程的誤差。所以，對(duì)于高程而言，即使距離很短，也不能將水準(zhǔn)面當(dāng)作水平面，一定要考慮地球曲率對(duì)高程的影響。實(shí)測(cè)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(shí)間，一日之中，上午10時(shí)至下午4時(shí)這段時(shí)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(cè)時(shí)，尺像會(huì)有跳動(dòng)，影響讀數(shù)，應(yīng)避開這段時(shí)間，陰天、有微風(fēng)的天氣可全天觀測(cè)。

儀器下沉是指在一測(cè)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(dāng)采用雙面尺法或變更儀器高法時(shí)，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(cè)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(zhǔn)尺下沉的誤差是指儀器在遷過程中，轉(zhuǎn)點(diǎn)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(cè)，往測(cè)高差增大，返測(cè)高差減小，所以取往返高差的平均值，可以減弱水準(zhǔn)尺下沉的影響。最有效的方法是應(yīng)用尺墊，在轉(zhuǎn)點(diǎn)的地方必須放置尺墊，并將其踩實(shí)，以防止水準(zhǔn)尺在觀測(cè)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(jì)算合格，附合路線閉合差公式計(jì)算同樣合格。那么，這個(gè)比較隱蔽的錯(cuò)誤主要來源是立尺方向出現(xiàn)傾斜和轉(zhuǎn)點(diǎn)位置下沉或移動(dòng)，中間法距離控制不好。解決的方法是首先改變水準(zhǔn)測(cè)量的模式，基平與中平分開。其次在每一個(gè)測(cè)站檢核，在同一測(cè)站上以不同的儀器高度（或稱視線高度）觀測(cè)兩次，兩次所測(cè)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(cè)站的觀測(cè)結(jié)果。嚴(yán)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(shí)間或采取更多的步驟為代價(jià)。在測(cè)量中操作熟練，才能提高觀測(cè)的速度，采取規(guī)范的辦法，嚴(yán)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(shí)踐證明，將控制方法應(yīng)用到實(shí)際工作中后，沒有出現(xiàn)過錯(cuò)誤，達(dá)到了“多干事、動(dòng)作快、效率好、省時(shí)間”的目的。