摘要 在公路工程設(shè)計(jì)施工過程中，測量是必不可少的重要環(huán)節(jié)，而其中水準(zhǔn)儀的誤差控制從某種程度上說直接影響到公路工程質(zhì)量的好壞。在實(shí)際的工程測量中，通常要花費(fèi)大量的時(shí)間、采取更多的步驟將誤差的影響降至最低。可以說公路工程測量過程中，應(yīng)用水準(zhǔn)儀所產(chǎn)生的誤差控制是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。本文就針對(duì)該問題展開討論。
關(guān)鍵詞 公路測量；水準(zhǔn)儀；誤差控制
1 公路工程中的水準(zhǔn)測量
在公路測量過程中，水準(zhǔn)測量通常根據(jù)幾何原理，通過測量水平視線上兩點(diǎn)間的高差來實(shí)現(xiàn)。一般采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行輔助測量，常用的型號(hào)有DS3型微傾式自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，其在單位公里內(nèi)可以將測量誤差控制在3 mm以內(nèi)。在測站使用水準(zhǔn)儀的基本步驟如下：首先將儀器安置于適當(dāng)?shù)奈恢茫龠M(jìn)行粗略整平，調(diào)整好水準(zhǔn)尺后再進(jìn)行精確的整平，最后讀取測量數(shù)據(jù)。當(dāng)測量完每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)后，再進(jìn)行結(jié)果復(fù)合。在進(jìn)行水準(zhǔn)測量時(shí)要注意，同一個(gè)公路項(xiàng)目要參照相同的高程系統(tǒng)，同時(shí)測量基平和中平，同一個(gè)水準(zhǔn)尺要由兩臺(tái)水準(zhǔn)儀同時(shí)觀測，在進(jìn)行間視與轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，要兩個(gè)人同時(shí)立水準(zhǔn)尺，不過兩臺(tái)水準(zhǔn)儀對(duì)同一個(gè)水準(zhǔn)尺進(jìn)行觀測是不變的。需要注意的是，如果每個(gè)測站沒有對(duì)每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)段的測量結(jié)果進(jìn)行檢核，則會(huì)提高出現(xiàn)誤差的機(jī)率。因此水準(zhǔn)測量的誤差控制非常有必要。
2 水準(zhǔn)測量的誤差與控制
通常進(jìn)行水準(zhǔn)測量會(huì)產(chǎn)生誤差，主要是由三個(gè)原因造成的，即儀器自身精度誤差、觀測過程中的操作誤差以及測量環(huán)境對(duì)測量操作的影響所引起的誤差。
2.1 儀器自身的精度誤差
當(dāng)水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)管軸不平行時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。盡管在實(shí)際測量前均會(huì)對(duì)儀器進(jìn)行校正，但是殘余誤差是在所難免的，所以水準(zhǔn)管氣泡處于居中的位置，相應(yīng)的水準(zhǔn)管軸處于水平位置，而此時(shí)望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸是處于傾斜的狀態(tài)，于是讀數(shù)誤差自然就會(huì)產(chǎn)生。通常視距長度和所產(chǎn)生的誤差二者為正比關(guān)系，因此在觀測時(shí)消除這種誤差可以通過距離補(bǔ)償法或者中間法來實(shí)現(xiàn)。所謂的距離補(bǔ)償法是指前視距離和與后視距離和相等，這種方法在實(shí)際操作時(shí)相對(duì)復(fù)雜，因此多采用中間法。中間法前后視距是一樣的，在實(shí)際測量時(shí)，立尺人利用普通皮尺將測量距離確定下來后再立尺。
此外，儀器自身的精度誤差還有可能是水準(zhǔn)尺造成的。水準(zhǔn)尺誤差三種：一種是由于尺長誤長，即水準(zhǔn)尺的長度不夠精確；一種是刻度誤差，即水準(zhǔn)尺上的刻度劃分不精確；還有一種是零點(diǎn)差，即水準(zhǔn)尺歸零的刻度位置錯(cuò)位等。在實(shí)際測量前，要先檢查水準(zhǔn)尺，如果尺子存在尺長誤差或者刻度誤差等現(xiàn)象，則盡量不要使用；如果在必要的情況下一定要用，則要找出水準(zhǔn)尺的誤差特點(diǎn)，要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正才能正常使用。針對(duì)水準(zhǔn)尺的零誤差，可以采用同一水準(zhǔn)段內(nèi)兩根水準(zhǔn)尺交替使用的辦法，即如果在一個(gè)測站作為后視尺用，則在下一個(gè)測站作前視尺用。而且要把測段站數(shù)尺量布置成偶數(shù)，以便于在高差中互楊抵消，并將刻度誤差與尺長誤差控制在最小的范圍。
2.2 儀器操作誤差
在測量過程中，有時(shí)候會(huì)由于人為的操作問題使得水準(zhǔn)測量產(chǎn)生較大誤差，比較常見的有以下幾種。
1）符合水準(zhǔn)管氣泡居中所產(chǎn)生的誤差：在測量過程中，如果符合水準(zhǔn)氣泡無法嚴(yán)格居中，會(huì)導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸發(fā)生傾斜，最終導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。水準(zhǔn)管的靈敏度決定了測量結(jié)果精度的高低，其中最主要的是水準(zhǔn)管分劃值J的大小。需要注意的是，視線長度與測量結(jié)果讀數(shù)誤差二者成正比關(guān)系，通常水準(zhǔn)管居中誤差為0.1 J，按照相關(guān)公式m居＝0.1.s/p，在觀測過程中，只需保證符合水準(zhǔn)管氣泡可以居中并且限制視線長度，即可消除該誤差。
2）視差：如果有視差出現(xiàn)，尺像和十字絲平面是無法重合的，在觀測過程中，眼睛所處的位置不一樣，則讀取的測量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生差異，從而出現(xiàn)讀數(shù)誤差。因此在讀取測量結(jié)果前，要先做物鏡對(duì)光，將視差的影響消除。
3）水準(zhǔn)尺的傾斜誤差：如果水準(zhǔn)尺傾斜于視線的前方，則在觀測時(shí)很容易就可以通過望遠(yuǎn)鏡十字絲發(fā)現(xiàn)這一問題。尺子傾斜的度數(shù)越大，尺子上的讀數(shù)就會(huì)越大，其對(duì)讀數(shù)的影響受到水準(zhǔn)尺傾斜解以及水準(zhǔn)尺讀數(shù)大小的影響，即水準(zhǔn)尺傾斜角度越大，對(duì)讀數(shù)準(zhǔn)確度的影響就越大；同樣的水準(zhǔn)尺讀數(shù)越大，讀數(shù)準(zhǔn)確度受其影響的程度就越大。其所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差可以通過下式來表達(dá)，即：△a=（1-r），如果r＝30，a＝1.5，則△a=2 mm。由此可見，水準(zhǔn)尺的傾斜誤差對(duì)測量結(jié)果有著很大的影響。在實(shí)際測量時(shí)，一般立鏡高度設(shè)置在1.6 m-1.7 m的范圍內(nèi)，此時(shí)讀數(shù)誤差△a就會(huì)大于2 mm。所以測量過程中的立尺非常重要，要保證水準(zhǔn)尺處于鉛垂位置，如果有圓水準(zhǔn)水泡，要保證氣泡的居中。
2.3 測量環(huán)境所導(dǎo)致的誤差
2.3.1 外界條件
假如用水平面取代水準(zhǔn)面影響高程的程度，則可以采用下列公式表達(dá)：△h=D2/（2R），其中D為視距，R為地球的半徑取6371 km；如果D為75 m，則△h為0.44 cm；如果D為100 m，則△h為8 cm；如果D為2 km，則△h為31 cm。由上述數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)水平面取代水準(zhǔn)面時(shí)，高程所產(chǎn)生的誤差要大幅度高于測量高程誤差。因此，對(duì)于高程來說，在很短距離的條件下也可用水平面來取代水準(zhǔn)面，要將地球曲率對(duì)高程的影響因素充分的考慮進(jìn)去，實(shí)際測量過程中，可以通過中間法將誤差消除。大氣折光的原因造成視線成為一條曲線，其曲率是地球半徑的七倍，使得測量結(jié)果讀數(shù)有所減小�？梢酝ㄟ^下列公式來表達(dá)，即△h＝D/2（2×7R）。當(dāng)視線與地面的距離越短，則折射就越大，所以視線和地面的至少要大于0.3 m，同樣可以通過中間法消除或者降低其對(duì)于測量精度的影響。不過實(shí)際測量時(shí)最好不要在光照較強(qiáng)的中午時(shí)段進(jìn)行，盡量選擇比較有利的時(shí)間，一天中從上午十點(diǎn)到下午四點(diǎn)之間，大氣相對(duì)穩(wěn)定，這對(duì)于消除大氣折光影響比較有利，不過中午前后時(shí)段會(huì)導(dǎo)致尺像的跳動(dòng)，同樣會(huì)對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生影響，因此最好避開這段時(shí)間；在陰天或者微風(fēng)天氣時(shí)，可以全天觀測。
2.3.2 儀器下沉
所謂儀器下沉，是在同一測站上進(jìn)行前視與后視讀數(shù)時(shí)，儀器出現(xiàn)下沉的現(xiàn)象，減小了前視讀數(shù)，使得高差有所增大。要降低儀器下沉對(duì)測量精度的影響，可以采用雙面尺法或者變更儀器高等方法，第一次測量時(shí)先將后視讀數(shù)讀出，再讀前視讀數(shù)；接下來進(jìn)行第二次測量時(shí)則將讀數(shù)的順序反過來即可。通過這種方法可以獲取兩次高差的平均值，從而將儀器下沉所導(dǎo)致的誤差控制在最小的范圍內(nèi)。水準(zhǔn)尺下沉所造成的誤差，是由于在遷移儀器的過程中，轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，在遷站完成后增大了后視讀數(shù)，相應(yīng)的高差也隨之增大。此時(shí)可以通過往返測量的方法來消除或減小誤差，因?yàn)橥鶞y的高差會(huì)增大，而反測的高差則是減小，取二者的平均值即可把水準(zhǔn)尺下沉所造成的誤差控制在最小的范圍內(nèi)。不過最有效的措施還是采用尺墊，將尺墊墊實(shí)，以避免觀測過程中水準(zhǔn)尺出現(xiàn)下沉的現(xiàn)象。
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