工程水准测量基础知识教案.doc
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水准测量基础知识培训教案
第一节水准测量原理及工程测量基础概念、工程测量的重要性
一、水准测量原理
水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，直接测定地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测得的高差，推算出未知点高程。
A
B
a
b
HA
HB
hAB
Hi
大地水准面
前进方向
图2-1水准测量原理
如图2-1所示，A、B两点间高差hAB为
（2-1）
设水准测量是由A向B进行的，则A点为后视点，A点尺上的读数a称为后视读数；B点为前视点，B点尺上的读数b称为前视读数。
因此，高差等于后视读数减去前视读数。
铁路线路的纵断面测量设计就是把铁路线路的各点中桩的高程测量出来，并绘制到一定比例尺的图上进行纵断面的拉坡设计、竖曲线设计、设计高程计算等。
在工程建设的设计、施工和管理各阶段中进行测量工作的理论、方法和技术，称为“工程测量”。
工程测量是测绘科学与技术在国民经济和国防建设中的直接应用，是综合性的应用测绘科学与技术。
按工程建设的进行程序，工程测量可分为规划设计阶段的测量，施工兴建阶段的测量和竣工后的运营管理阶段的测量。
规划设计阶段的测量主要是提供地形资料。
取得地形资料的方法是，在所建立的控制测量的基础上进行地面测图或航空摄影测量。
施工兴建阶段的测量的主要任务是，按照设计要求在实地准确地标定建筑物各部分的平面位置和高程，作为施工与安装的依据。
一般也要求先建立施工控制网，然后根据工程的要求进行各种测量工作。
竣工后的营运管理阶段的测量，包括竣工测量以及为监视工程安全状况的变形观测与维修养护等测量工作。
按工程测量所服务的工程种类，也可分为建筑工程测量、线路测量、桥梁与隧道测量、矿山测量、城市测量和水利工程测量等。
此外，还将用于大型设备的高精度定位和变形观测称为高精度工程测量；将摄影测量技术应用于工程建设称为工程摄影测量。
工程测量是直接为工程建设服务的，它的服务和应用范围包括城建、地质、铁路、交通、房地产管理、水利电力、能源、航天和国防等各种工程建设部门。
无论是工程进程各阶段的测量工作，还是不同工程的测量工作，都需要根据误差分析和测量平差理论选择适当的测量手段，并对测量成果进行处理和分析，也就是说，测量数据处理也是工程测量的重要内容。
在当代国民经济建设中，测量技术的应用十分广泛。
在很多工程建设中，从规划、勘测、设计、施工及管理和运营阶段等的决策和实施都需要有力的测绘技术保障。
在研究地球自然和人文现象，解决人口、资源、环境和灾害等社会可持续发展中的重大问题以及国民经济和国防建设的重大抉择同样需要测绘技术提供技术支撑和数据保障。
二、计算未知点高程
1．高差法
测得A、B两点间高差hAB后，如果已知A点的高程HA，则B点的高程HB为：
（2-2）
这种直接利用高差计算未知点B高程的方法，称为高差法。
2．视线高法
如图2-1所示，B点高程也可以通过水准仪的视线高程Hi来计算，即
（2-3）
这种利用仪器视线高程Hi计算未知点B点高程的方法，称为视线高法。
在施工测量中，有时安置一次仪器，需测定多个地面点的高程，采用视线高法就比较方便。
第二节水准测量的仪器和工具
水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。
国产水准仪按其精度分，有DS05，DS1，DS3，DSZ2及DS10等几种型号。
05、1、3和10表示水准仪精度等级。
图1DSZ2自动安平水准仪
一、DSZ2型精密自动安平水准仪的构造
DSZ2主要由望远镜、水准器及基座三部分组成。
1．望远镜
望远镜是用来精确瞄准远处目标并对水准尺进行读数的。
它主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板组成。
（1）十字丝分划板是为了瞄准目标和读数用的。
上丝
下丝
中丝
竖丝
十字丝分划板
（2）物镜和目镜物镜和目镜多采用复合透镜组，目标AB经过物镜成像后形成一个倒立而缩小的实像ab，移动对光透镜，可使不同距离的目标均能清晰地成像在十字丝平面上。
再通过目镜的作用，便可看清同时放大了的十字丝和目标影象a′b′。
（3）视准轴十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴CC。
视准轴的延长线即为视线，水准测量就是在视准轴水平时，用十字丝的中丝在水准尺上截取读数的。
2．水准器
（1）圆水准器圆水准器装在水准仪基座上，用于粗略整平。
圆水准器顶面的玻璃内表面研磨成球面，球面的正中刻有圆圈，其圆心称为圆水准器的零点。
过零点的球面法线L′L′，称为圆水准器轴。
圆水准器轴L′L′平行于仪器竖轴VV。
气泡
L′
L′
图2-7圆水准器
气泡中心偏离零点2mm时竖轴所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，一般为8′～10′，精度较低。
3．基座
基座的作用是支承仪器的上部，并通过连接螺旋与三脚架连接。
它主要由轴座、脚螺旋、底板和三脚压板构成。
转动脚螺旋，可使圆水准气泡居中。
二、水准尺和尺垫
1．水准尺
水准尺是进行水准测量时与水准仪配合使用的标尺。
常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。
（1）塔尺是一种逐节缩小的组合尺，其长度为2m～5m，有两节或三节连接在一起，尺的底部为零点，尺面上黑白格相间，每格宽度为1cm，有的为0.5cm，在米和分米处有数字注记。
（2）双面水准尺尺长为5m，两根尺为一对。
尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，称为黑面尺（也称主尺）；另一面为红白相间，称为红面尺（也称辅尺）。
两面的刻划均为1cm，在分米处注有数字。
2．尺垫
尺垫是由生铁铸成。
一般为三角形板座，其下方有三个脚，可以踏入土中。
尺垫上方有一突起的半球体，水准尺立于半球顶面。
尺垫用于转点处。
第三节水准仪的使用
微倾式水准仪的基本操作程序为：
安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。
一、安置仪器
（1）在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三脚架架头大致水平。
（2）从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。
二、粗略整平
通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。
具体操作步骤如下。
（1）如图2-10所示，用两手按箭头所指的相对方向转动脚螺旋1和2，使气泡沿着1、2连线方向由a移至b。
图2-10粗略整平
（2）用左手按箭头所指方向转动脚螺旋3，使气泡由b移至中心。
整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向一致，与右手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。
三、瞄准水准尺
（1）目镜调焦松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。
（2）初步瞄准通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。
（3）物镜调焦转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。
（4）精确瞄准转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央，如图2-11所示。
图2-11精确瞄准与读数
（5）消除视差眼睛在目镜端上下移动，有时可看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动，这种现象叫视差。
产生视差的原因是水准尺的尺像与十字丝平面不重合，如图2-12a所示。
视差的存在将影响读数的正确性，应予消除。
消除视差的方法是仔细地转动物镜对光螺旋，直至尺像与十字丝平面重合，如图2-12b所示。
a）存在视差b）没有视差
图2-12视差现象
四、精确整平
精确整平简称精平。
眼睛观察水准气泡观察窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合。
此时视线即为水平视线。
微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致，如图2-13所示。
图2-13精确整平
五、读数
符合水准器气泡居中后，应立即用十字丝中丝在水准尺上读数。
读数时应从小数向大数读，如果从望远镜中看到的水准尺影像是倒像，在尺上应从上到下读取。
直接读取米、分米和厘米，并估读出毫米，共四位数。
如图2-11所示，读数是1.336m。
读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。
第四节水准测量的方法
一、水准点
用水准测量的方法测定的高程控制点，称为水准点，记为BM（BenchMark）。
水准点有永久性水准点和临时性水准点两种。
（1）永久性水准点国家等级永久性水准点，如图2-14所示。
有些永久性水准点的金属标志也可镶嵌在稳定的墙角上，称为墙上水准点，如图2-15所示。
建筑工地上的永久性水准点，其形式如图2-16a所示。
图2-14国家等级水准点
图2-15墙上水准点
（2）临时性水准点临时性的水准点可用地面上突出的坚硬岩石或用大木桩打入地下，桩顶钉以半球状铁钉，作为水准点的标志，如图2-16b所示。
图2-16建筑工程水准点
a）永久性水准点b）临时性水准点
二、水准路线及成果检核
在水准点间进行水准测量所经过的路线，称为水准路线。
相邻两水准点间的路线称为测段。
在一般的工程测量中，水准路线布设形式主要有以下三种形式。
1．附合水准路线
（1）附合水准路线的布设方法如图2-17所示，从已知高程的水准点BM.A出发，沿待定高程的水准点1、2、3进行水准测量，最后附合到另一已知高程的水准点BM.B所构成的水准路线，称为附合水准路线。
BMA
BMB
h1
h2
h3
h4
1
2
3
图2-17附合水准路线
（2）成果检核从理论上讲，附合水准路线各测段高差代数和应等于两个已知高程的水准点之间的高差，即
各测段高差代数和与其理论值的差值，称为高差闭合差，即
（2-5）
2．闭合水准路线
（1）闭合水准路线的布设方法如图2-18所示，从已知高程的水准点BM.A出发，沿各待定高程的水准点1、2、3、4进行水准测量，最后又回到原出发点BM.A的环形路线，称为闭合水准路线。
BMA
h1
h2
h3
h4
h5
1
2
3
4
图2-18闭合水准路线
（2）成果检核从理论上讲，闭合水准路线各测段高差代数和应等于零，即
如果不等于零，则高差闭合差为：
（2-6）
3．支水准路线
（1）支水准路线的布设方法如图2-19所示，从已知高程的水准点BM.A出发，沿待定高程的水准点1进行水准测量，这种既不闭合又不附合的水准路线，称为支水准路线。
支水准路线要进行往返测量，以资检核。
BMA
1
hf
hb
图2-19支水准路线
（2）成果检核从理论上讲，支水准路线往测高差与返测高差的代数和应等于零。
如果不等于零，则高差闭合差为：
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