水電站大壩安全監(jiān)測管理與操作實務(wù).ppt

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水電站大壩安全監(jiān)測管理與操作實務(wù) 濮久武工作簡歷 主要經(jīng)歷 從事過包括重力壩 拱壩 支墩壩 面板堆石壩 土壩等幾十座大壩等水工建筑物的安全監(jiān)測設(shè)計 施工 監(jiān)測以及施工管理 運行期維護管理及技術(shù)咨詢等 主要著作 在國內(nèi)水電站管理 大壩安全 大壩監(jiān)測技術(shù) 工程測繪等相關(guān)刊物上發(fā)表過數(shù)十篇文章 聯(lián)系電話 13505707311 水庫大壩安全管理制度 水電站運行單位有關(guān)大壩安全管理制度政府監(jiān)管必須以法律法規(guī)為準(zhǔn)繩 依法行政 企業(yè)則必須按照國家頒布的法律法規(guī)和規(guī)章制度依法管壩 依法辦事 這樣才能使大壩安全管理工作逐步走上正規(guī)化 制度化的軌道 作為水電站運行單位防汛及大壩安全管理工作 必須根據(jù)各電站水庫大壩的實際情況建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及制度 并根據(jù)水庫大壩的運行需要不斷健全完善 如 五規(guī)五制 水務(wù)管理規(guī)程 水工建筑物安全監(jiān)測規(guī)程 水工機械運行檢修規(guī)程 水工建筑物維護規(guī)程 水工作業(yè)安全規(guī)程 以及防汛崗位責(zé)任制 現(xiàn)場安全檢查制 大壩檢查評級制 報汛制 年度防汛計劃及總結(jié)制 水工技術(shù)監(jiān)督工作制度 安全監(jiān)測系統(tǒng)檢定維護規(guī)程 水庫經(jīng)濟調(diào)度規(guī)程等 根據(jù)各水庫大壩運行需要建立洪水調(diào)度規(guī)程 水情自動測報系統(tǒng)運行檢修規(guī)程 大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)運行維護規(guī)程 地震監(jiān)測規(guī)程等 還可根據(jù)工作需要建立相關(guān)的崗位工作標(biāo)準(zhǔn)及崗位職責(zé)等標(biāo)準(zhǔn) 水工建筑物安全監(jiān)測的目的意義 1 監(jiān)視掌握水工建筑物的狀態(tài)變化 及時發(fā)現(xiàn)不正常跡象 分析原因采取措施 改善運用方式 防止發(fā)生破壞事故 確保其安全 2 掌握水位 蓄水量等情況 了解水工建筑物在各種狀態(tài)下的安全程度 為正確運用提供依據(jù) 確定科學(xué)合理的運行方案 發(fā)揮工程最大效益 3 及時掌握施工期間水工建筑物的狀態(tài)變化 據(jù)以指導(dǎo)施工 保證工程質(zhì)量 4 分析判斷水工建筑物的運用和變化規(guī)律 驗證設(shè)計數(shù)據(jù) 鑒定施工質(zhì)量 為提高設(shè)計施工和科學(xué)研究工作水平提供資料 安全監(jiān)測工作現(xiàn)場觀測中的 四無 是指無缺測 無漏測 無不符合精度要求 無違時 五隨 是指隨觀測 隨記錄 隨計算 隨校核 隨整理 四固定 是指固定人員 固定儀器 固定測次 固定時間 水工建筑物的現(xiàn)場安全監(jiān)測主要分為 巡視檢查 環(huán)境量監(jiān)測 水文 氣象等 變形監(jiān)測 滲流監(jiān)測 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測等 巡視檢查 大壩的監(jiān)測儀器僅能布設(shè)在大壩的局部部位 進行的監(jiān)測的也只是定期的 這就造成了空間和時間上的不連續(xù) 而大壩的缺陷并非都發(fā)生在儀器監(jiān)測的部位 也不一定發(fā)生在定期監(jiān)測的時間內(nèi) 所以只有把儀器監(jiān)測和巡視檢查兩者加以密切配合 才能確保大壩安全監(jiān)測工作的實效 實踐表明水工建筑物的許多缺陷都是通過有經(jīng)驗的工作者在巡視檢查中發(fā)現(xiàn)的 大壩安全檢查分為日常巡查 年度巡查 定期檢查和特種檢查四種 日常巡查是由水電廠有經(jīng)驗的現(xiàn)場專業(yè)人員對大壩進行的經(jīng)常性巡視和檢查 年度巡查由水電廠組織專業(yè)技術(shù)人員對大壩進行詳細檢查 定期檢查是每隔一定時間由主管單位組織運行 設(shè)計 施工 科研等有關(guān)單位高級專業(yè)人員對大壩進行的全面檢查和評價 其內(nèi)容包括按照現(xiàn)行規(guī)范復(fù)查原設(shè)計數(shù)據(jù) 方法及安全度 審議施工方法 質(zhì)量和施工中出現(xiàn)的特殊情況及其影響 復(fù)核洪水 庫容 泄洪能力 全面了解和審查大壩運行記錄和觀測資料分析成果 現(xiàn)場檢查 包括水下檢查 評定大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀況 提出大壩安全定期檢查報告 檢查頻次一般為每五年一次 對沒有潛在危險 結(jié)構(gòu)完整 運行性態(tài)良好的大壩 由主管單位報部大壩安全監(jiān)察中心 經(jīng)會商后可以減少檢查頻次 但間隔時間不得超過十年 特種檢查是在特殊情況下對大壩重大安全問題的檢查 環(huán)境量及水力學(xué)監(jiān)測 環(huán)境量監(jiān)測包括水位 庫水溫 氣溫 降水量 冰壓力 壩前淤積和下游沖刷及風(fēng)向風(fēng)速等監(jiān)測 環(huán)境量又稱為原因量 因素或自變量 與之相應(yīng)的稱為效應(yīng)量 物理量 變量等 任何效應(yīng)量均是對一定環(huán)境量作用下的反應(yīng) 作為安全監(jiān)測工作 只有準(zhǔn)確掌握各環(huán)境量的變化情況才能正確分析評判相應(yīng)效應(yīng)量的變化情況 據(jù)以判斷建筑物的運行性態(tài) 同時根據(jù)各環(huán)境量的變化 妥善地采取相應(yīng)措施開展水工建筑物的安全管理工作 為了解水工建筑物上 下游水流對水工建筑物的影響及消能設(shè)施工作效能 以便改善調(diào)整運用方式 正確地運用水工建筑物 避免發(fā)生不利的水流情況 保證建筑物安全運行 應(yīng)進行水力學(xué)監(jiān)測 測量誤差 測量誤差的分類根據(jù)對觀測成果影響的不同 測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種 1 系統(tǒng)誤差在相同的觀測條件下 即用同樣的儀器 同樣的方法 在同樣的自然條件下 對某一定量進行多次觀測 如果所產(chǎn)生的誤差在大小和符號上是一定的 或者按一定的規(guī)律變化或保持常數(shù) 則這種誤差稱為系統(tǒng)誤差 2 偶然誤差在相同的觀測條件下 對某一量進行了多次觀測 其誤差在大小和符號上都不相同 也就是從表面上來看 它們的大小不等 符號不同 沒有明顯的規(guī)律 這種誤差稱為偶然誤差 偶然誤差的特性 在測量工作中 偶然誤差是無法消除的 因此觀測成果的精度與偶然誤差有密切的關(guān)系 偶然誤差的特性如下 1 在一定的觀測條件下 偶然誤差的絕對值不會超過一定的限值 2 絕對值較小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的機會多 3 絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的機會幾乎相等 4 當(dāng)觀測次數(shù)無限增加時 偶然誤差的算術(shù)平均值趨向于零 數(shù)字湊整規(guī)則 1 加和減中的合理取位加或減的湊整規(guī)則是 在各數(shù)中 以小數(shù)最少的數(shù)為標(biāo)準(zhǔn) 其余各數(shù)均湊整成比該數(shù)多一位 2 乘和除中的合理取位乘和除的湊整規(guī)則是 在各因素中 以 數(shù)字 個數(shù)最少的為準(zhǔn) 其余各因素及乘積 商 均湊整成比該因數(shù)多一個 數(shù)字 而與小數(shù)點的位置無關(guān) 3 乘方與開方中的合理取位乘方的湊整規(guī)則是 湊整到與底數(shù)同樣字位數(shù)的有效數(shù)字 4 對數(shù)計算 湊整到比近似數(shù)有效數(shù)字位數(shù)多一位的對數(shù)值 5 三角函數(shù) 當(dāng)角度湊整到1 應(yīng)采用六位函數(shù)表 當(dāng)角度湊整到0 1 應(yīng)采用七位函數(shù)表 當(dāng)角度湊整到0 01 應(yīng)采用八位函數(shù)表 變形監(jiān)測 變形監(jiān)測是反映大壩安全狀態(tài)的三大物理量之一 大壩的異常變形可導(dǎo)致裂縫 滲流 滑坡 傾覆等破壞現(xiàn)象 往往是大壩破壞事故的先兆 由于變形監(jiān)測能較直觀地反映大壩性態(tài)的運行情況 常常被視為大壩安全監(jiān)測的重點監(jiān)測項目 變形監(jiān)測工作在及早發(fā)現(xiàn)問題 防止大壩失事 減輕災(zāi)害損失方面已經(jīng)取得了十分顯著的成效 作為水工建筑物的安全監(jiān)控量 變形監(jiān)測量比應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測量更有效 一是變形監(jiān)測是反映建筑物的宏觀量 整體量 而應(yīng)力應(yīng)變反映的則是微觀量 局部量 如壩頂變形反映的是大壩自基礎(chǔ) 壩體直至壩頂所有變形量的綜合情況 而壩體應(yīng)力應(yīng)變反映的是測點部位的情況 其與測點部位的荷載及壩體本身材料有關(guān) 并不能代表壩的整體 變形可以得到絕對量 而應(yīng)力應(yīng)變一般代表測點兩端的相對變化 如整個壩體發(fā)生位移的時候 壩體測點的應(yīng)力應(yīng)變不一定得到反映 而應(yīng)力應(yīng)變測點應(yīng)力超限產(chǎn)生裂縫不一定代表整個大壩出現(xiàn)大的變形或出現(xiàn)異常 當(dāng)然很多情況下建筑物的變形是由非荷載因素的溫度引起的彈性變形 這種彈性變形有時會很大但對建筑物并不構(gòu)成危害 溫度引起的彈性變形掩蓋了荷載 時效等因素引起的變形 影響了變形量用作建筑物安全監(jiān)控的直觀性 二是變形反映的是終極量 較直觀 而應(yīng)力應(yīng)變則是中間量 較抽象 變形量是一個反映大壩運行的最終成果 其物理意義很明確 用作大壩安全監(jiān)控很直觀 容易操作 而壩體應(yīng)力應(yīng)變量是一個中間過程 壩體的應(yīng)力需經(jīng)過一系列繁雜的計算 最終成果會包含一系列的計算及設(shè)定誤差 用以監(jiān)控大壩安全指標(biāo)難以認定 三是變形監(jiān)測點容易修建 而應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點損壞后難以修復(fù) 一般大壩等內(nèi)部埋設(shè)儀器由于所處的工作環(huán)境均較差 使用壽命較短 且隨著大壩的運行會不斷損壞而難以修復(fù) 變形監(jiān)測包括壩體及壩基表面水平及垂直位移 內(nèi)部水平及垂直位移 近壩庫岸邊坡變形 傾斜 接縫及裂縫變位等監(jiān)測 工程建筑物的變形監(jiān)測能否達到預(yù)定目的 要受很多因素的影響 其中 最基本的因素是觀測點的布置 觀測的精度與頻次 以及每次觀測所進行的時間 變形監(jiān)測一般規(guī)定水工建筑物各位移量的測量中誤差不應(yīng)大于下表的規(guī)定 表中位移量中誤差是指兩次觀測值之差的偶然誤差和系統(tǒng)誤差的綜合值 監(jiān)測物理量正負號按以下規(guī)定執(zhí)行 1 水平位移 徑向或上下游向 Y向 向圓心方向或下游為正 切向或左右岸向 X向 向左岸為正 反之為負 2 垂直位移 下沉為正 上升為負 3 接縫和裂縫變位 縫開合 X向 張開為正 縫剪切 Y向 左側(cè)塊相對于右側(cè)塊向下游為正 據(jù)工程具體情況而有所差異 縫沉陷 Z向 左側(cè)塊相對于右側(cè)塊向下沉為正 據(jù)工程具體情況而有所差異 反之為負 對于面板壩周邊縫變位 接縫開合 X向 張開為正 接縫剪切 Y向 面板相對于趾板向坡下為正 接縫沉陷 Z向 面板相對于趾板向下沉為正 反之為負 4 基巖變位 向巖體外部為正 向巖體內(nèi)部為負 5 鋼筋 混凝土應(yīng)力應(yīng)變 拉伸為正 壓縮為負 6 土壓力 滲流壓力等 壓應(yīng)力為正 拉應(yīng)力為負 水準(zhǔn)儀等級分類 水準(zhǔn)儀按每公里往返測高差中數(shù)的中誤差這一精度指標(biāo)為依據(jù) 劃分為四個等級 分別為S05 每公里往返測高差中數(shù)中誤差 0 5mm 級 S1級 S3級 S10級 其中S05級水準(zhǔn)儀如DNA03 NA3003 NA2 GPM3 NI002 數(shù)字水準(zhǔn)測量系統(tǒng)的組成及工作原理 一個數(shù)字水準(zhǔn)儀測量系統(tǒng)主要是由編碼標(biāo)尺 光學(xué)望遠鏡 補償器 CCD傳感器以及微處理控制器和相關(guān)的圖像處理軟件等組成 雖然各廠家生產(chǎn)的數(shù)字水準(zhǔn)儀采用的結(jié)構(gòu)不完全相同 但是其基本工作原理相似 即標(biāo)尺上的條碼圖案經(jīng)過光反射 一部分光束直接成像在望遠鏡分劃板上 供目視觀測 另一部分光束通過分光鏡被轉(zhuǎn)折到線陣CCD傳感器的像平面上 經(jīng)光電轉(zhuǎn)換 整形后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換 輸出的數(shù)字信號被送到微處理器進行處理和存儲 并將其與儀器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)碼 參考信號 按一定方式進行比較 即可獲得高度和水平距離讀數(shù) 在數(shù)字水準(zhǔn)測量系統(tǒng)中 作為高程標(biāo)準(zhǔn)其使用的數(shù)字水準(zhǔn)標(biāo)尺的編碼方式 讀數(shù)原理對系統(tǒng)測量精度的影響是顯而易見的 數(shù)字水準(zhǔn)儀的特點 與傳統(tǒng)儀器相比數(shù)字水準(zhǔn)儀有以下共同特點 1 讀數(shù)客觀 不存在誤差 誤記問題 沒有人為讀數(shù)誤差 2 精度高 視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來的 因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響 多數(shù)儀器都有進行多次讀數(shù)取平均的功能 可以削弱外界條件影響 不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量 3 速度快 由于省去了報數(shù) 聽記 現(xiàn)場計算的時間以及人為出錯的重測數(shù)量 測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1 3左右 4 效率高 只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù) 減輕了勞動強度 視距還能自動記錄 檢核 給定測量限差值 儀器可自動判斷測量現(xiàn)差 超限時提示重測 能自動計算線路閉合差等 測量數(shù)據(jù)與電子計算機通訊進行后處理 可實線內(nèi)外業(yè)一體化 有倒置標(biāo)尺功能 適合于天花板 地下水準(zhǔn)測量 即可以進行自動測量 用條碼標(biāo)尺 又可以進行人工讀數(shù) 普通標(biāo)尺 5 在野外可方便地進行i角檢驗及校正 6 在黑暗中可采用手電筒或聚光燈照亮豎立標(biāo)尺的測量區(qū) 對于精密測量 視場中心區(qū) 如1 視場角范圍內(nèi) 應(yīng)無任何遮擋 視場內(nèi)應(yīng)有的編碼長度與儀器到標(biāo)尺的距離有關(guān) 如LeicaDNA03水準(zhǔn)儀 距離為10m以內(nèi) 在視場內(nèi)的標(biāo)尺長度不允許有遮擋 距離為10 50m 在視場內(nèi)的標(biāo)尺長度允許有20 邊緣遮擋 水準(zhǔn)測量誤差來源 一 儀器誤差 1 水準(zhǔn)儀的交叉誤差 自動安平水準(zhǔn)儀的補償誤差 2 水準(zhǔn)儀的角誤差 3 平行玻璃板測微器的誤差 4 水準(zhǔn)尺的尺長誤差 5 兩水準(zhǔn)標(biāo)尺的零點誤差二 觀測誤差三 外界因素導(dǎo)致的誤差 1 溫度變化對儀器的影響 2 儀器腳架升沉的影響 3 尺臺升沉的影響 4 大氣折光的影響 大壩沉陷觀測 國家一 二等水準(zhǔn)測量測站觀測順序 后 前 前 后 前 后 后 前 1 大壩垂直位移觀測中 對于各轉(zhuǎn)點為穩(wěn)定的水準(zhǔn)點 硬質(zhì)路面水準(zhǔn)線路 通視情況良好 觀測線路不長時間較短的情況 精密水準(zhǔn)測量亦可采用 往測時奇數(shù)測站后 后 前 前 偶數(shù)測站前 前 后 后的觀測順序 以提高觀測速度 返測時兩支標(biāo)尺必須互換位置 各測站觀測以始終先照準(zhǔn)往測時先照準(zhǔn)的某支標(biāo)尺為原則 即當(dāng)該水準(zhǔn)線路的測站數(shù)為偶數(shù)的 返測時 奇 偶測站照準(zhǔn)標(biāo)尺的順序分別與往測偶 奇測站相同 當(dāng)該水準(zhǔn)線路的測站數(shù)為奇數(shù)的 返測時 奇 偶測站照準(zhǔn)標(biāo)尺的順序分別與往測奇 偶測站相同 2 各測站儀器安置時 始終 往返測均同樣 將水準(zhǔn)儀物鏡朝向某支固定的水準(zhǔn)標(biāo)尺進行整平 3 兩水準(zhǔn)標(biāo)尺的零點誤差不等稱為一對標(biāo)尺零點不等差 其對一測站往返測不符值的影響較為明顯 三角高程測量 精密水準(zhǔn)法測定測點的高程雖然精度高 但工作量大 速度較慢 且必須要具備通行條件良好的水準(zhǔn)線路 在起伏變化較大的山區(qū) 精密水準(zhǔn)就很難得以實施 這時便可采用三角測量的方法測點高程 三角高程測量的基本思想是根據(jù)由測站向照準(zhǔn)點所觀測的垂直角 或天頂距 和它們之間的水平距離 計算測站點與照準(zhǔn)點之間的高差 這種方法簡便靈活 受地形條件的限制較少 故適用于測定三角點的高程 在大地測量中 三角點的高程主要是作為各種比例尺測圖的高程控制的一部分 一般都是在一定密度的水準(zhǔn)網(wǎng)控制下 用三角高程測量的方法測定三角點的高程 傳統(tǒng)的三角高程測量的邊長一般是由三角網(wǎng)的已知邊通過三角測量推算而得 隨著光電測距技術(shù)的快速推廣應(yīng)用 三角高程測量的邊長可直接由光電測距儀測定 從而大大提高了三角測量的精度 這就是EDM ElectronicDistanceMeasurement 電子距離測量 三角高程測量 近幾年在工程測量中EDM三角高程測量技術(shù)不斷發(fā)展 觀測精度已得到了很大的提高 部分工程已替代了二等水準(zhǔn)的測量 圖1 38三角高程測量 單向觀測計算高差的基本公式 令式中 C C一般稱為球氣差系數(shù) 三角高程測量計算高差嚴密公式參見教材 5 88 1 觀測方法 2 計算方法累計沉陷量 H 首次HP 本次HP 首次h 本次h間隔沉陷量 H 上次HP 本次HP 3 垂直角觀測要求每一方向采用 雙照準(zhǔn)法 觀測 各測次橫絲照準(zhǔn)目標(biāo)的部位應(yīng)固定不變 且在手簿上注記或繪草圖說明 所用的鋼尺應(yīng)無零點差且保持不變 圖1 41三角高程觀測 經(jīng)緯儀等級分類 經(jīng)緯儀按野外一測回水平方向中誤差這一精度指標(biāo)為依據(jù) 劃分為五個等級 分別為J07 一測回水平方向中誤差 0 7 J1 J2 J6 J15級 J1級經(jīng)緯儀如WILDT3光學(xué)經(jīng)緯儀以及全站儀TC A 2003 1201 1800 TM30 TS30 的測角部分 方向觀測法 方向觀測法的特征是在一個測回中把測站上所有要觀測的方向逐一照準(zhǔn)進行觀測 并在水平度盤上讀數(shù) 求出各方向的方向觀測值 三角網(wǎng)計算時所需要的水平角均可從有關(guān)的兩個方向觀測值相減得出 設(shè)在測站上有1 2 P個方向要觀測 并選定邊長適中 通視條件良好 成象清晰穩(wěn)定的方向1作為觀測的起始方向 又稱零方向 上半測回用盤左位置先照準(zhǔn)零方向 然后按順時針方向轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部依次照準(zhǔn)方向2 3 P再閉合到方向1 并分別在水平度盤上讀數(shù) 下半測回用盤右位置 仍然先照準(zhǔn)零方向1 然后逆時針方向轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部按相反次序照準(zhǔn)方向P 2 1 并分別在水平度盤上讀數(shù) 除了觀測方向數(shù)較少 規(guī)范規(guī)定不大于3 的站以外 一般都要求每半測回觀測閉合到起始方向 如以上所述的觀測程序 以檢查觀測過程中水平度盤有無方位的變動 此時每半測回觀測構(gòu)成一個閉合圓 所以這種觀測方法又稱之為全圓方向觀測法 角度測量誤差來源 有儀器誤差的影響包括 1 儀器本身誤差 1 照準(zhǔn)部偏心差 2 度盤刻劃誤差 3 視準(zhǔn)軸誤差C 4 橫軸誤差 5 豎軸傾斜誤差 2 觀測過程中儀器導(dǎo)致的誤差 1 水平度盤位移的影響 2 照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)不正確的影響 3 照準(zhǔn)部水平微動螺旋作用不正確的影晌 4 垂直微動螺旋作用不正確的影晌 觀測誤差的影響包括 1 照準(zhǔn)誤差 2 讀數(shù)誤差 3 儀器對中誤差 4 目標(biāo)偏心誤差 外界因素的影響包括 1 大氣層密度的變化和大氣透明度對目標(biāo)成象質(zhì)量的影晌 2 旁折光的影響 3 照準(zhǔn)目標(biāo)的相位差 4 溫度變化對視準(zhǔn)軸的影響 5 外界條件對覘標(biāo)內(nèi)架的影響 精密測角的一般原則 為了最大限度地減弱或消除各種誤差的影響 在精密測角時應(yīng)遵循下列原則 1 觀測應(yīng)在目標(biāo)成象清晰 穩(wěn)定的有利于觀測的時間進行 以提高照準(zhǔn)精度和減小旁折光的影響 2 觀測前應(yīng)認真調(diào)好焦距 消除視差 在一測回的觀測過程中不得重新調(diào)焦 以免引起視準(zhǔn)軸的變動 3 各測回起始方向應(yīng)均勻地分配在水平度盤和測微分劃尺的不同位置上 以消除或減弱度盤分劃線和測微分劃尺的分劃誤差的影響 4 在上 下半測回之間倒轉(zhuǎn)望遠鏡 以消除和減弱視準(zhǔn)軸誤差 水平軸傾斜誤差等的影響 同時由盤左 盤右讀數(shù)之差求得兩倍視準(zhǔn)軸誤差 2C 以檢核觀測質(zhì)量 5 上 下半測回照準(zhǔn)目標(biāo)的次序應(yīng)相反 并使觀測每一目標(biāo)的操作時間大致相同 即在一測回的觀測過程中 應(yīng)按與時間對稱排列的觀測程序 其目的在于消除或減弱與時間成比例均勻變化的誤差影響 如覘標(biāo)內(nèi)架或三腳架的扭轉(zhuǎn)等 6 為了克服或減弱在操作儀器的過程中帶動儀器基座位移及彈性扭曲導(dǎo)致水平度盤位移的誤差 每半測回開始觀測前 照準(zhǔn)部按規(guī)定的旋轉(zhuǎn)方向先轉(zhuǎn)動約一周 7 用望遠鏡垂直絲精確照準(zhǔn)目標(biāo)時 應(yīng)將目標(biāo)置于水平絲附近 照準(zhǔn)各方向目標(biāo)時應(yīng)在同樣位置 照準(zhǔn)目標(biāo)盡量不要使用垂直制動和微動螺旋 使用照準(zhǔn)部微動螺旋和測微螺旋時 其最后旋轉(zhuǎn)方向均應(yīng)為旋進 8 為減弱垂直軸傾斜誤差的影響 觀測過程中應(yīng)保持照準(zhǔn)部水準(zhǔn)器氣泡居中 當(dāng)使用J1和J2型經(jīng)緯儀時 若氣泡偏離水準(zhǔn)器中心一格時 應(yīng)在測回間重新整平儀器 這樣做可以使觀測過程中垂直軸的傾斜方向和傾斜角的大小具有偶然性 以便在各測回觀測結(jié)果的平均值中可以指望減弱其影響 方向觀測法測站平差 一測回方向觀測中誤差 式中n為包括零方向在內(nèi)的方向個數(shù) 隨著測回數(shù)m的不同而變化 可以預(yù)先算好 如m 9 k 0 147 m 12 k 0 109等 m測回方向值中數(shù)的中誤差為 電磁波測距基本原理 電磁波測距是通過測定電磁波束在待測距離上往返傳播的時間t2D來計算待測距離D的 其基本公式為上式中c是電磁波在大氣中的傳播速度 它取決于電磁波的波長和觀測時測線上的氣象條件 電磁波在測線上的住返傳播時間t2D 可以直接測定 也可以間接測定 直接測量電磁波傳播時間是用一種脈沖波 它是由儀器的發(fā)送設(shè)備發(fā)射出去 被目標(biāo)反射回來 再由儀器接收器接收 最后由儀器的顯示系統(tǒng)顯示出脈沖在測線上往返傳播的時間t2D或直接顯示出測線的斜距 這種測距儀器稱為脈沖式測距儀 它操作比較方便 但由于脈沖寬度和計數(shù)器時間分辨能力的限制 直接測量時間只能達到10 8s 其相應(yīng)的測距精度約1 2m 為了進一步提高測距精度人們采用間接測定的辦法 間接測定電磁波傳播時間是采用一種連續(xù)調(diào)制波 它由儀器發(fā)射出去 被反射回來后進入儀器接收器 通過發(fā)射信號與返回信號的相位比較 即可測定調(diào)制波往返于測線的遲后相位差中小于2 的尾數(shù) 用幾個不同調(diào)制波的測相結(jié)果便可間接推算出傳播時間t2D 并計算 或直接顯示 出測線的傾斜距離 這種測距儀器叫做相位式測距儀 目前這種儀器的計時精確度達10 10s以上 從而使測距精度提高到1cm左右 可基本滿足精密測距的要求 現(xiàn)今用于精密測距的激光測距儀和微波測距儀屬于這種相位式測距儀 相位式測距儀的基本公式 相位式測距儀 圖1 69中的A 發(fā)射出一種作為載波的光 或微波 的連續(xù)調(diào)制波 調(diào)制波通過測線到達反射器 圖1 69中的B 經(jīng)反射后被儀器接收器接收 測距信號在經(jīng)過往返距離2D后 相位延遲 為便于敘述起見 將往程與返程的信號波形圖攤平 如圖1 70所示 圖1 70調(diào)制波往返測線 上式中 是半波長 N為整周數(shù) 而 是不足一周的尾數(shù) 棱鏡反射器出射光與入射光在不同的投影面上都保持平行 那么它們在空間也必然是相互平行的 正因為棱鏡具有此項特點 故觀測斜距時棱鏡只須粗略對準(zhǔn)測線方向就可以了 電磁波測距觀測結(jié)果的化算電磁波測距的現(xiàn)場觀測結(jié)果 即距離初步值D0 必須加上各項改正之后 才能化算為兩標(biāo)石中心投影在參考橢球面 或測區(qū)某指定高程面 上的正確距離 這些改正大致可分三類 第一類是由儀器本身所造成的改正 有儀器的 加常數(shù)改正k 置平改正 D 適用于測距儀 頻率改正 Df和 周期誤差 D 改正 第二類是因大氣折射而引起的改正 有 氣象改正 Dn和波道彎曲改正 D 徠卡全站儀觀測到的距離已加入了此向改正 第三類是屬于歸算方面的改正 即歸心改正 De 傾斜改正和投影到橢球面 或測區(qū)某指定高程面 上的改正 Ds 4 氣象改正 1 傾斜改正2 光電測距傾斜改正 平距化算 嚴密公式3 測線長度投影到橢球面上的改正 銦瓦基線尺丈量所得的經(jīng)傾斜改正后的測線長度是沿測線平均高程面上的水平長度D 徠卡全站儀觀測到的平距已化算成測站高程面上的弦長 日本品牌的全站儀觀測到的平距已化算成測站與鏡站平均高程面上的弦長 光電測距所測的斜距可化算成某高程面上的弦長 這些長度投影到參考橢球面 或測區(qū)某指定高程面 上還需進行投影改正 5 傾斜改正和投影到橢球面上的改正 圖1 74表示沿測線方向的剖面 RA表示沿測線方向的參考橢球面曲率半徑 是大地水準(zhǔn)面超出參考球面上的高度 表示測線平均高程 由圖1 74知 圖1 74測線長度投影 6 參考橢球面上水平距離的計算 設(shè)參考橢球面上的水平距離以S表示 則 1 89 應(yīng)當(dāng)指出 以上各項改正并非項項都要計算 根據(jù)儀器情況 邊的長短和測邊的精度要求 有些項實際不存在 如采用全站儀時一般不存在置平改正 一般情況下沒有歸心改正 而波道彎曲改正在全站儀觀測中已經(jīng)考慮了 或本身過小時 也就無需計算 屬于各測回不同的改正計算 如 則必須在各測回內(nèi)分別計算 而其余的改正數(shù)各測回都有是一樣的 則可在最后一次計算 電磁波測距誤差來源及其影響 1 比例誤差1 光速值c0的誤差2 調(diào)制頻率f的誤差3 大氣折射率n的誤差 大氣折射率n的誤差是由于確定測線上平均氣象元素 P t e 的不正確而引起 這里包括測定誤差及氣象元素代表性誤差 即測站與鏡站上測定值之平均 經(jīng)過前述的氣象元素代表性改正后 依舊存在的代表性誤差 各氣象元素對n值的影響 可按 1 96 式分別求微分 并取中等大氣條件下的數(shù)值 P 760mmHg t 20 e 10mmHg 代入后 得 1 97 由此可見 激光測距中溫度誤差對折射系數(shù)的影響最大 當(dāng)dt 1 時 dnt 0 95 10 6 由此引起的測距誤差約一百萬分之一 其次是氣壓誤差的影響 當(dāng)Dp 2 5mmHg時 dnp 0 93 10 6 這也使測距誤差達一百萬分之一 影響最小的是濕度誤差 對于微波測距來說 它的大氣折射系數(shù)公式為 1 98 同樣 上式分別對P t e求微分 并取中等大氣條件下的數(shù)值 P 760mmHg t 20 e 10mmHg 代入后 得 1 99 將 1 93 式與 1 91 式作一比較 可以看出 溫度 氣壓的誤差對激光測距和微波測距的影響不相上下 但水汽壓對二者的誤差影響則相差十分懸殊 即對激光測距的影響可忽略不計 而對微波測距的影響相當(dāng)顯著 設(shè)想干濕球溫差 t t 的測定誤差為1 則算得水汽壓誤差de 0 50mmHg 由此引起大氣折射系數(shù)的誤差dn1 6 1 10 6 0 50 3 0 10 6 從而產(chǎn)生測距相對誤差 顯然 這是一個相當(dāng)可觀的誤差影響 從以上的誤差分析來看 正確地測定測站和鏡站上的氣象元素 并使算得的大氣折射系數(shù)與傳播路徑上的實際數(shù)值十分接近 從而大大地減少大氣折射的誤差影響 這對精密中 遠程測距乃是十分重要的 因此 在實際作業(yè)中必須注意以下幾點 a 氣象儀表必須經(jīng)過檢驗 以保證儀表本身的正確性 讀定氣象元素前 應(yīng)使氣象儀表反映的氣象狀態(tài)與實地大氣的氣象狀態(tài)充分一致 溫度應(yīng)讀至0 2 其誤差應(yīng)小于0 5 氣壓讀至0 5mmHg 或0 5hPa 其誤差應(yīng)小于1mmHg 或1hPa 尤其是氣壓表 由于零點誤差或振動的影響 可能會引起較大 十幾個毫巴甚至更大 的儀表誤差 所以一定要購買質(zhì)量可靠的氣象儀器 并且定期送當(dāng)?shù)貧庀髾z定部門進行檢定 有條件時配備一個標(biāo)準(zhǔn)氣壓表或多備幾個氣壓表 施測期間將標(biāo)準(zhǔn)的儀表一律放在駐地 以免受到震動 野外所用氣壓表在每期業(yè)務(wù)前后均與標(biāo)準(zhǔn)氣壓表進行比較修正 b 氣象代表性的誤差影響較為復(fù)雜 它受到測線周圍的地形 地物和地表情況以及氣象條件諸因素的影響 為了消弱這方面的誤差影響 選點時 應(yīng)注意地形條件 盡量避免測線兩端高差過大的情況 避免視線擦過水域 觀測時 應(yīng)選擇在空氣能充分調(diào)和的有風(fēng)之天或溫度比較均勻的陰天 必要時 可加設(shè)中間點測定溫度 c 氣象代表性的誤差影響 在不同的時間 如白天與黑夜 不同的天氣 如陰天和晴天 具有一定偶然性 有相互抵消的作用 因此 采取不同氣象條件下的多次觀測 也能進一步地削弱氣象代表性的誤差影響 2 固定誤差 1 歸心或?qū)χ姓`差ml2 儀器加常數(shù)誤差mk3 測相誤差m 精密光電測距 1 測距作業(yè)在測站上安置測距儀 全站儀 鏡站安置配套棱鏡 鏡面對向儀器 觀測開始 及結(jié)束 時 測定氣象元素 并根據(jù)需要對儀器的氣象改正進行設(shè)定 將儀器瞄準(zhǔn)棱鏡中心 平距觀測時 應(yīng)使儀器橫絲精確照準(zhǔn)棱鏡中心 開始測距 觀測平距時必須采用盤左 盤右分別進行 以消除垂直角觀測中的儀器豎盤指標(biāo)差等 參見垂直角觀測 斜距與垂直角分開觀測時測距作業(yè)可只進行儀器單面觀測精密距離測量采用往返觀測 往返各觀測二至四個測回 一測回為照準(zhǔn)目標(biāo)一次 讀數(shù)四次 觀測平距時每次讀數(shù)應(yīng)使儀器橫絲精確照準(zhǔn)棱鏡中心 2 觀測成果的重測和取舍凡超出限差的觀測成果 均要進行重新觀測 當(dāng)一測回中讀數(shù)較差超限時 可重測2個讀數(shù) 然后去掉一大一小取平均 重測超限時 整測回應(yīng)重新觀測 當(dāng)測回間較差超限時 可重測2個測回 然后去掉一大一小取平均 當(dāng)重測后測回差仍超限時 重測該測距邊的所有測回 往 返 或不同時段 較差超限時 應(yīng)分析原因后 重測單方向的距離 若重測還是超限 重測往 返兩方向的距離 3 氣象元素的測定測距作業(yè)前 應(yīng)預(yù)先打開溫度表和氣壓表 溫度表必須懸掛在離地面1 5m左右或與測距儀近似高 不受陽光直射 受輻射影響小和通風(fēng)良好的地方 操作者及儀器周圍障礙物應(yīng)遠離溫度表球部至少半米 在使用通風(fēng)干濕溫度表時 須經(jīng)過15 30min后方能開始觀測 觀測時將通風(fēng)器的發(fā)條上緊 等通風(fēng)器轉(zhuǎn)動2 4分鐘 應(yīng)按其使用說明上所定的通風(fēng)時間 此時通風(fēng)速度不得小于2 5m s 以后 進行溫度表的讀數(shù)精確到小數(shù)一位 并將讀數(shù)進行修正 按相應(yīng)有效檢定證書所列的修正值 溫度表讀數(shù)時 觀測者應(yīng)站在下風(fēng)方 讀數(shù)要迅速準(zhǔn)確 在野外使用時如風(fēng)速大于3m s應(yīng)在通風(fēng)干濕度表通風(fēng)器的迎風(fēng)面上套上一個風(fēng)擋 以防止大風(fēng)對于通風(fēng)速度的不良影響 氣壓表測讀時必須水平放置 要防止指針擱滯 讀數(shù)前用手指輕輕扣敲儀器外殼或表面玻璃 以消除傳動機構(gòu)中的摩擦 觀測時指針與鏡面指針像重疊 此時讀數(shù)精確到小數(shù)一位 讀取氣壓表上的溫度值以進行溫度訂正 氣壓值的求算應(yīng)經(jīng)過溫度 示度 補充等項的訂正 按相應(yīng)有效檢定證書所列的修正值 變形觀測手簿的記錄和計算要求 1 手簿中的原始數(shù)據(jù)和記事項目 必須在現(xiàn)場用鉛筆或鋼筆記錄 記錄者必須對觀測者的讀數(shù)進行復(fù)誦 嚴禁憑記憶補記 手簿的計算和檢查必須在離點前做完 2 一切數(shù)字 文字記載均應(yīng)正確 清楚 整齊 美觀 凡需更正錯誤 均應(yīng)將錯字整齊劃去 并在其上方填寫正確文字或數(shù)字 嚴禁隨手涂擦 對超限的成果須注明原因和重測結(jié)果所在頁數(shù) 對重測記錄 則需加注 重測 字樣 書寫的文字 符號和單位均應(yīng)符合國家頒布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 3 對原始記錄的秒值 毫米數(shù) 不得做任何涂改 原始記錄的度 分 米 分米 確屬讀錯 記錯 可在現(xiàn)場更正 但同一方向 測站 內(nèi)不能有兩個相關(guān)的數(shù)字連續(xù)劃改 4 外業(yè)手簿中 每點的手頁 應(yīng)記載測站名稱 等級 覘標(biāo)類型等 每一觀測時間段的首末頁上端各項 均須記載齊全 5 精密三角測量和精密導(dǎo)線測量記錄和計算的小數(shù)位 采用TC A 2003 1201 1800 TM30 TS30 全站儀觀測水平及垂直角讀數(shù)到0 1 0 1 1 計算到0 01 采用T3 J2型儀器觀測水平及垂直角讀數(shù)到0 1 1 計算到0 01 精密水準(zhǔn)測量記錄和計算的小數(shù)位 讀數(shù)到0 1mm 計算到0 01mm 最后計算的平面坐標(biāo) 高程及變形量等成果取至0 1mm 6 精密距離測量中 每測回要記全數(shù)一次 厘米和厘米以下的數(shù)字不得更改 邊長讀數(shù)至0 1mm 計算至0 01mm 溫度讀至0 1 氣壓讀至0 1hpa 毫巴 儀器高和鏡高 讀至0 1mm 7 有條件時應(yīng)首先考慮采用電子記錄 電子記錄時必須按照有關(guān)電子記錄基本規(guī)定執(zhí)行 有關(guān)的測站 測點名稱應(yīng)進行必要的注記 記錄在記錄器中的原始數(shù)據(jù)必須及時錄入到計算機中并進行資料的計算整理 采用電子記錄時 必須建立各項目記錄模板 每次記錄時打開相應(yīng)項目記錄模板 可選擇 文件 菜單的 新建 命令 單擊 本機上的模板 選擇所要的記錄模板 進行記錄 在沒有原有記錄文檔備份文件時 嚴禁打開原有的記錄文檔進行編輯記錄 全站儀及其特性 全站儀又稱全站型電子速測儀 電子全站儀 是一種兼有電子測距 電子測角 計算和數(shù)據(jù)自動記錄及傳輸功能的自動化 數(shù)字化的三維坐標(biāo)測量與定位系統(tǒng) 全站儀精度指標(biāo) 在所有全站儀測距部分標(biāo)稱精度指標(biāo)的表達式中 均使用 A BD 的形式 如徠卡TC2003系列為 1mm 1ppm D 顯然 該精度表達形式由以下兩部分組成 A 代表固定誤差 單位為mm 它主要由儀器加常數(shù)的測定誤差 對中誤差 測相誤差等引起 固定誤差與測量的距離無關(guān) 即不管實際測量距離多長 全站儀將存在不大于該值的固定誤差 全站儀的這部分誤差一般在1mm 5mm之間 BD 代表比例誤差 它主要由儀器頻率誤差 大氣折射率誤差引起 其中B的單位為 ppm PartsPerMillion 是百萬分之 幾 的意思 它廣泛地出現(xiàn)在國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料上 它不是我國法定計量單位 而僅僅是人們對這一數(shù)學(xué)現(xiàn)象的習(xí)慣叫法 全站儀B的值由生產(chǎn)廠家在用戶手冊里給定 用來表征比例誤差中比例的大小 是個固定值 一般在1ppm 5ppm之間 D的單位為 km 即1 106mm 它是一個變化值 根據(jù)用戶實際測量的距離確定 它同時又是一個通用值 對任何全站儀都一樣 由于D是通用值 所以比例誤差中真正重要的是 ppm 通常人們看比例部分的精度也就是看它的大小 B和D的乘積形成比例誤差 一俟距離確定 則比例誤差部分就會確定 顯然 當(dāng)B為1ppm 被測距離D為1km時 比例誤差BD就是1mm 隨著被測距離的變化 全站儀的這部分誤差將隨之按比例進行變化 例如當(dāng)B仍為1ppm 被測距離等于2km時 則比例誤差為2mm 固定誤差與比例誤差絕對值之和 再冠以偶然誤差 號 即構(gòu)成全站儀測距精度 如徠卡TPS1100系列全站儀測距精度為2mm 2ppm D 當(dāng)被測距離為1km時 儀器測距精度為4mm 換句話說 全站儀最大測距誤差不大于4mm 當(dāng)被測距離為2km時 儀器測距精度則為6mm 最大測距誤差不大于6mm 特別需要指出的是 全站儀的標(biāo)稱精度指標(biāo)是一種誤差限差的概念 也就是說每臺全站儀測距誤差不得超過生產(chǎn)廠家提供的標(biāo)稱精度指標(biāo) 所謂不得超過 可能出現(xiàn)的情況是 有的儀器實際誤差接近于這個限差 也可能有的小于或遠小于這個限差 因此決不能把某臺儀器的標(biāo)稱精度當(dāng)作該儀器的實際精度 沒有誤差的全站儀是不存在的 但標(biāo)稱精度一樣的全站儀其實際精度 即存在的實際誤差卻不同 有的相差還很大 據(jù)資料統(tǒng)計表明 相當(dāng)多的徠卡全站儀的實測精度高于標(biāo)稱精度一倍以上 目前的TC A 2003 1800 TM30 TS30 等全站儀使用初期其實測及檢定測距精度與其標(biāo)稱精度相比一般均在0 7倍以下 許多儀器僅0 5倍以下 隨著使用期的延長 其精度會略微有所下降 國家計量檢定規(guī)程 JJG100 2003 將全站儀及電子經(jīng)緯儀的準(zhǔn)確度劃分為4個等級 見表1 29 全站儀測距氣象改正 全站儀在測距作業(yè)中必須進行氣象改正 即通過測量作業(yè)現(xiàn)場的溫度T Temperature 和氣壓P Pressure 以及濕度H Humidity 該項僅在高精度測量時使用 按照一定的氣象改正公式 求出氣象改正數(shù)ppm以及距離改正數(shù) D 不同廠家的全站儀 其氣象改正公式也不同 全站儀的氣象改正是在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件的基礎(chǔ)上進行的 為了便于用戶的使用 廠家選定更接近作業(yè)現(xiàn)場的氣象條件作為儀器標(biāo)準(zhǔn)氣象條件 在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下 全站儀的氣象改正ppm值為零 如徠卡全站儀選T 12 P 1013 25mbar 760mmHg H 60 作為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件 此時的氣象改正值ppm 0 也有的廠家溫度T選15 如拓普康 或20 如捷創(chuàng)力 但氣壓P一般都選1013 25mbar 實際測量時 現(xiàn)場的氣象條件一般會與標(biāo)準(zhǔn)氣象條件有所不同 因此通常所說的氣象改正就是指對相對標(biāo)準(zhǔn)氣象條件變化的改正 1013 25mbar約相當(dāng)于0m高程的氣壓值 在0 2000m范圍內(nèi) 高程每升高8 10m 氣壓一般減小約1mbar 在2000 4000m范圍內(nèi) 高程每升高10 13m 氣壓一般減小約1mbar 但即使同一高程 隨著氣象條件的變化 其氣壓值一般會變化20 60mbar 全站儀的三軸補償 細心的全站儀用戶常常提出這樣一個問題 在固定照準(zhǔn)部的情況下 當(dāng)轉(zhuǎn)動望遠鏡上下俯仰的時候 發(fā)現(xiàn)水平角的讀數(shù)在不斷地變化 這個變化 有的儀器幾秒 也有的儀器可達十幾秒甚至幾十秒 他們納悶 俯仰望鏡時 由于儀器在水平方向沒有轉(zhuǎn)動 引起讀數(shù)變化的應(yīng)該是垂直角 可是為什么水平方向也跟著變呢 他們懷疑是不是儀器出了毛病 因此不敢相信顯示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 長期以來 人們使用的電子經(jīng)緯儀和全站儀 如徠卡的T2000S TC2000等 在上述情況下 水平方向都不會發(fā)生什么變化 可是全站儀技術(shù)發(fā)展到今天 全站儀性能大大提高 然而其水平方向反而不穩(wěn)定了 這到底是怎么一回事 其實這正是當(dāng)今全站儀性能提高的一個表現(xiàn) 補償器是用來補償由于經(jīng)緯儀垂直軸傾斜而引起的讀數(shù)誤差的 老式的單軸補償器 僅僅能補償垂直方向的讀數(shù)誤差 爾后出現(xiàn)自動雙軸補償器 則可以同時補償垂直方向和水平方向的讀數(shù)誤差 但這都是對垂直軸傾斜的補償 1989年徠卡推出的T3000以及其后的徠卡全站儀 低精度的除外 則不僅能補償經(jīng)緯儀垂直軸傾斜引起的垂直度盤和水平度盤讀數(shù)誤差 而且還能補償由于水平軸傾斜誤差和視準(zhǔn)軸誤差引起的水平度盤讀數(shù)影響以及豎盤指標(biāo)差引起的豎盤讀數(shù)影響 通常稱為 三軸補償 這也使改善水平方向讀數(shù)因素或者說望遠鏡轉(zhuǎn)動時水平讀數(shù)變化的因素增加到三個 下面簡要解釋這三種因素的原理 雙軸補償將垂直軸傾斜量分解成視準(zhǔn)軸方向和水平軸方向兩個分量 視準(zhǔn)軸方向的分量影響垂直度盤讀數(shù) 水平軸方向的分量影響水平度盤讀數(shù) 其影響為 其中為目標(biāo)點的垂直角 從式中可以看出 這種影響主要表現(xiàn)在望遠鏡偏離水平面時 如前所述 當(dāng)望遠鏡水平瞄準(zhǔn)時 橫向傾斜實際上對水平度盤沒有影響 但傾斜瞄準(zhǔn)時 該影響就明顯增加 如望遠鏡傾斜45 時 1 橫向傾斜引起1 的水平方向誤差 因此如果補償器設(shè)置成雙軸補償 當(dāng)望遠鏡轉(zhuǎn)動時 即使照準(zhǔn)部不動 儀器也會自動補償垂直軸傾斜而引起的水平度盤讀數(shù)誤差 水平方向讀數(shù)會不斷地變化 1 雙軸補償 2 水平軸傾斜誤差 水平軸傾斜誤差又稱橫軸誤差或傾斜軸誤差 tilting axiserror 其引起的主要原因是由于安裝或調(diào)整不完善致使支承水平軸的二支架不等高 水平軸兩端的直徑不等也是一個原因 由于儀器存在著水平軸誤差 當(dāng)整平儀器時 垂直軸垂直 而水平軸不水平 這就會對水平方向引起觀測誤差 若 i為水平軸傾斜誤差對水平方向觀測讀數(shù)的影響 則有 i 顯然 i的大小不僅與i角的大小成正比 而且與目標(biāo)點的垂直角 有關(guān) 3 視準(zhǔn)軸誤差 視準(zhǔn)軸誤差又稱照準(zhǔn)誤差 也就是人們常說的 C 角 它產(chǎn)生的原因是由于安裝和調(diào)整不當(dāng) 望遠鏡的十字絲中心偏離了正確的位置 結(jié)果是視準(zhǔn)軸與水平軸不正交 引起了測量誤差 它是一個固定值 外界溫度的變化也會引起視準(zhǔn)軸位置的變化 這個變化則不是一個固定值 若令 C為視準(zhǔn)軸誤差C對水平方向觀測讀數(shù)的影響 則有 C C cos 顯然 視準(zhǔn)軸誤差對水平方向讀數(shù)的影響不僅與視準(zhǔn)軸誤差C成正比 而且也與目標(biāo)點的垂直角有關(guān) 當(dāng)垂直角為零度時 C C 即視準(zhǔn)軸誤差與它所引起的水平方向讀數(shù)誤差是相同的 此時可通過盤左盤右的觀測值之差來求得 即 L R 180 2C需要說明的是 有的資料為了解釋的方便 并沒有嚴格區(qū)分 C和C 只是講C的變化依賴垂直角的變化 但這并不妨礙對此問題的理解 為了消除上述三種因素的影響 簡化角度觀測程序 將過去往往需正 倒鏡觀測才能消除的一些誤差自動進行修正 提高單面觀測的精度 除徠卡儀器外 還有賓得的PTS V2以及捷創(chuàng)力的Geodimeter500 600系列等儀器 都使用了三軸補償?shù)姆椒?其采取的手段是用雙軸補償?shù)姆椒▉硌a償垂直軸傾斜引起的垂直和水平度盤的讀數(shù)誤差 用機內(nèi)計算軟件來改正因橫軸誤差和視準(zhǔn)軸誤差引起的水平度盤讀數(shù)誤差 此改正通過下述參數(shù)進行計算 已被確定和存儲在儀器里的最新視準(zhǔn)軸誤差和水平軸 橫軸 誤差 垂直軸傾斜 視準(zhǔn)軸橫向偏離的瞬間成份 具有三軸補償?shù)慕?jīng)緯儀或全站儀用下述公式來顯示角度值HzT Hz0 C cos St i tg 式中HzT 顯示的水平度盤讀數(shù) Hz0 電子度盤傳感器測得的值 對于只能對垂直角進行單軸補償?shù)睦鲜诫娮咏?jīng)緯儀和全站儀來說 如T2000S和TC2000 沒有改正上述三種因素的功能 人們看到無論望遠鏡怎么轉(zhuǎn) 它們的水平方向讀數(shù)都不變化 并不是因為這種儀器穩(wěn)定可靠 其實是儀器沒有能力進行這方面改正的緣故 對于僅有雙軸補償?shù)膬x器來說 只能改正垂直軸傾斜引起的垂直和水平讀數(shù)誤差 當(dāng)補償器關(guān)閉以后 無論如何轉(zhuǎn)動望遠鏡 水平讀數(shù)也不會變化 全站儀在工作時 其垂直角的改正 一是使用存儲的指標(biāo)差 二是使用垂直軸在視準(zhǔn)線方向的傾斜量 4 全站儀的三軸補償 全站儀的補償改正是通過補償器自動測定垂直軸傾斜的瞬時值補償垂直軸傾斜引起的垂直 水平度盤讀數(shù)誤差 同時通過已被確定并存儲在儀器里的最新水平軸誤差 視準(zhǔn)軸誤差以及豎盤指標(biāo)差等用儀器內(nèi)計算軟件來改正儀器軸系誤差引起的水平及垂直度盤讀數(shù)誤差的 故儀器補償器本身的誤差 儀器軸系誤差中的水平軸誤差 視準(zhǔn)軸誤差C及豎盤指標(biāo)差等 應(yīng)通過定期的檢測進行修正以使儀器達到最佳工作狀態(tài) 盡管上述誤差不能調(diào)整到零 但通過盤左及盤右觀測取均值的方法均能消除上述補償及各項軸系誤差 ATR自動目標(biāo)識別及定位 1 原理象測距儀那樣 自動目標(biāo)識別 ATR 部件以同樣的方法安裝在TCA系列全站儀的望遠鏡上 紅外光束通過光學(xué)部件被投影在望遠鏡上 從物鏡口發(fā)射出去 反射回來的光束 由內(nèi)置的CCD相機接收 其位置以CCD相機的中心作為參考點來精確地確定 假如CCD相機的中心與望遠鏡的光軸的調(diào)整是正確的 則以ATR方式測得的水平方向和垂直角 可從CCD相機上光點的位置直接計算出來 采用ATR時 視準(zhǔn)線和CCD相機中心之間在水平和垂直方向上的偏差即為ATR準(zhǔn)直差 照準(zhǔn)差 ATR照準(zhǔn)差在盤左和盤右觀測時等值同號 即始終偏向目標(biāo)棱鏡的同一側(cè) 且不論距離的遠近其偏離的角值是相等的 故不能通過盤左及盤右觀測取均值的方法得以消除 尤其在垂直角觀測時ATR照準(zhǔn)差直接傳遞到垂直角觀測值中 而水平角計算時因各水平方向觀測值相減后能將ATR照準(zhǔn)差基本消除 ATR照準(zhǔn)差的校準(zhǔn)是提高其測量精度的重要一環(huán) 常規(guī)的ATR校準(zhǔn)工作允許檢查和測定CCD相機的中心與望遠鏡光軸的重合度 測定ATR的照準(zhǔn)差 必須人工將望遠鏡對準(zhǔn)棱鏡中心 視準(zhǔn)線 十字絲 和CCD相機中心之間在水平和垂直方向上的偏差由儀器計算出來 校準(zhǔn)過程中的偏差改正被應(yīng)用在ATR方式下的角度測量上 當(dāng)度盤掃描系統(tǒng)進行測量時 這些改正數(shù)被用來改正相對于視準(zhǔn)線的值 如果在測角中既用ATR方式 又用人工方式 檢查和測定ATR照準(zhǔn)差則是十分必要的 因為只有在這種情況下 兩種方法才能達到最佳匹配 ATR校準(zhǔn)可通過儀器上的校準(zhǔn)對話框進行 2 精確定位三個順序進行的過程形成了精確定位的特點 搜索過程 目標(biāo)找準(zhǔn)過程和測量過程 在手動對棱鏡粗略進行照準(zhǔn)后 ATR的精確定位將是完全自動的 首先ATR檢查粗略的棱鏡是否位于望遠鏡的視場里面 如果他探索不到棱鏡 它將從頭開始搜索過程即望遠鏡進行螺旋式的連續(xù)運動 掃描的速度可以選擇以便使被掃描區(qū)域里影像之間沒有間隙 一旦探測到棱鏡 望遠鏡馬上停止運動 整個掃描和識別的時間大約2 4秒鐘 如圖1 78所示 ATR的感應(yīng)區(qū)位于望遠鏡的中心 大約占三分之一的視場 在此感應(yīng)區(qū)內(nèi) ATR可立即識別出棱鏡 當(dāng)使用ATR測量技術(shù)的時候 為了減少測量時間 沒有必要十分嚴格地手動照準(zhǔn)棱鏡中心來確定水平方向和垂直角 定位時 馬達螺旋式地轉(zhuǎn)動望遠鏡來照準(zhǔn)棱鏡的中心并使之處于預(yù)先設(shè)定的限差之內(nèi) 一般情況下 十字絲只是位于棱鏡中心附近 他之所以沒有定位于棱鏡中心 是為了優(yōu)化測量速度 因為定位棱鏡中心附近比靠馬達準(zhǔn)確地定位于棱鏡中要快些 為確定偏差 ATR測量十字絲和棱鏡中心間的水平和垂直偏移量 這些偏移量被用來改正儀器上所顯示的水平方向和垂直角 所以 雖然十字絲沒有精確地照準(zhǔn)棱鏡中心 但它是以棱鏡中心為準(zhǔn)的 實質(zhì)上是精確照準(zhǔn)定位的 ATR需要一塊棱鏡配合進行目標(biāo)識別 為了使工作更加簡化 ATR的角度測量與距離測量同時進行 在每一測量過程中 角度偏移量都被重新確定 相應(yīng)地改正了水平方向和垂直角 進而精確地測量出距離或計算出目標(biāo)點坐標(biāo) ATR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置中的測量精度與儀器本身的角度測量精度相一致 如果選擇了不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的測距方式 ATR的測量精度應(yīng)選用所對應(yīng)測量方式的精度級別 例如 距離測量方式 fast 將縮短測量時間 允許在近距離對不穩(wěn)定的手持棱鏡進行測量 當(dāng)使用ATR方式進行測量時 由于其望遠鏡不需要人工聚焦或精確照準(zhǔn)目標(biāo) 測量的速度將會得到非常明顯的增加 其精度不依賴于觀測員的水平 基本上保持常數(shù) 工程控制網(wǎng)的設(shè)立與平差計算 1 工程施工控制網(wǎng)坐標(biāo)的確立水利水電工程施工控制網(wǎng)應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模 類型 控制的范圍一般選擇二 三 四等作為首級網(wǎng) 大型水利水電工程平面控制網(wǎng) 混凝土建筑物可選擇二 三等 土石建筑物可選擇三 四等作為首級網(wǎng) 中型水利水電工程 混凝土建筑物可選擇三 四等 土石建筑物可選擇四等作為首級網(wǎng) 首級平面控制網(wǎng)一般為獨立網(wǎng) 應(yīng)利用規(guī)劃設(shè)計階段布設(shè)的測圖控制點 起算數(shù)據(jù)可與鄰近的國家三角點聯(lián)測 其聯(lián)測精度不低于國家四等網(wǎng)要求 首級平面控制網(wǎng)點的點位中誤差根據(jù)大 中型水利水電工程規(guī)模應(yīng)分別不大于 5 7 mm 7 10 mm 最末級平面控制網(wǎng)相對于首級網(wǎng)的點位中誤差不應(yīng)超過 10mm 平面控制網(wǎng)不允許布設(shè)無多余觀測的單三角鎖 加密導(dǎo)線應(yīng)附合于首級網(wǎng)點上 大型水利水電工程高程控制網(wǎng) 混凝土建筑物可選擇二等 土石建筑物可選擇三等作為首級網(wǎng) 中型水利水電工程 混凝土建筑物可選擇三等 土石建筑物可選擇四等作為首級網(wǎng) 首級高程控制網(wǎng)應(yīng)與鄰近國家水準(zhǔn)點聯(lián)測 其聯(lián)測精度不低于國家四等水準(zhǔn)技術(shù)要求 最末級高程控制點相對于首級高程控制點的高程中誤差 對于混凝土建筑物應(yīng)不超過 10mm 對于土石建筑物應(yīng)不超過 20mm 首級網(wǎng)和加密網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成閉合環(huán)線 附和路線或節(jié)點網(wǎng) 不允許布設(shè)水準(zhǔn)支線 2 變形控制網(wǎng)的布設(shè)大壩變形網(wǎng)的測點按其可靠穩(wěn)定性高低可分為 基準(zhǔn)點 又稱校核基點 是為變形監(jiān)測而布設(shè)的長期穩(wěn)定可靠的監(jiān)測控制點 工作基點 又稱起測基點 是為直接監(jiān)測位移測點而在位移測點附近布設(shè)的相對穩(wěn)定的測量控制點 位移測點 是布設(shè)在建筑物上和建筑物牢固結(jié)合 能代表建筑物變形的監(jiān)測點 三級 其中基準(zhǔn)點及工作基點納入變形控制網(wǎng)范圍 監(jiān)測大壩水平位移的平面網(wǎng)基準(zhǔn)點一般布設(shè)在大壩下游不受大壩水庫壓力影響的地區(qū) 基準(zhǔn)點組不宜少于4個 其目的是能確認有2個及以上的穩(wěn)定點 如布設(shè)倒垂線必須2個及以上 以互相校核本身的穩(wěn)定性 布設(shè)在大壩下游的高程網(wǎng)基準(zhǔn)點若采用基巖標(biāo)應(yīng)成組設(shè)置 每組不得少于3個 一般應(yīng)設(shè)置在大壩下游1 5km處 布設(shè)雙金屬標(biāo)或鋼管標(biāo)作為水準(zhǔn)基點時應(yīng)布設(shè)二組及以上 大壩變形控制網(wǎng)可利用工程施工控制網(wǎng)首級網(wǎng)點作為起算坐標(biāo) 其目的是使得工程所得的各點坐標(biāo)能與國家坐標(biāo)統(tǒng)一 目前采用的國家坐標(biāo)系一般為1954年北京坐標(biāo)系 采用蘇聯(lián)克拉索夫斯基橢圓體 在1954年完成測定工作 1985年國家高程基準(zhǔn) 大壩坐標(biāo)系可采用平行于及垂直于壩軸線的方向作為X及Y軸 以大壩右岸某一點坐標(biāo)作為 0 0000 0 0000 并盡量使整個大壩系統(tǒng)的有關(guān)測點坐標(biāo)值都為正值建立大壩坐標(biāo)系 如選擇壩頂右岸平面變形工作基點的坐標(biāo)為 1000 0000 1000 0000 3 變形控制網(wǎng)的平差計算變形控制網(wǎng)的平差計算方法一般可分為 經(jīng)典平差 秩虧自由網(wǎng)平差 偽逆平差 擬穩(wěn)平差 大壩平面及高程變形控制網(wǎng)平差后最弱點指定方向位移量全中誤差應(yīng)不大于 2 0mm 經(jīng)典平差 首期控制網(wǎng)平差 能確定有兩個以上穩(wěn)定點的網(wǎng) 秩虧自由網(wǎng)平差 變形控制網(wǎng)的復(fù)測成果平差 無確定的已知起算點 擬穩(wěn)平差 有相對穩(wěn)定點的網(wǎng)成果平差 亦屬于秩虧自由網(wǎng)平差 除了觀測網(wǎng)中存在若干個 有多余起算數(shù)據(jù) 固定點 采用固定基準(zhǔn)作間接平差外 對于自由變形觀測網(wǎng) 目前比較成熟的就是采用固定基準(zhǔn)的經(jīng)典平差 采用重心基準(zhǔn)的秩虧自由網(wǎng)平差和采用擬穩(wěn)基準(zhǔn)的擬穩(wěn)平差三類 如果自由網(wǎng)中存在不動點 采用固定基準(zhǔn)最好 它有堅實的穩(wěn)定基礎(chǔ) 這種情況實際上也是存在的 例如滑坡監(jiān)測 測站點相對位移測點在許多場合可認為完全不動 這種網(wǎng)相應(yīng)地可采用經(jīng)典平差 如果自由網(wǎng)中各測點都是變形點 當(dāng)然也可以說他們是非固定不變的穩(wěn)定點 根據(jù)觀測數(shù)據(jù)和變形情況分析 認為他們是等概率形變的 在這種情況下 自然認為采用重心基準(zhǔn) 相應(yīng)地采用偽逆平差為合適 這種方法缺乏穩(wěn)定基礎(chǔ) 而且重心基準(zhǔn)與網(wǎng)形大小有關(guān) 如果自由網(wǎng)中存在著一部分點相對另一部分是穩(wěn)定點 但實際上他們不是固定不變的 則采用擬穩(wěn)基準(zhǔn)進行擬穩(wěn)平差為好 這樣對變形測點而言 也有了較穩(wěn)定的基礎(chǔ) 當(dāng)然首先要分析確定哪些點是相對穩(wěn)定的 由于采用不同的平差基準(zhǔn) 所得到的各點位移量存在著差異 然而實際的位移場理論上是唯一的 所以在實際變形分析中 要注意研究所采用的基準(zhǔn)是否合適 應(yīng)該如何正確地選擇與實際情況接近的基準(zhǔn) 使變形分析結(jié)果盡量與實際相符 復(fù)測變形控制網(wǎng)平差的一般程序 秩虧自由網(wǎng)平差 擬穩(wěn)平差 經(jīng)典平差 首先將各基點均作為非固定點進行秩虧自由網(wǎng)平差 根據(jù) PVV 及 X X 為最小 使整個網(wǎng)作平移或繞網(wǎng)的重心旋轉(zhuǎn) 通過秩虧自由網(wǎng)平差若認為存在相對穩(wěn)定點 平面網(wǎng)不少于2個 高程網(wǎng)不少于1個 則可進行擬穩(wěn)平差 即把變形較為穩(wěn)定的控制網(wǎng)點當(dāng)作擬穩(wěn)點 較不穩(wěn)定的控制網(wǎng)點當(dāng)作非擬穩(wěn)點 擬穩(wěn)點的權(quán)可根據(jù)其位移向量大小按一定的規(guī)則確定 目前按權(quán)確定的擬穩(wěn)平差尚無現(xiàn)成的平差軟件 一般可根據(jù)工程實際情況結(jié)合控制網(wǎng)復(fù)測有關(guān)成果確定選用擬穩(wěn)定 若對秩虧自由網(wǎng)平差成果經(jīng)過檢驗 認為網(wǎng)中各點均較為穩(wěn)定 可將這些點均作為擬穩(wěn)點 即秩虧自由網(wǎng)平差 若對秩虧自由網(wǎng)平差成果經(jīng)過檢驗 能確認控制網(wǎng)中存在至少兩個穩(wěn)定點 則可將穩(wěn)定點作為固定基準(zhǔn)進行經(jīng)典平差 1 工作基點位移產(chǎn)生的原因 1 工作基點施工結(jié)束后未過穩(wěn)定期即進行觀測 無論建在巖基上或土地基上的工作基點 都應(yīng)過了規(guī)定的穩(wěn)定期后再開始觀測 因為首次觀測值系變形觀測系統(tǒng)的基準(zhǔn)值 特別是建在土地基上的測墩 宜在施工結(jié)束后一個冬夏后再開始觀測 至少應(yīng)過一個雨季 2 工作基點距離水壩過近 受水壓力影響較大 3 工作基點本身結(jié)構(gòu)的原因 a 若混凝土工作基點地面及地下基礎(chǔ)部分未加鋼筋 長時間后工作基點本身將產(chǎn)生裂縫等變形 b 工作基點強制對中器埋設(shè)不穩(wěn)固或本身結(jié)構(gòu)變形 例如支承托架式強制對中器若三根支柱過細 過高 則會使上部基座產(chǎn)生水平位移 該樣式的基座對中螺孔如與螺桿在制造工藝上沒有精密配合 則可產(chǎn)生對中誤差達 5mm或更大 這種誤差相當(dāng)于工作基點發(fā)生水平位移 4 埋于軟弱夾層 巖石 中的工作基點 可能因巖石不穩(wěn)定而產(chǎn)生水平位移 5 日曬對工作基點短周期水平位移的影響 設(shè)置在露天的工作基點 由于全天受太陽照射 將產(chǎn)生同一工作基點的 陰 陽 兩面 因應(yīng)力不平衡而產(chǎn)生混凝土工作基點的 扭轉(zhuǎn) 由某壩工作基點在一天內(nèi)受太陽照射后的變形趨勢及其數(shù)值可見 一天之內(nèi)工作基點因太陽日照原因產(chǎn)生的最大扭轉(zhuǎn)幅度約1mm 變位大小還與方向有關(guān) 最大變位方向與最小變位