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水电站大坝安全监测管理与操作实务摘要
水电 站大 坝安 全监 测管 理与 操作 实务? ???濮久武工作简历： 从事工作： 中国华电集团浙江乌溪江水力 发电厂，从事水工建筑物安全监测 及运行管理工作二十余年。 主要经历： 从事过包括重力坝、拱坝、 支 墩坝、面板堆石坝、土坝等几十座 大坝等水工建筑物的安全监测设计、 施工、监测以及施工管理、运行期 维护管理及技术咨询等。 主要著作： 在国内水电站管理、大坝安全、 大坝监测技术、工程测绘等相关刊 物上发表过数十篇文章。水工建筑物安全监测的目的意义1）监视掌握水工建筑物的状态变化，及时发现不 正常迹象，分析原因采取措施，改善运用方式，防 止发生破坏事故，确保其安全。 ? 2）掌握水位、蓄水量等情况，了解水工建筑物在 各种状态下的安全程度，为正确运用提供依据，确 定科学合理的运行方案，发挥工程最大效益。 ? 3）及时掌握施工期间水工建筑物的状态变化，据 以指导施工，保证工程质量。 ? 4）分析判断水工建筑物的运用和变化规律，验证 设计数据，鉴定施工质量，为提高设计施工和科学 研究工作水平提供资料。?水工建筑物的现场安全监测主要分为： 巡视检查、环境量监测（水文、气象 等）、变形监测、渗流监测、应力应 变及温度监测等。安全监测工作现场观测中的“四无”是指 无缺测、无漏测、无不符合精度要求、无 违时；“五随”是指随观测、随记录、随 计算、随校核、随整理；“四固定”是指 固定人员、固定仪器、固定测次、固定时 间。巡视检查?? ? ? ??大坝的监测仪器仅能布设在大坝的局部部位,进行的监测的也只是定期 的,这就造成了空间和时间上的不连续。而大坝的缺陷并非都发生在仪 器监测的部位,也不一定发生在定期监测的时间内,所以只有把仪器监测 和巡视检查两者加以密切配合,才能确保大坝安全监测工作的实效。实 践表明水工建筑物的许多缺陷都是通过有经验的工作者在巡视检查中发 现的。 大坝安全检查分为日常巡查、年度巡查、定期检查和特种检查四种。 日常巡查是由水电厂有经验的现场专业人员对大坝进行的经常性巡视和 检查。 年度巡查由水电厂组织专业技术人员对大坝进行详细检查。 定期检查是每隔一定时间由主管单位组织运行、设计、施工、科研等有 关单位高级专业人员对大坝进行的全面检查和评价。其内容包括按照现 行规范复查原设计数据、方法及安全度；审议施工方法、质量和施工中 出现的特殊情况及其影响；复核洪水、库容、泄洪能力；全面了解和审 查大坝运行记录和观测资料分析成果；现场检查(包括水下检查)；评定 大坝的结构性态和安全状况，提出大坝安全定期检查报告。检查频次一 般为每五年一次。对没有潜在危险、结构完整、运行性态良好的大坝， 由主管单位报部大坝安全监察中心，经会商后可以减少检查频次，但间 隔时间不得超过十年。 特种检查是在特殊情况下对大坝重大安全问题的检查。环境量及水力学监测? 环境量监测包括水位、库水温、气温、降水量、冰压力、坝前淤积和下游冲刷及风向风速等监测。环境量 又称为原因量、因素或自变量，与之相应的称为效应 量、物理量、变量等。任何效应量均是对一定环境量 作用下的反应，作为安全监测工作，只有准确掌握各 环境量的变化情况才能正确分析评判相应效应量的变 化情况，据以判断建筑物的运行性态。同时根据各环 境量的变化，妥善地采取相应措施开展水工建筑物的 安全管理工作。 ? 为了解水工建筑物上、下游水流对水工建筑物的影响 及消能设施工作效能，以便改善调整运用方式，正确 地运用水工建筑物，避免发生不利的水流情况，保证 建筑物安全运行，应进行水力学监测。?变形监测一般规定水工建筑物各位移量的测量中误差不应大于下表的规定，表中位移量中误差是指 两次观测值之差的偶然误差和系统误差的综合值。
?? ? ??? ? ?变形量及应力应变量的正负号按以下规定执行： （1）水平位移：径向或上下游向（Y向）向圆心方向或下 游为正；切向或左右岸向（X向）向左岸为正。反之为负。 （2）垂直位移：下沉为正，上升为负。 （3）接缝和裂缝变位：缝开合（X向）张开为正；缝剪切 （Y向）左侧块相对于右侧块向下游为正（据工程具体情况 而有所差异）；缝沉陷（Z向）左侧块相对于右侧块向下沉 为正（据工程具体情况而有所差异）。反之为负。 对于面板坝周边缝变位：接缝开合（X向）张开为正；接缝 剪切（Y向）面板相对于趾板向坡下为正；接缝沉陷（Z向） 面板相对于趾板向下沉为正。反之为负。 （4）基岩变位：向岩体外部为正，向岩体内部为负。 （5）钢筋、混凝土应力应变：拉伸为正，压缩为负。 （6）土压力、渗流压力等：压应力为正，拉应力为负。水准仪等级分类水准仪按每公里往返测高差中数的中误差这 一精度指标为依据，划分为四个等级，分 别为S05（每公里往返测高差中数中误差 ≤±0.5mm）级、S1级、S3级、S10级。 其中S05 级水准仪如DNA03、NA3003、 NA2+GPM3、NI002 。数字水准测量系统的组成及工作原理? 一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、 补偿器、CCD传感器以及微处理控制器和相关的图像处理 软件等组成。 ? 虽然各厂家生产的数字水准仪采用的结构不完全相同，但 是其基本工作原理相似：即标尺上的条码图案经过光反射， 一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另 一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面 上；经光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信 号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的 标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度 和水平距离读数。在数字水准测量系统中，作为高程标准 其使用的数字水准标尺的编码方式、读数原理对系统测量 精度的影响是显而易见的。数字水准仪的特点? ? ? 与传统仪器相比数字水准仪有以下共同特点： 1）读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。 2）精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得 出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平 均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测 量。 3）速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数 量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。 4）效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度；视距还能自 动记录，检核。给定测量限差值，仪器可自动判断测量现差，超限时提示重 测，能自动计算线路闭合差等。测量数据与电子计算机通讯进行后处理，可 实线内外业一体化；有倒置标尺功能，适合于天花板、地下水准测量；即可 以进行自动测量（用条码标尺），又可以进行人工读数（普通标尺）。 5）在野外可方便地进行i角检验及校正。 6）在黑暗中可采用手电筒或聚光灯照亮竖立标尺的测量区。对于精密测量， 视场中心区（如1°视场角范围内）应无任何遮挡。视场内应有的编码长度与 仪器到标尺的距离有关，如Leica DNA03水准仪，距离为10m以内，在视场 内的标尺长度不允许有遮挡；距离为10~50m，在视场内的标尺长度允许有 20%边缘遮挡。??? ?水准测量误差来源? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一、仪器误差 （1）水准仪的交叉误差 （2）水准仪的 i角误差 （3）平行玻璃板测微器的误差 （4）水准尺的尺长误差 （5）两水准标尺的零点误差 二、观测误差 三、外界因素导致的误差 （1）温度变化对仪器的影响 （2）仪器脚架升沉的影响 （3）尺台升沉的影响 （4）大气折光的影响大坝沉陷观测? 国家一、二等水准测量测站观测顺序：后―前―前―后 ；前― 后―后―前。 ? （1）大坝垂直位移观测中，对于各转点为稳定的水准点、硬质路 面水准线路，通视情况良好，观测线路不长时间较短的情况，精密水 准测量亦可采用，往测时奇数测站后―后―前―前；偶数测站前― 前―后―后的观测顺序，以提高观测速度。返测时两支标尺必须互换 位置，各测站观测以始终先照准往测时先照准的某支标尺为原则，即 当该水准线路的测站数为偶数的，返测时，奇、偶测站照准标尺的顺 序分别与往测偶、奇测站相同；当该水准线路的测站数为奇数的，返 测时，奇、偶测站照准标尺的顺序分别与往测奇、偶测站相同。 ? （2）各测站仪器安置时，始终（往返测均同样）将水准仪物镜 朝向某支固定的水准标尺进行整平。 ? （3）两水准标尺的零点误差不等称为一对标尺零点不等差，其 对一测站往返测不符值的影响较为明显。三角高程测量? 精密水准法测定测点的高程虽然精度高，但工作量大、速度较 慢，且必须要具备通行条件良好的水准线路，在起伏变化较大 的山区，精密水准就很难得以实施。这时便可采用三角测量的 方法测点高程。三角高程测量的基本思想是根据由测站向照准 点所观测的垂直角（或天顶距）和它们之间的水平距离，计算 测站点与照准点之间的高差。这种方法简便灵活，受地形条件 的限制较少，故适用于测定三角点的高程。在大地测量中，三 角点的高程主要是作为各种比例尺测图的高程控制的一部分， 一般都是在一定密度的水准网控制下，用三角高程测量的方法 测定三角点的高程。传统的三角高程测量的边长一般是由三角 网的已知边通过三角测量推算而得，随着光电测距技术的快速 推广应用，三角高程测量的边长可直接由光电测距仪测定，从 而大大提高了三角测量的精度，这就是EDM（Electronic Distance Measurement，电子距离测量）三角高程测量。近几 年在工程测量中EDM三角高程测量技术不断发展，观测精度已 得到了很大的提高，部分工程已替代了二等水准的测量。图1-38 三角高程测量单向观测计算高差的基本公式? h1, 2 ? S 0 tg? 1，21 2 K 2 ? S 0 ? i1 ? S 0 ? v2 2R 2R? S 0 tg? 1，21? K 2 ? S 0 ? i1 ? v 2 2R?令式中＝C，C一般称为球气差系数。（1）观测方法? 如图1-41，将经纬仪或全站仪安置于工作基 点C上，用钢尺量取仪器视准轴中心到基点 顶面的距离K，观测P点的垂直角τ。观测时 上半测回依次照准P1、P2、P3……等各位移 测点。垂直角观测之具体要求见附录中的有 关内容。 ? 在变形监测中，P点的高程可按下式计算 ? HP＝Hc ＋ K ＋ L×tgτ ? HP相对于Hc的高差为 h ＝k ＋ L×tgτ图1-41 三角高程观测（2）计算方法 累计沉陷量△H ＝首次HP―本次HP ＝首次h ―本 次h 间隔沉陷量△H ＝上次HP―本次HP （3）垂直角观测要求 每一方向采用“双照准法”观测。各测次横丝照准目 标的部位应固定不变，且在手簿上注记或绘草图说明； 所用的钢尺应无零点差且保持不变。经纬仪等级分类经纬仪按野外一测回水平方向中误差这一精 度指标为依据，划分为五个等级，分别为 J07（一测回水平方向中误差≤±0.7”）、J1、 J2、J6、J15级。 J1级经纬仪如WILD T3光学经纬仪以及 全站仪TC（A）00的测角部 分。方向观测法???方向观测法的特征是在一个测回中把测站上所有要观测的 方向逐一照准进行观测，并在水平度盘上读数，求出各方 向的方向观测值。三角网计算时所需要的水平角均可从有 关的两个方向观测值相减得出。 设在测站上有1，2…… P个方向要观测，并选定边长适中、 通视条件良好、成象清晰稳定的方向1作为观测的起始方 向（又称零方向）。上半测回用盘左位置先照准零方向， 然后按顺时针方向转动照准部依次照准方向2，3…… P再 闭合到方向1，并分别在水平度盘上读数。下半测回用盘 右位置，仍然先照准零方向1，然后逆时针方向转动照准 部按相反次序照准方向P……2，1，并分别在水平度盘上 读数。 除了观测方向数较少（规范规定不大于3）的站以外，一 般都要求每半测回观测闭合到起始方向（如以上所述的观 测程序）以检查观测过程中水平度盘有无方位的变动。此 时每半测回观测构成一个闭合圆，所以这种观测方法又称 之为全圆方向观测法。角度测量误差来源???有仪器误差的影响包括：（1）仪器本身误差：1）照准 部偏心差、2）度盘刻划误差、3）视准轴误差C、4）横 轴误差、5）竖轴倾斜误差δ；（2）观测过程中仪器导致 的误差：1）水平度盘位移的影响、2）照准部旋转不正 确的影响、3）照准部水平微动螺旋作用不正确的影晌、 4）垂直微动螺旋作用不正确的影晌。 观测误差的影响包括：（1）照准误差；（2）读数误差； （3）仪器对中误差；（4）目标偏心误差。 外界因素的影响包括：（1）大气层密度的变化和大气透 明度对目标成象质量的影晌；（2）旁折光的影响；（3） 照准目标的相位差；（4）温度变化对视准轴的影响； （5）外界条件对觇标内架的影响。精密测角的一般原则? ? ??? ? ? ? ?为了最大限度地减弱或消除各种误差的影响，在精密测角时应遵循下列原则： 1）观测应在目标成象清晰、稳定的有利于观测的时间进行，以提高照准精度和减 小旁折光的影响； 2）观测前应认真调好焦距，消除视差。在一测回的观测过程中不得重新调焦，以 免引起视准轴的变动； 3）各测回起始方向应均匀地分配在水平度盘和测微分划尺的不同位置上，以消除 或减弱度盘分划线和测微分划尺的分划误差的影响； 4）在上、下半测回之间倒转望远镜，以消除和减弱视准轴误差、水平轴倾斜误差 等的影响。同时由盘左、盘右读数之差求得两倍视准轴误差（2C），以检核观测 质量； 5）上、下半测回照准目标的次序应相反，并使观测每一目标的操作时间大致相同， 即在一测回的观测过程中，应按与时间对称排列的观测程序，其目的在于消除或 减弱与时间成比例均匀变化的误差影响，如觇标内架或三脚架的扭转等； 6）为了克服或减弱在操作仪器的过程中带动仪器基座位移及弹性扭曲导致水平度 盘位移的误差，每半测回开始观测前，照准部按规定的旋转方向先转动1~2周； 7）用望远镜垂直丝精确照准目标时，应将目标置于水平丝附近，照准各方向目标 时应在同样位置。照准目标尽量不要使用垂直制动和微动螺旋。使用照准部微动 螺旋和测微螺旋时，其最后旋转方向均应为旋进； 8）为减弱垂直轴倾斜误差的影响，观测过程中应保持照准部水准器气泡居中。当 使用J1和J2型经纬仪时，若气泡偏离水准器中心一格时。应在测回间重新整平仪 器。这样做可以使观测过程中垂直轴的倾斜方向和倾斜角的大小具有偶然性，以 便在各测回观测结果的平均值中可以指望减弱其影响。方向观测法测站平差?? ?一测回方向观测中误差μ ? v ? ?k ? v ? ? ?1.253n m?m ? 1? nk??式中n为包括零方向在内的方向个数， m?m ? 1? 随着测回数m的不同而变化，可以预先算好，如m ＝9，k＝0.147；m＝12，k＝0.109等。 m测回方向值中数的中误差为M ??1.253?m电磁波测距基本原理?? ?电磁波测距是通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间t2D来计算 待测距离 D的，其基本公式为 1 D ? ct 2 D 上式中c是电磁波在大气中的传播速度，它取决于电磁波的波长 2 和观测时测线上的气象条件。 电磁波在测线上的住返传播时间t2D，可以直接测定，也可以间接测定。 直接测量电磁波传播时间是用一种脉冲波，它是由仪器的发送设备发射 出去，被目标反射回来，再由仪器接收器接收，最后由仪器的显示系统 显示出脉冲在测线上往返传播的时间t2D或直接显示出测线的斜距，这种 测距仪器称为脉冲式测距仪。它操作比较方便，但由于脉冲宽度和计数 器时间分辨能力的限制，直接测量时间只能达到10-8s，其相应的测距精 度约1~2m。为了进一步提高测距精度人们采用间接测定的办法。间接测 定电磁波传播时间是采用一种连续调制波，它由仪器发射出去，被反射 回来后进入仪器接收器，通过发射信号与返回信号的相位比较，即可测 定调制波往返于测线的迟后相位差中小于2π的尾数。用几个不同调制波 的测相结果便可间接推算出传播时间t2D，并计算（或直接显示）出测线 的倾斜距离。这种测距仪器叫做相位式测距仪。目前这种仪器的计时精 确度达10-10 s以上，从而使测距精度提高到1cm左右，可基本满足精密 测距的要求。现今用于精密测距的激光测距仪和微波测距仪属于这种相 位式测距仪。相位式测距仪的基本公式?相位式测距仪（图1-69中的A）发射出一种作为载波的光（或微波）的连续调制波。调 制波通过测线到达反射器（图1-69中的B），经反射后被仪器接收器接收。测距信号在 经过往返距离2D后，相位延迟Φ。为便于叙述起见，将往程与返程的信号波形图摊平， 如图1-70所示。D?c ? ?? ? ?N ? ? ? u?N ? ?N ? 2f ? 2? ?图1-70 调制波往返测线上式中u?c 2f是半波长；N为整周数，而 ?N ??? 2?是不足一周的尾数。棱镜反射器出射光与入射光在不同的投影面上都保持平行，那么它们在空间也必然是相互平行的。正 因为棱镜具有此项特点，故观测斜距时棱镜只须粗略对准测线方向就可以了。电磁波测距观测结果的化算电磁波测距的现场观测结果，即距离初步值 D0，必须加上各项改正之后，才能化算为两标石 中心投影在参考椭球面（或测区某指定高程面） 上的正确距离。这些改正大致可分三类：第一类 是由仪器本身所造成的改正，有仪器的①加常数 改正k、置平改正SDα（适用于测距仪）、②频率 改正SDf和③周期误差SDφ改正；第二类是因大 气折射而引起的改正，有④气象改正SDn和波道 弯曲改正SDρ（徕卡全站仪观测到的距离已加入 了此向改正）；第三类是属于归算方面的改正， 即归心改正SDe、⑤倾斜改正和投影到椭球面 （或测区某指定高程面）上的改正SDs。?Dn气象改正 （ 4）? 徕卡TPS100/00系列全站仪气象改正公式0.29195? P 4.126? 10?4 ? h ?Dn ? [283.04 ? ( ? ? 10x )] ? 10?6 ? D0 1?? ?t 1?? ?t（1-81）?式中（5）倾斜改正和投影到椭球面上的改正 ?Ds1）倾斜改正 2）光电测距倾斜改正（平距化算）严密公式 3）测线长度投影到椭球面上的改正铟瓦基线尺丈量所得的经倾斜改正后的测线长度是沿 测线平均高程面上的水平长度D；徕卡全站仪观测到的平 距已化算成测站高程面上的弦长；日本品牌的全站仪观测 到的平距已化算成测站与镜站平均高程面上的弦长；光电 测距所测的斜距可化算成某高程面上的弦长。这些长度投 影到参考椭球面（或测区某指定高程面）上还需进行投影 改正。图1-74表示沿测线方向的剖面，RA表示沿测线方向的参考 椭球面曲率半径；是大地水准面超出参考球面上的高度， 表示测线平均高程。由图1-74知D1 RA ? D R A ? H m ? hm图1-74 测线长度投影（6）参考椭球面上水平距离的计算??设参考椭球面上的水平距离以S表示，则 S ? D0 ? (K ? ?D? ? ?De ? ?D? ) ? (?Dn ? ?D? ) ? (?D f ? ?Ds ) （1-89）应当指出，以上各项改正并非项项都要计算，根据仪器情况， 边的长短和测边的精度要求，有些项实际不存在（如采用全 站仪时一般不存在置平改正、一般情况下没有归心改正、而 波道弯曲改正在全站仪观测中已经考虑了）或本身过小时， 也就无需计算；属于各测回不同的改正计算（如），则必须 在各测回内分别计算，而其余的改正数各测回都有是一样的， 则可在最后一次计算。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?例1-2 某工程TCA1800全站仪经检定后数据为 周期误差振幅A＝1.0mm、初相角θ＝136.80°，加常数K＝－0.8mm、乘常 数R＝? 1.2 ?10 ? D 。 观测时的测站和镜站平均气象条件为t＝24.8℃、p＝960.1mb、h＝60%。 测站、镜站高程为HA＝444.1756、HB＝460.2339。观测初步值D0＝ m。求其在450m高程面投影的水平距离S。 根据式（1-89） 加常数改正K＝－0.8mm 频率改正 ?D f ＝ ? 1.2 ?10 ? D ＝2.421881mm 周期误差改正 ?D? ＝ Asin（Sφi＋θ）＝1.0 sin（Sφi＋θ）， 式中Sφi＝ L ? 2? ? 1.2345? 2? ＝148.14° u 3 故 ?D? ＝ Asin（Sφi＋θ）＝1.0 sin（148.14＋136.80°）＝－0.966196mm 气象改正根据（1-81）式计算，得＝53.853190mm 经上述各项改正后的斜距为 D＝－0..＋0.＝ 91m。 已知高差h，可根据（1-84）式计算测站、镜站平均高程面上的水平长度（弦 长） ＝41，式中R取6370km。再将其投影到450m高程面，最后得 D S＝ /（6370000＋（HA＋HB）/2）×17.m。 D 例中小数取位取至 0.000001mm，是为了验证计算公式的具体使用情况，实 际工程计算过程中只需取至0.01mm，最后结果取至0.1mm。?6?60i电磁波测距误差来源及其影响?电磁波测距中的各项误差影响，就其影响方式来讲， 有些误差影响是与距离成比例的，如m ，m 和 m 等项 误差影响，这些误差称为“比例误差”，另一些误差 m m m， 影响与距离长短无关，如 和 等项误差影响， 称为“固定误差”。另一方面，就各项误差影响的性 m m m 质来讲，有系统性的，如 ， , 以及 中一部分；也 m m m 有偶然性的，如 ， 以及 中另一部分。对偶然性 误差影响，可以采取不同条件下的多次观测来削弱其 影响，而对系统性误差影响则不然，但可以事先通过 精确检定，缩小这类误差的数值，达到控制其影响的 目的。c0fn?kec0fn?en（1）比例误差1）光速值c0的误差 2）调制频率f的误差 3）大气折射率n的误差?大气折射率n的误差是由于确定测线上平均气象元素（P，t，e）的不正确而 引起，这里包括测定误差及气象元素代表性误差（即测站与镜站上测定值之 平均，经过前述的气象元素代表性改正后，依旧存在的代表性误差）。各气 象元素对n值的影响，可按（1-96）式分别求微分，并取中等大气条件下的数 值（P＝760mmHg，t＝20℃，e＝10mmHg）代入后，得dni ? ?0.95 ? 10?6 dt ? ? dnP ? ?0.37 ? 10?6 dP? ? dnl ? ?0.05 ? 10?6 de ?? ?（1-97）?? ?由此可见，激光测距中温度误差对折射系数的影响最大。当dt＝1℃时，dnt ＝－0.95×10-6，由此引起的测距误差约一百万分之一。其次是气压误差的 影响，当Dp＝2.5mmHg时，dnp＝＋0.93×10-6，这也使测距误差达一百万 分之一。影响最小的是湿度误差。 对于微波测距来说，它的大气折射系数公式为 5748 ? （1-98） ?n ? 1? ? 10?6 ? 103.49 ?P ? e? ? 96.26 ? ?1 ? ?e273.2 ? t 278.2 ? t ? 273.2 ? t ??同样，上式分别对P，t，e求微分，并取中等大气条件下的数值（P＝ 760mmHg，t＝20℃， e＝10mmHg）代入后，得? ? dnP ? ?0.35 ? 10?6 dP? ? dnl ? ?0.6 ? 10?6 de ? dni ? ?1.4 ? 10?6 dt? ?（1-99）?????将（1-93）式与（1-91）式作一比较，可以看出：温度、气压的误差对激光 测距和微波测距的影响不相上下，但水汽压对二者的误差影响则相差十分悬 殊，即对激光测距的影响可忽略不计，而对微波测距的影响相当显著。设想 干湿球温差（t－t′）的测定误差为1℃，则算得水汽压误差de＝0.50mmHg， 由此引起大气折射系数的误差dn1＝6.1×10-6×0.50＝3.0×10-6，从而产生 dD 测距相对误差 ，显然，这是一个相当可观的误差影响。 ? 3 ? 10 D 从以上的误差分析来看，正确地测定测站和镜站上的气象元素，并使算得的 大气折射系数与传播路径上的实际数值十分接近，从而大大地减少大气折射 的误差影响，这对精密中、远程测距乃是十分重要的。因此，在实际作业中 必须注意以下几点。 a. 气象仪表必须经过检验，以保证仪表本身的正确性。读定气象元素前，应 使气象仪表反映的气象状态与实地大气的气象状态充分一致。温度应读至 0.2℃，其误差应小于0.5℃，气压读至0.5mmHg，其误差应小于1mmHg。对 于微波测距，还要正确地测定干湿球温差，其误差也希望小于0.5℃。这样， 由于气象元素的读数误差引起的测距误差，对激光测距可望小于1×10-6，对 微波测距可望小于2×10-6。 b. 气象代表性的误差影响较为复杂，它受到测线周围的地形、地物和地表情 况以及气象条件诸因素的影响。为了消弱这方面的误差影响，选点时，应注 意地形条件，尽量避免测线两端高差过大的情况，避免视线擦过水域；观测 时，应选择在空气能充分调和的有风之天或温度比较均匀的阴天。必要时， 可加设中间点测定温度。 c. 气象代表性的误差影响，在不同的时间（如白天与黑夜），不同的天气 （如阴天和晴天），具有一定偶然性，有相互抵消的作用。因此，采取不同 气象条件下的多次观测，也能进一步地削弱气象代表性的误差影响。?6（2）固定误差? 1）归心或对中误差m l ? 2）仪器加常数误差m k ? 3）测相误差mΦ精密光电测距? ? ? ? ? ? 1）测距作业 在测站上安置测距仪（全站仪），镜站安置配套棱镜（镜面对向仪器）。观测开始（及结束）时， 测定气象元素，并根据需要对仪器的气象改正进行设定。 将仪器瞄准棱镜中心（平距观测时，应使仪器横丝精确照准棱镜中心），开始测距。观测平距时必 须采用盘左、盘右分别进行，以消除垂直角观测中的仪器竖盘指标差等（参见垂直角观测）。斜距 与垂直角分开观测时测距作业可只进行仪器单面观测 精密距离测量采用往返观测，往返各观测二至四个测回，一测回为照准目标一次，读数四次。观测 平距时每次读数应使仪器横丝精确照准棱镜中心。 2）气象元素的测定 测距作业前，应预先打开温度表和气压表。温度表必须悬挂在离地面1.5m左右或与测距仪近似高、 不受阳光直射、受辐射影响小和通风良好的地方（操作者及仪器周围障碍物应远离温度表球部至少 半米）。在使用通风干湿温度表时，须经过15~30min后方能开始观测，观测时将通风器的发条上 紧，等通风器转动2~4分钟（应按其使用说明上所定的通风时间，此时通风速度不得小于2.5m/s） 以后，进行温度表的读数精确到小数一位，并将读数进行修正（按相应有效检定证书所列的修正 值）。 温度表读数时，观测者应站在下风方，读数要迅速准确。在野外使用时如风速大于3m/s应在通风干 湿度表通风器的迎风面上套上一个风挡，以防止大风对于通风速度的不良影响。 气压表测读时必须水平放置，要防止指针搁滞。读数前用手指轻轻扣敲仪器外壳或表面玻璃，以消 除传动机构中的摩擦。观测时指针与镜面指针像重叠，此时读数精确到小数一位。读取气压表上的 温度值以进行温度订正。 气压值的求算应经过温度、示度、补充等项的订正（按相应有效检定证书所列的修正值）。 3）观测成果的重测和取舍 凡超出限差的观测成果，均要进行重新观测。 当一测回中读数较差超限时，可重测2个读数，然后去掉一大一小取平均。重测超限时，整测回应 重新观测。 当测回间较差超限时，可重测2个测回，然后去掉一大一小取平均，当重测后测回差仍超限时，重 测该测距边的所有测回。 往、返（或不同时段）较差超限时，应分析原因后，重测单方向的距离，若重测还是超限，重测往、 返两方向的距离。? ? ? ? ? ???变形观测手簿的记录和计算要求? ? 1）手簿中的原始数据和记事项目，必须在现场用铅笔或钢笔记录，记录者必须对观测 者的读数进行复诵，严禁凭记忆补记。手簿的计算和检查必须在离点前做完。 2）一切数字、文字记载均应正确、清楚、整齐、美观。凡需更正错误，均应将错字整 齐划去，并在其上方填写正确文字或数字，严禁随手涂擦。对超限的成果须注明原因 和重测结果所在页数，对重测记录，则需加注“重测”字样。书写的文字、符号和单 位均应符合国家颁布的有关标准。 3）对原始记录的秒值（毫米数）不得做任何涂改，原始记录的度、分（米、分米）确 属读错、记错，可在现场更正，但同一方向（测站）内不能有两个相关的数字连续划 改。 4）外业手簿中，每点的手页，应记载测站名称、等级、觇标类型等。每一观测时间段 的首末页上端各项，均须记载齐全。 5）精密三角测量和精密导线测量记录和计算的小数位：采用TC（A） 00全站仪观测水平及垂直角读数到0.1″/0.1″/1″、计算到0.01″，采用 T3/J2型仪器观测水平及垂直角读数到0.1″/1″、计算到0.01″；精密水准测量记录和计 算的小数位：读数到0.1mm、计算到0.01mm；最后计算的平面坐标、高程及变形量等 成果取至0.1mm。 6）精密距离测量中，每测回要记全数一次，厘米和厘米以下的数字不得更改；边长读 数至0.1mm，计算至0.01mm；温度读至0.1℃，气压读至0.1hpa（毫巴）；仪器高和 镜高，读至0.1mm。 7）有条件时应首先考虑采用电子记录，电子记录时必须按照有关电子记录基本规定执 行。有关的测站、测点名称应进行必要的注记。记录在记录器中的原始数据必须及时 录入到计算机中并进行资料的计算整理。 采用电子记录时，必须建立各项目记录模板，每次记录时打开相应项目记录模板（可 选择“文件”菜单的“新建”命令，单击“本机上的模板”，选择所要的记录模板） 进行记录。严禁打开原有的记录文档进行编辑记录。???? ? ?
全站仪及其特性全站仪又称全站型电子速测仪、电子全站仪，是一种兼有电子测距、电子 测角、计算和数据自动记录及传输功能的自动化、数字化的三维坐标测量 与定位系统。全站仪精度指标? ? ? 在所有全站仪测距部分标称精度指标的表达式中，均使用±（A＋BD）的形式，如徕卡TC2003系 列为±（1mm＋1ppm×D）。显然，该精度表达形式由以下两部分组成： A，代表固定误差，单位为mm。它主要由仪器加常数的测定误差、对中误差、测相误差等引起。 固定误差与测量的距离无关，即不管实际测量距离多长，全站仪将存在不大于该值的固定误差。全 站仪的这部分误差一般在1mm~5mm之间； BD，代表比例误差。它主要由仪器频率误差、大气折射率误差引起。其中B的单位为&ppm& （PartsPerMillion），是百万分之（几）的意思，它广泛地出现在国内外有关技术资料上。它不是 我国法定计量单位，而仅仅是人们对这一数学现象的习惯叫法。全站仪B的值由生产厂家在用户手 册里给定，用来表征比例误差中比例的大小，是个固定值，一般在1ppm~5ppm之间；D的单位为 “km”，即1×106mm，它是一个变化值，根据用户实际测量的距离确定，它同时又是一个通用值， 对任何全站仪都一样。由于D是通用值，所以比例误差中真正重要的是“ppm”，通常人们看比例部 分的精度也就是看它的大小。 B和D的乘积形成比例误差。一俟距离确定，则比例误差部分就会确定。显然，当B为1ppm，被测 距离D为1km时，比例误差BD就是1mm。随着被测距离的变化，全站仪的这部分误差将随之按比例 进行变化，例如当B仍为1ppm，被测距离等于2km时，则比例误差为2mm。 固定误差与比例误差绝对值之和，再冠以偶然误差±号，即构成全站仪测距精度。如徕卡TPS1100 系列全站仪测距精度为2mm＋2ppm×D。当被测距离为1km时，仪器测距精度为4mm。换句话说， 全站仪最大测距误差不大于4mm；当被测距离为2km时，仪器测距精度则为6mm，最大测距误差不 大于6mm。 特别需要指出的是，全站仪的标称精度指标是一种误差限差的概念，也就是说每台全站仪测距误差 不得超过生产厂家提供的标称精度指标。所谓不得超过，可能出现的情况是，有的仪器实际误差接 近于这个限差，也可能有的小于或远小于这个限差，因此决不能把某台仪器的标称精度当作该仪器 的实际精度。没有误差的全站仪是不存在的，但标称精度一样的全站仪其实际精度，即存在的实际 误差却不同，有的相差还很大。据资料统计表明，相当多的徕卡全站仪的实测精度高于标称精度一 倍以上。 目前的TC（A）等全站仪使用初期其实测及检定测距精度与其标称精度相比一般均在0.7 倍以下，许多仪器仅0.5倍以下。随着使用期的延长，其精度会略微有所下降。????国家计量检定规程（JJG100―2003）将全站仪及电子经 纬仪的准确度划分为4个等级，见表1-29。?全站仪测距气象改正? ? ??全站仪在测距作业中必须进行气象改正，即通过测量作业现场的温度 T（Temperature）和气压P（Pressure）以及湿度H（Humidity，该项 仅在高精度测量时使用），按照一定的气象改正公式，求出气象改正 数ppm以及距离改正数△D。 不同厂家的全站仪，其气象改正公式也不同。 全站仪的气象改正是在标准气象条件的基础上进行的。为了便于用户 的使用，厂家选定更接近作业现场的气象条件作为仪器标准气象条件。 在标准气象条件下，全站仪的气象改正ppm值为零。如徕卡全站仪选 T＝12℃，P＝1013.25mbar（760mmHg），H＝60％作为标准气象 条件，此时的气象改正值ppm＝0。也有的厂家温度T选15℃（如拓普 康）或20℃（如捷创力），但气压P一般都选1013.25mbar。实际测 量时，现场的气象条件一般会与标准气象条件有所不同，因此通常所 说的气象改正就是指对相对标准气象条件变化的改正。 1013.25mbar约相当于0m高程的气压值，在0~2000m范围内，高程 每升高8~10m，气压一般减小约1mbar；在m范围内，高 程每升高10~13m，气压一般减小约1mbar。但即使同一高程，随着 气象条件的变化，其气压值一般会变化20~60mbar。全站仪的三轴补偿???细心的全站仪用户常常提出这样一个问题：在固定照准部的情况下， 当转动望远镜上下俯仰的时候，发现水平角的读数在不断地变化。这 个变化，有的仪器几秒，也有的仪器可达十几秒甚至几十秒。他们纳 闷，俯仰望镜时，由于仪器在水平方向没有转动，引起读数变化的应 该是垂直角，可是为什么水平方向也跟着变呢？他们怀疑是不是仪器 出了毛病，因此不敢相信显示数据的准确性。 长期以来，人们使用的电子经纬仪和全站仪，如徕卡的T2000S， TC2000等，在上述情况下，水平方向都不会发生什么变化。可是全 站仪技术发展到今天，全站仪性能大大提高，然而其水平方向反而不 稳定了，这到底是怎么一回事？ 其实这正是当今全站仪性能提高的一个表现。补偿器是用来补偿由于 经纬仪垂直轴倾斜而引起的读数误差的。老式的单轴补偿器，仅仅能 补偿垂直方向的读数误差，尔后出现自动双轴补偿器，则可以同时补 偿垂直方向和水平方向的读数误差。但这都是对垂直轴倾斜的补偿。 1989年徕卡推出的T3000以及其后的徕卡全站仪（低精度的除外）， 则不仅能补偿经纬仪垂直轴倾斜引起的垂直度盘和水平度盘读数误差， 而且还能补偿由于水平轴倾斜误差和视准轴误差引起的水平度盘读数 影响。通常称为“三轴补偿”。这也使改善水平方向读数因素或者说 望远镜转动时水平读数变化的因素增加到三个。下面简要解释这三种 因素的原理。1）双轴补偿?双轴补偿垂直轴倾斜量分解成视准轴方向和水平轴方向两个分量。视准轴方 向的分量影响垂直度盘读数，水平轴方向的分量影响水平度盘读数，其影响 为，其中为目标点的垂直角。从式中可以看出，这种影响主要表现在望远镜 偏离水平面时，如前所述，当望远镜水平瞄准时，横向倾斜实际上对水平度 盘没有影响。但倾斜瞄准时，该影响就明显增加（如望远镜倾斜45°时，1′ 横向倾斜引起1′ 的水平方向误差）。因此如果补偿器设置成双轴补偿，当望 远镜转动时，即使照准部不动，仪器也会自动补偿垂直轴倾斜而引起的水平 度盘读数误差，水平方向读数会不断地变化。2）水平轴倾斜误差???水平轴倾斜误差又称横轴误差或倾斜轴误差（tilting－axis error）。其引起的 主要原因是由于安装或调整不完善致使支承水平轴的二支架不等高。水平轴 两端的直径不等也是一个原因。由于仪器存在着水平轴误差，当整平仪器时， i 垂直轴垂直，而水平轴不水平，这就会对水平方向引起观测误差。若△为水 i 平轴倾斜误差对水平方向观测读数的影响，则有 △ i ＝ i ? tg? 显然，△i 的大小不仅与 i 角的大小成正比，而且与目标点的垂直角 ? 有关。3）视准轴误差? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ?视准轴误差又称照准误差，也就是人们常说的“C”角。它产生的原因是由于安装和调整不当，望远镜的十字丝中 心偏离了正确的位置，结果是视准轴与水平轴不正交，引起了测量误差，它是一个固定值；外界温度的变化也会 引起视准轴位置的变化，这个变化则不是一个固定值。若令△C 为视准轴误差C 对水平方向观测读数的影响，则 有： △C＝C / cos ? 显然，视准轴误差对水平方向读数的影响不仅与视准轴误差C 成正比，而且也与目标点的垂直角有关。当垂直角 为零度时，△C＝C，即视准轴误差与它所引起的水平方向读数误差是相同的。此时可通过盘左盘右的观测值之 差来求得，即： L－R±180°＝2C 需要说明的是，有的资料为了解释的方便，并没有严格区分△C 和C，只是讲C 的变化依赖垂直角的变化，但这 并不妨碍对此问题的理解。 为了消除上述三种因素的影响，简化角度观测程序。将过去往往需正、倒镜观测才能消除的一些误差自动进行修 正，提高单面观测的精度，除徕卡仪器外，还有宾得的PTS－V2以及捷创力的Geodimeter 500／600系列等仪器， 都使用了三轴补偿的方法。其采取的手段是用双轴补偿的方法来补偿垂直轴倾斜引起的垂直和水平度盘的读数误 差，用机内计算软件来改正因横轴误差和视准轴误差引起的水平度盘读数误差。此改正通过下述参数进行计算: ―已被确定和存储在仪器里的最新视准轴误差和水平轴（横轴）误差； ―垂直轴倾斜、视准轴横向偏离的瞬间成份。 具有三轴补偿的经纬仪或全站仪用下述公式来显示角度值 HzT＝ Hz0＋C / cos ＋（ ＋ ）? tg S i ? ? t 式中 HzT ―显示的水平度盘读数； Hz0 ―电子度盘传感器测得的值。 对于只能对垂直角进行单轴补偿的老式电子经纬仪和全站仪来说，如T2000S和TC2000，没有改正上述三种因素 的功能，人们看到无论望远镜怎么转，它们的水平方向读数都不变化，并不是因为这种仪器稳定可靠，其实是仪 器没有能力进行这方面改正的缘故。 对于仅有双轴补偿的仪器来说，只能改正垂直轴倾斜引起的垂直和水平读数误差。当补偿器关闭以后，无论如何 转动望远镜，水平读数也不会变化。 全站仪在工作时，其垂直角的改正，一是使用存储的指标差，二是使用垂直轴在视准线方向的倾斜量。4）全站仪的三轴补偿?全站仪的补偿改正是通过补偿器自动测定垂直轴 倾斜的瞬时值补偿垂直轴倾斜引起的垂直、水平 度盘读数误差，同时通过已被确定并存储在仪器 里的最新水平轴误差、视准轴误差以及竖盘指标 差等用仪器内计算软件来改正仪器轴系误差引起 的水平及垂直度盘读数误差的。故仪器补偿器本 身的误差、仪器轴系误差中的水平轴误差、视准 轴误差C及竖盘指标差等，应通过定期的检测进行 修正以使仪器达到最佳工作状态。尽管上述误差 不能调整到零，但通过盘左及盘右观测取均值的 方法均能消除上述补偿及各项轴系误差。ATR自动目标识别及定位? ? 1）原理 象测距仪那样，自动目标识别（ATR）部件以同样的方法安装在TCA系 列全站仪的望远镜上。红外光束通过光学部件被投影在望远镜上，从物镜口 发射出去。反射回来的光束，由内置的CCD相机接收，其位置以CCD相机的 中心作为参考点来精确地确定。假如CCD相机的中心与望远镜的光轴的调整 是正确的，则以ATR方式测得的水平方向和垂直角，可从CCD相机上光点的 位置直接计算出来。 采用ATR时，视准线和CCD相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差即 为ATR准直差（照准差）。ATR照准差在盘左和盘右观测时等值同号，即始 终偏向目标棱镜的同一侧，且不论距离的远近其偏离的角值是相等的，故不 能通过盘左及盘右观测取均值的方法得以消除，尤其在垂直角观测时ATR照 准差直接传递到垂直角观测值中，而水平角计算时因各水平方向观测值相减 后能将ATR照准差基本消除。 ATR照准差的校准是提高其测量精度的重要一环。常规的ATR校准工作 允许检查和测定CCD相机的中心与望远镜光轴的重合度。测定ATR的照准差， 必须人工将望远镜对准棱镜中心。视准线（十字丝）和CCD相机中心之间在 水平和垂直方向上的偏差由仪器计算出来。校准过程中的偏差改正被应用在 ATR方式下的角度测量上。当度盘扫描系统进行测量时，这些改正数被用来 改正相对于视准线的值。 如果在测角中既用ATR方式，又用人工方式，检查和测定ATR照准差则是 十分必要的。因为只有在这种情况下，两种方法才能达到最佳匹配。ATR校 准可通过仪器上的校准对话框进行。???? ? ????2）精确定位 三个顺序进行的过程形成了精确定位的特点：搜索过程、目标找准过程和测 量过程。 在手动对棱镜粗略进行照准后，ATR的精确定位将是完全自动的。首先ATR 检查粗略的棱镜是否位于望远镜的视场里面，如果他探索不到棱镜，它将从 头开始搜索过程即望远镜进行螺旋式的连续运动。扫描的速度可以选择以便 使被扫描区域里影像之间没有间隙。一旦探测到棱镜，望远镜马上停止运动。 整个扫描和识别的时间大约2~4秒钟。如图1-78所示。ATR的感应区位于望远 镜的中心，大约占三分之一的视场。在此感应区内，ATR可立即识别出棱镜。 当使用ATR测量技术的时候，为了减少测量时间，没有必要十分严格地手动 照准棱镜中心来确定水平方向和垂直角。定位时，马达螺旋式地转动望远镜 来照准棱镜的中心并使之处于预先设定的限差之内，一般情况下，十字丝只 是位于棱镜中心附近。他之所以没有定位于棱镜中心，是为了优化测量速度。 因为定位棱镜中心附近比靠马达准确地定位于棱镜中要快些。为确定偏差， ATR测量十字丝和棱镜中心间的水平和垂直偏移量。这些偏移量被用来改正 仪器上所显示的水平方向和垂直角。所以，虽然十字丝没有精确地照准棱镜 中心，但它是以棱镜中心为准的，实质上是精确照准定位的。 ATR需要一块棱镜配合进行目标识别，为了使工作更加简化，ATR的角度测 量与距离测量同时进行。在每一测量过程中，角度偏移量都被重新确定，相 应地改正了水平方向和垂直角，进而精确地测量出距离或计算出目标点坐标。 ATR标准设置中的测量精度与仪器本身的角度测量精度相一致。如果选择了 不同标准设置的测距方式，ATR的测量精度应选用所对应测量方式的精度级 别。例如，距离测量方式“fast”将缩短测量时间，允许在近距离对不稳定的 手持棱镜进行测量。 当使用ATR方式进行测量时，由于其望远镜不需要人工聚焦或精确照准目标， 测量的速度将会得到非常明显的增加，其精度不依赖于观测员的水平，基本 上保持常数。全站仪实际应用中的几个问题? ?? ? ? ? ?1）自动跟踪型全站仪进行精密水平角观测时，可采用方向观测法 2）自动跟踪型全站仪进行水平角方向法观测时，各测回零方向度盘读数 不进行配置 3）自动跟踪型全站仪照准目标时，可不采用“双照准法” 4）全站仪观测中的目标照准 4）全站仪观测中的目标照准 6）应该定期进行仪器的检定 7）在高精度测量中，全站仪仪器高量取应制作专用工具工程控制网的设立与平差计算? （1）工程施工控制网坐标的确立工程施工控制网应根据工程规模、类型、控制的范围一 般选择二、三、四等作为首级网。 ? 首级平面控制网一般为独立网，应利用规划设计阶段布设的 测图控制点，起算数据可与邻近的国家三角点联测，其联测 精度不低于国家四等网要求。首级平面控制网点的点位中误 差根据工程规模应不大于±5~10mm。最末级平面控制网相 对于首级网的点位中误差不应超过±10mm。平面控制网不 允许布设无多余观测的单三角锁，加密导线应附合于首级网 点上。 ? 首级高程控制网应与邻近国家水准点联测，其联测精度 不低于国家四等水准技术要求。最末级高程控制点相对于首 级高程控制点的高程中误差，对于混凝土建筑物应不超过 ±10mm；对于土石建筑物应不超过±20mm。首级网和加 密网应布设成闭合环线、附和路线或节点网，不允许布设水 准支线。?（2）变形控制网的布设 大坝变形网的测点按其可靠稳定性高低可分为：基准点（又称校核基 点，是为变形监测而布设的长期稳定可靠的监测控制点）、工作基点（又 称起测基点，是为直接监测位移测点而在位移测点附近布设的相对稳定的 测量控制点）、位移测点（是布设在建筑物上和建筑物牢固结合，能代表 建筑物变形的监测点）三级。其中基准点及工作基点纳入变形控制网范围。 监测大坝水平位移的平面网基准点一般布设在大坝下游不受大坝水库压力 影响的地区，基准点组不宜少于4个（其目的是能确认有2个及以上的稳定 点。如基准点组为3个表面变形基准点，则当这3点组成的三角形两点位于 一圆周上，另一点位于圆心的情况下，一旦圆周上的一个点沿着圆周产生 位移，则难以确认其中的位移点；再者一旦3点中有一点损坏就难以进行点 位稳定性的判断。如布设倒垂线必须2个及以上）以互相校核本身的稳定性； 布设在大坝下游的高程网基准点若采用基岩标应成组设置，每组不得少于3 个，一般应设置在大坝下游1~5km处。布设双金属标或钢管标作为水准基 点时应布设二组及以上。 大坝变形控制网可利用工程施工控制网首级网点作为起算坐标，其目 的是使得工程所得的各点坐标能与国家坐标统一。目前采用的国家坐标系 一般为1954年北京坐标系（采用苏联克拉索夫斯基椭圆体，在1954年完成 测定工作）、1985年国家高程基准。大坝坐标系可采用平行于及垂直于坝 轴线的方向作为X及Y轴，以大坝右岸某一点坐标作为（0.0）， 并尽量使整个大坝系统的有关测点坐标值都为正值建立大坝坐标系，如选? （3）变形控制网的平差计算 ? 变形控制网的平差计算方法一般可分为，经典平差、秩? ? ???亏自由网平差（伪逆平差）、拟稳平差。大坝平面及高程变 形控制网平差后最弱点指定方向位移量全中误差应不大于 ±2.0mm。 经典平差：首期控制网平差，能确定有两个以上稳定点的网。 秩亏自由网平差：变形控制网的复测成果平差，无确定的已 知起算点。 拟稳平差：有相对稳定点的网成果平差，亦属于秩亏自由网 平差。 除了观测网中存在若干个（有多余起算数据）固定点， 采用固定基准作间接平差外，对于自由变形观测网，目前比 较成熟的就是采用固定基准的经典平差、采用重心基准的秩 亏自由网平差和采用拟稳基准的拟稳平差三类。 如果自由网中存在不动点，采用固定基准最好，它有坚实的 稳定基础。这种情况实际上也是存在的。例如滑坡监测，测 站点相对位移测点在许多场合可认为完全不动。这种网相应 地可采用经典平差。????如果自由网中各测点都是变形点，当然也可以说他们是非固定不变的稳定 点，根据观测数据和变形情况分析，认为他们是等概率形变的。在这种情况下， 自然认为采用重心基准，相应地采用伪逆平差为合适。这种方法缺乏稳定基础， 而且重心基准与网形大小有关。 如果自由网中存在着一部分点相对另一部分是稳定点，但实际上他们不是 固定不变的，则采用拟稳基准进行拟稳平差为好。这样对变形测点而言，也有 了较稳定的基础。当然首先要分析确定哪些点是相对稳定的。 由于采用不同的平差基准，所得到的各点位移量存在着差异（然而实际的位移 场理论上是唯一的）。所以在实际变形分析中，要注意研究所采用的基准是否 合适，应该如何正确地选择与实际情况接近的基准，使变形分析结果尽量与实 际相符。 复测变形控制网平差的一般程序，秩亏自由网平差，拟稳平差，经典平差。 首先将各基点均作为非固定点进行秩亏自由网平差，根据[PVV]及[δXδX]为最小， 使整个网作平移或绕网的重心旋转；通过秩亏自由网平差若认为存在相对稳定 点（平面网不少于2个、高程网不少于1个），则可进行拟稳平差，即把变形较 为稳定的控制网点当作拟稳点，较不稳定的控制网点当作非拟稳点。拟稳点的 权可根据其位移向量大小按一定的规则确定（目前按权确定的拟稳平差尚无现 成的平差软件，一般可根据工程实际情况结合控制网复测有关成果确定选用拟 稳定。若对秩亏自由网平差成果经过检验,认为网中各点均较为稳定，可将这些 点均作为拟稳点，即秩亏自由网平差）；若对秩亏自由网平差成果经过检验， 能确认控制网中存在至少两个稳定点，则可将稳定点作为固定基准进行经典平 差。工作基点位移产生的原因? ? ? ? ? ?? ? ?? ?1）工作基点施工结束后未过稳定期即进行观测。 无论建在岩基上或土地基上的工作基点，都应过了规定的稳定期后再开始观测，因为 首次观测值系变形观测系统的基准值。特别是建在土地基上的测墩，宜在施工结束后 一个冬夏后再开始观测。至少应过一个雨季。 2）工作基点距离水坝过近，受水压力影响较大。 3）工作基点本身结构的原因。 a. 若混凝土工作基点地面及地下基础部分未加钢筋，长时间后工作基点本身将产生裂 缝等变形。 b. 工作基点强制对中器埋设不稳固或本身结构变形。例如支承托架式强制对中器若三 根支柱过细、过高，则会使上部基座产生水平位移。该样式的基座对中螺孔如与螺杆 在制造工艺上没有精密配合，则可产生对中误差达±5mm或更大。这种误差相当于工 作基点发生水平位移。 4）埋于软弱夹层（岩石）中的工作基点，可能因岩石不稳定而产生水平位移。 5）日晒对工作基点短周期水平位移的影响。 设置在露天的工作基点，由于全天受太阳照射，将产生同一工作基点的“阴、阳”两 面，因应力不平衡而产生混凝土工作基点的“扭转”。由某坝工作基点在一天内受太 阳照射后的变形趋势及其数值可见，一天之内工作基点因太阳日照原因产生的最大扭 转幅度约1mm。变位大小还与方向有关，最大变位方向与最小变位方向基本相垂直。 为了避免这种影响，一般重要的观测站都应建立观测亭。 6）工作基点因外部受力发生变形。 若工作基点距离公路很近，或就在交通要道旁边，由于车辆来往甚多，工作基点有被 碰撞的可能，以及交通设备等荷载的影响导致基础产生变形。这类情况也屡有发生。工作基点水平位移的测定? （2）工作基点水平位移的测定 ? 各种形式的变形观测控制网，其终点距大坝不能 很远，故或多或少要受到库区水压力的影响。此 外为了检核工作基点是否受不测因素的影响而产 生意外的位移，故大坝变形观测都规定要定期对 各类工作基点作校核测量，一般是1~3年校核一 次。 ? 由于工作基点本身水平位移量很小，故观测位移 方法本身，应达到很高的精度，目前观测方法主 要是：视准线法、精密丈量法、三角网法、近距 离后方交会法、方向变化法及倒垂线测定法等。变形控制网观测实施? 大坝变形控制网观测中的各项特别需要注意的技术要求，除本节所列要 求外，其余参照《国家三角测量测量规范》（GB/T17942）、《国家一、 二等水准测量规范》（GB12897）、《中、短程光电测距规范》 （GB/T16818）及本章节相关内容。 ? 变形控制网观测中使用的仪器及其配套设施，使用前应送计量部门检定。 ? （1）水平角观测 ? 1）水平角采用J1级及以上经纬仪或相应等级全站仪方向法观测12测回， 也可采用全组合测角法观测。全组合测角法按照GB/T17942有关规定执 行。 ? 2）全部测回应在两个异午的时间段内各完成一半，每一时间段观测的 基本测回数不超过总基本测回数的2/3。在全阴天，可适当变通。 ? 3）水平方向观测采用双照准法：照准目标二次、读数二次。具体操作 参照GB/T17942执行。 ? 4）水平方向观测限差如表5-32。 ? 5）方向观测读数取至0.1″，从测回角度值开始取至0.01″。平差后坐标 取至0.1mm。?? ? ? ?? ??? ? ? ?（2）垂直角观测 1）控制网点间的高差观测采用三角高程法，必要时采用精密水准法，参见 1.15.5。采用三角高程测量获得时，需观测垂直角，并用边长观测值计算高 差。 各垂直角视工程具体情况一般观测4~12测回，分别进行对向观测。为消除大 气折光变化的影响，两测站的垂直角观测应尽量在接近的时间段内进行。 2）垂直角应在中午附近大气垂直折光变化最小的时间段观测最为有利，取地 方时10时至14时之间，一般情况下必须在10至16时之间目标成像清晰时进行。 3）垂直角观测一测回的程序：盘左观测对向目标，再盘右观测对向目标。 4）垂直角观测采用双照准法：照准目标二次、读数二次。垂直角读数取至 0.1″，从测回角度值开始取至0.01″。平差后坐标取至0.1mm。 5）量取仪高和目标位置高时需用专用卡尺二次量取，全站仪仪器高二次量取 应分别量测观测墩底座水准点处的底座面及其对角侧底座面至仪器中心高程 面的垂直距离，读至0.1mm，二次读数之差应小于0.4mm，此距离应扣除对 角侧底座面与底座中心面的高差（视不同底座而定，如F-1A通用式强制对中 底座约2.2mm），棱镜高二次量取应分别量测观测墩底座一侧中心面及其对 角底座中心面至棱镜中心高程面的垂直距离。 6）垂直角观测限差如表1-33。 序号项 目限 差1二次照准目标读数的差3″2一测回中各方向指标差互差 8″3测回差6″4两次量取仪器或目标高互差0.4mm 7）垂直角观测应与边长观测采用同样的仪器高和目标高。 8）高差及高程均取至0.1mm。计算高差时取本测站一个时段经气象及常数改 正后的边长观测值（须投影到测站和镜站平均高程面）进行计算。? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）边长测量 1）每次观测时，测前、测后应分别在仪器站和棱镜站读取温度、气压、湿度。 2）观测时需量取仪器高和棱镜高，量高采用专用卡尺，读至0.1mm。全站仪 仪器高二次量取应分别量测观测墩底座水准点处的底座面及其对角侧底座面 至仪器中心高程面的垂直距离，读至0.1mm，二次读数之差应小于0.4mm， 此距离应扣除对角侧底座面与底座中心面的高差，棱镜高二次量取应分别量 测观测墩底座一侧中心面及其对角底座中心面至棱镜中心高程面的垂直距离。 边长观测应与垂直角观测采用同样的仪器高和目标高。 3）边长观测时将仪器设定为不进行气象改正（设置ATM＝0。如各参数设置 成标准值，此时ppm total＝0），记录观测边长（斜距）再进行气象改正和 常数改正计算（包括加常数、乘常数、周期误差、气象等改正）。 4）改正后的边长用三角高程网平差后（或精密水准）的高程进行改平。 5）改平后的边长投影至该测区平均高程面。 6）每条边需要对向观测，每单向边需分两个时段观测，每单向一个时段观测 二测回，一测回读数四次。 7）边长读数至0.1mm，计算至0.01mm。温度读至0.1℃，气压读至0.1hpa （毫巴）。 8）观测边长超限时，除明显的单向一时段超限可补测外，需重测该边长的所 有观测值。 9）边长观测时间段的划分：上午、下午、夜间各为一个时间段，可选择两个 时段。 10）边长观测限差如表1-34（S以km计）。? ? ? ???? ? ?（4）水准测量 参见1.4 精密水准测量。 （5）资料整理 1）观测资料应附上观测期间气象情况及大坝水 位情况。 2）按照规范要求进行外业测量成果的验算。参 见1.5及1.18。 3）提交全部的闭合差（自由项）计算资料并进 行外业成果的检查验收。 4）分析计算本次观测结果。 5）编写技术总结，对本次观测及现有观测网进 行评价。 6）提交全面的技术性报告和所有资料。边角网观测外业成果的记录、整理、验算及上交? ? ? ? ? ? ? ? 1.18.1 记录方式与要求 （1）记录方式 按记录载体分为电子记录和手簿记录两种方式，边角测量优先采用电子记录，在不宜电子记录的特殊地区亦可采用 手簿记录。 （2）记录项目 a. 每一三角点应记载测站名称、等级，觇标类型。水平角观测照准点栏，测角法观测时每测回只记录方向号，照准 目标；方向观测时每点第一测回应记录所观测的方向号、点名和照准目标。其与测回及方向号。 b. 每一观测时间段须记录观测日期、时间（北京时间）、天气、成像，风力风向。 c. 每方向须记录方向观测值。 d. 距离测量中，每测回要记全数一次，厘米和厘米以下数值不得更改。米和分米读数，在同一距离的往返测量中， 只能更改一次。每次距离测量须记录气象元素读数值。 （3）手簿记录要求 a. 一切外业观测值和记事项目，记录的文字与数字力求清晰，整洁，不得潦草模糊。 b. 手簿中任何原始记录不得涂擦，对原始记录有错误的数字与文字，应仔细核对后以单线划去，在其上方填写更正 的数字与文字，并在备考栏内注明原因。对作废的记录，亦可用单线划去，并注明原因及重测结果记于何处。重测 记录应加注“重测”二字。 c. 边角测量记录与计算的小数取位要求参照表1-36执行。 表1-36 边角测量记录与计算的小数取位 项目及等级读数一测回中数记簿计算水平角一、二等0″.10″.010″.01三、四等1″0″.10″.1垂直角1″1″1″距离 0.1mm0.01mm0.01mm注：用J07、J1型仪器观测垂直角和三、四等三角点水平角时，读数和计算均至0″.1。 电子记录参照CH/T 2004《测量外业电子记录基本规定》和CH/T 2005《三角测量电子记录规定》执行。在距离测 量电子记录中，每次距离测量的数据输出（打印）中应有：时间、网点名（地名）、往返测号、仪器型号及编号、 高差、原始距离读数、气象元素读数值、最后的斜距和平距等项目。 （4）观测记录整理和检查 观测工作结束后应及时整理和检查外业观测手簿，检查手簿中所有计算是否正确、观测成果是否满足各项限差要求。 确认观测成果全部符合规范规定之后，方可进行计算。? ? ?? ? ? ? ? ?1.18.2 三角测量成果的验算项目及限差 测站观测工作结束之后，应及时整理和检查外业观 测手薄。检查内容包括手薄中的所有计算是否正确； 观测成果是否满足各项测站限差要求。 测站观测成果的内符合精度，只能部分地反映出观 测质量。几何条件的检查，是衡量作业质量的主要 标准。因此，每完成一期作业后，必须进行验算。 三角测量验算的项目有： a. 计算三角形闭合差、测角中误差。 b. 计算极条件、基线条件、方位角条件自由项（闭 合差）及三角高程高差。?（1）三角形闭合差、测角中误差计算
（2）极条件自由项及限差计算
（3）基线（起算边）条件自由项及限差计算 见教材P149 （4）方位角条件自由项及限差计算 见教材P150 （5）三角高程测量验算的项目与限差 见教材151? ?（6）几何条件自由项超限时的误差分析 如果某些条件的自由项（闭合差）超限，说明观测成果存在着较大的 误差。这时首先应检查是否算错或抄错数据，然后才对观测成果进行 分析、研究、找出产生较大误差的原因，进而找出误差较大的测站， 以便及时进行返工重测。1）三角形闭合差超限的误差分析 若同一边的两侧三角形闭合差，一个为正值，另一个为负值，而且都接近或超过限差。则可认为这种情 况是由于这条边的方向存在着较大误差。但要进一步分析究竟是这条边哪个点观测方向有问题，可分别 以该点为极计算中点多边形极条件自由项。一般情况下中点多边形极条件自由项较小的极点上观测值可 能有较大的误差。这是因为计算极条件自由项时，极点上的各角不参与计算，这些角即使有错，对极条 件自由项毫无影响。 若在三角网中，仅有一个三角形闭合差超限，或几个三角形闭合差超限而无明显的上述规律，这就应对 外业观测时的图形情况、气象条件、通视情况和操作等过程进行综合分析，并重新检查观测手簿中的重 测成果和归心投影用纸，找出其中可能产生较大误差的测站。由于仪器对中、目标偏心（包括使用觇杆 时的目标倾斜、使用棱镜时的棱镜偏心等）、目标对中等误差影响，一般短边出现方向观测值较大误差 的可能性大与长边，这时可重新安置目标（必要时对棱镜组重新进行装配）、安置仪器后再进行观测。 2）极条件自由项超限的误差分析 如果三角形闭合差不超限，而极条件自由项（闭合差）超限，或者极条件自由项不超限，而某三角形闭 合差超限。这种情况往往是由于几个测站同时存在较大误差，其中某些误差在某个条件中恰好抵消或影 响较小，而使极条件满足要求，而对另一条件有较大影响。 分析时对于小角度和近于90°的角应引起注意，因为小角度的正弦对数秒差较大，若小角度有较大误差， 会使极条件自由项显著增大，而在图形条件中可能另外两个角度误差较小或正负抵消一部分，使该条件 满足要求。与此相反，近于90°的角度，它的正弦对数秒差甚小，因此，这个角度的误差对极条件的自 由项影响极小，仍然能使极条件自由项符合要求，而使图形条件闭合差可能超限。 总之，观测成果超限的情况是很复杂的，要从多方面进行分析，防止不加分析盲目设站重测。有时即使 经过分析研究，认为某点应该设站重测，但重测后观测成果却与原有观测成果很接近，此时有两种可能： 一种是分析错误；另一种是重测时的外界条件，如气象条件和通视情况等与原有成果的观测时相同，因 此，在重测时要根据测站上的具体情况来改变观测条件进行观测。若视线离橹柱较近，则重测最好采用 偏心观测；若视线距离建筑物、山体、树木柴草等障碍物较近，则最好选择在阴天时观测，否则必须采 用上、下午分别观测半数测回的方法以削弱视线折光误差、照准目标相位差、仪器受温度影响产生的误 差等等。1.18.3 边角组合测量成果的验算项目及限差（1）边长用光电测距仪进行往返观测时，按下式评定距离测量 的单位全中误差见教材P151（2）由测边组成的三角形中观测了一个角度与计算值（可按余 弦定理计算得到）的限差，应根据各边平均测距中误差按下式 进行检核见教材152（3）以测边为主的边角组合网角条件（包括圆周角条件 与组合角条件）自由项的限值应按下式计算
控制网平差计算?“地面测量工程控制测量数据处理通用软件包”（简称 CODAPS或COSA2）,在便携式或台式微机的WINDOWS 环境下运行,既可独立使用。可对掌上型电脑传输过来的水 准测量、二三维控制测量原始观测数据进行转换,完成从概 算到高程（水准高程、三角高程）网、平面网平差的自动 化数据处理流程,同时具有控制网优化设计、粗差探测与剔 除、方差分量估计、闭合差计算、贯通误差影响值估算、 坐标转换、换带计算、网图显绘、报表打印以及叠置分析 等功能。1.20.1 视准线法观测水平位移
（5）视准线法观测的精度估算
垂线法观测坝体水平位移???混凝土坝的坝体水平位移（挠度）通常采用垂线法进行观测。即用垂线 作基准线，测量沿垂线不同高程坝体各测点的水平位移。用垂线法观测 挠度设备简单、精度和效率较高、观测方便，为此得到普遍采用。垂线 有正垂线和倒垂线两种。 正垂线是在坝体内的观测井、电梯井、宽缝等的上部悬挂带重锤的不锈 钢丝。利用铅直的垂线作为基准线，沿垂线设置测点观测坝体沿垂线不 同高程的水平位移。正垂线由悬挂装置、夹线装置、钢丝、观测台及重 锤等组成。 倒垂线是将不锈钢丝的下端锚固在坝基深处，而上端连接一个浮托装置。 由于浮力的作用，倒垂线稳定时也总是处于铅直状态，而且可以认为是 固定的基准线。沿倒垂线不同高程坝体上布设测点，测量垂线和测点间 的水平距离变化，即可得到不同高程测点的绝对水平位移，由此求得坝 体挠度。倒垂线的布置和观测仪器等与正垂线相同，其结构正好与正垂 线相反，垂线下端固定，而上端浮动。通常由浮体组、垂线、观测台和 锚固点四部分组成 。垂线法观测坝体水平位移的计算交会法及三角高程法观测三维坐标? 水坝变形是包括水平位移和垂直位移的三维量。水平位移一般可通过 边、角观测法来确定其二维坐标，垂直位移一般可用水准法观测，但 几何水准法较为繁琐。而三维坐标法观测水坝的变形，能同时观测测 点的三维坐标，从而得到水平垂直位移量。从实际应用情况看，这种 三维坐标法灵活方便、高效经济，可在一定范围内代替几何水准的工 作，尤其对中小型水坝等建筑物的变形观测能收到事半功倍的效果。 ? 建筑物的变形观测包括水平位移及垂直位移，即三维量。尽管水平位 移的观测方法很多，如基准线法、垂线法、交会法等，但从其使用的 灵活性和对建筑物结构的要求以及周边环境条件对其的制约而言，交 会法测定水平位移可认为是一种高效的观测手段，尤其是随着光电测 距技术的不断完善和普及，交会法更有其巨大的发展空间，观测成果 也能令人满意。目前伴随着电子经纬仪、全站仪性能的不断智能化和 日臻完善，测角、测边的交会观测及其资料整理己完全突破了传统测 量观念上的障碍，此外交会法观测无论从测点布设以及观测工作量来 说都有其独特的优势。 ? 三维坐标法即经纬仪或全站仪采用交会法及三角高程法进行三维坐标 观测，能同时观测测点的三维坐标，从而得到水平、垂直位移量。只 要采用合适的仪器及相应的观测方法便能达到理想效果，不失为一种 灵活方便、高效经济的观测手段，尤其对中小型水坝等建筑物的变形 观测更能收到事半功倍之效。?? ??1）测角前方交会观测 2）单三角形的观测 3）测角仪器的选择及其观测中误差??? ??? ? ?在变形观测中，建筑物的变形量是较小的，要测出这些角度的变化，一般应采用精密的测角仪器如J1级经纬 仪，光学经纬仪T3 以及高精度电子经纬仪及全站仪T1800（TC（A）03）及以上系列等，中小 型的土石坝变形观测也可考虑用J2级测角仪器。 从发展趋势看，光电仪器凭着它的高技术含量，如使用方便、轻松高效及功能齐全等优势将逐步替代往常的 光学仪器。如T3与TC1800（标称方向观测中误差为±1″）比较，从其操作的要求来讲，后者要容易得多， 尤其在水坝变形观测中，全站仪其独特的优势还表现在他们均具有纵横轴倾斜自动补偿功能，这在水坝变形 观测中可使由于垂直角较大时及经纬仪纵轴倾斜导致的测角系统差基本消除。从TC1800（标称方向观测中 误差为±1″）及T3 在几个水坝变形观测工程中的应用比较看出（采用四测回“双照准法”），当视距在二百 米以内时，前者水平方向观测中数偶然中误差小于±0.4″，后者在±0.5″ 以内；而当视距在二百米以上，后 者的精度比前者要稳定些。究其因可能由于近距离时，T3 纵横轴倾斜导致的测角误差较大且不能消除，而远 距离时此项误差反显得小一些，同时TC1800的放大倍率为30，而T3 为40，前者照准误差可能显得大一些。 在角度观测中，一个不容忽视的问题是大气折光对测角的影响。由于在空间存在着大气温度梯度，便产生了 折光（包括水平和垂直折光）。工程实际观测情况表明，即使在稳定良好的气候条件下，水平折光的影响也 在±1″以上。 减小大气折光的影响可采用的方法：适当抬高视线，使其远离建筑物在1m以上，尤其是要避开金属结构物； 选择在空气能充分调和的有风天气或温度较均匀的阴天或夜间观测，尽量避开晴天的日出、日落前后时间段。 垂直角过大对观测水平角也极为不利，对于光学经纬仪来说其垂直轴倾斜误差引起的水平方向观测误差是极 其明显的，这可以从（1-69）式得出。如当垂直角为45°的情况下，仪器在垂直于视准轴的方向倾斜5″，将 直接导致5″的水平方向观测系统误差；对于有垂直轴倾斜补偿的全站仪，也因其补偿器补偿误差存在及垂直 轴倾斜而导致水平方向观测系统误差。故在倾角大的情祝下测角时，更要特别注意仪器的整平。 综合水平角观测实际工程应用情况，即使在良好的观测条件下，T3、TC（A）1800及TCA2003（由于大气 折光的影响较大，后两者测角全中误差基本相同，较差在十分之一以内）等仪器采用“双照准法”四测回， 其水平角观测全中误差（不考虑目标偏心、仪器对中误差）： 视距在二百米以内一般在±0.7~1.0″之间； 视距在二百至一千米以内一般在±1.0~1.2″之间。 TCA系列仪器与以往的光学经纬仪比较，由于一般观测采用自动目标识别功能，观测的精度较为稳定。不会 由于观测者水平的高低、观测时间的长短、环境（指视距的长短不一、成像的清晰与否，但如成像较为跳动 则采用自动目标识别观测精度会急骤下降）的好坏而发生明显的精度差别。? ??4）测边交会观测 5）测边仪器的选择及其观测中误差变形观测中的测距仪或全站仪，一般应保证其有较高的精度（尤其是固定误差要小） 和稳定性，如激光测距仪ME3000（标称精度0.2mm＋1ppm）、以及电子全站仪 TC2003（标称精度1mm＋1ppm）、TC1201+（标称精度1mm＋1.5ppm）、TC1800 （标称精度1mm＋2ppm）等，中小型土石坝的变形观测所用的仪器精度尚可略放低些。 高精度测距工作必须同时进行精密的气象元素测定，以便进行气象元素改正。在激光 （或红外光）测距中，测线上的温度误差为1℃，将引起1ppm的测距误差；气压误差 为3.4mbar , 也将引起±1ppm的测距误差；而湿度对测距影响是较小的，一般每变化 40%的相对湿度，会引起±0.1~1ppm的测距误差（温度在0、10、20、30、40℃，相 对湿度变化40%，引起的测距误差分别为0.1、0.2、0.4、0.6、1.0ppm；T＝50℃， 1.8ppm/40%；T＝60℃，2.8ppm/40%）。 气象元素测定时，应保证气象仪表本身的正确性，同时在测线两端避免过大的高差； 避免视线擦过水域；并应选择空气能充分调和的有风天气或温度较均匀的阴天；必要 时，可加设中间点测定温度。精密测距中，应选择不同时段进行观测，以削弱气象代 表性误差影响。尽管如此，由于气象代表性误差的复杂性以及测距仪的加常数、乘常 数等也难以保证绝对不变，所以有的工程提出了在观测时，首先用本测距仪观测现场 固定不变的基准线以资检核仪器当时的观测误差，再把各项误差按差分法对所测边长 进行修正，可望得到更高的观测精度。 工程的精密测距成果表明，较为稳定的全站仪其加常数在一定时期内是相对稳定的， 乘常数变化会大一些，经过加、乘常数改正后，TCA2003的实测精度一般能达到 0.5mm＋0.7ppm，而TC1800的实测精度一般能达到0.8mm＋1ppm。全站仪中标称的 测距精度系指其斜距的测量精度，故其平距的测量精度直接与其垂直角测角精度有关， 尤其当所测边垂直角较大时垂直角测角误差对平距测量精度的影响更加明显。?????6）边角交会观测方案选定有了交会观测坐标中误差的函数后，便可按各种交会图形计算位移测点的坐 标中误差，也可对其求极值解算误差椭圆元素，从而得到误差椭圆。在变形 观测中，有时特别关心建筑物的某一个方向位移，如重力坝的上下游方向、 拱坝中拱端的切向位移及拱冠的径向位移等，误差椭圆能很好地解决这一实 际问题。 需说明的一点，拱坝位移量中要求的是计算其径向和切向位移量，故在交会 观测坐标计算及坐标中误差计算时应进行坐标变换。实际上，只需将上述各 式中的坐标方位角α转换成各位移测点之径、切向构成的坐标系中的坐标方位 角即可。 现以对称交会为例，如交会基线边长为400m，水平角观测中误差± 2 ″,测边 标称中误差为1.0mm＋1.0ppm，取位移量观测中误差为坐标观测中误差的 2 倍，在不同交会角情况下，可得位移测点坐标位移量中误差如表1-49所示。???? ? ????? ? ?边角交会评述： a. 测角交会主要是控制横向误差，测边主要是控制纵向误差。所以当交会角从小增大 时，测角交会中横向误差逐渐增大，纵向误差逐渐减小。而测边交会则刚好相反。 b. 当交会边长在200m以内时，测角交会往往能获得较理想的效果；当边长不断增加时， 由于角度观测时旁折光等的影响，测角交会精度明显降低，而边长观测中由于其固定 误差保持不变，而显出其显著的优越性，尤其在边长达300m以上的高精度变形监测中， 只有借助于测边或边角交会才能得以实现。 故在边角组合网中，并不是每个角度的观测都对待定点的精度影响作用明显，而应在 控制网的优化设计中进行分析。对于较短的距离应以测角为主，对于较长的距离应以 测边为主，加测部分角度，这是因为在高等级的控制测量中，测角比测边困难得多， 所以应进行事前分析，合理配置测角、测边精度，以测边为主，部分测角，做到既满 足精度要求，又降低劳动强度，提高效率。 c. 在边角测量中，由于边角测量其精度具有互补性，其图形本身对点位的精度影响较 小，而主要是由已知点与待定点之间的距离来决定，故边角测量受图形限制较小。这 种互补作用应建立在测角及测边精度相互匹配的前提下，否则互补作用难以取得理想 的效果。 例如在交会边长为1km的对称长距离测边前方交会观测中，当交会角为30°这种对于 控制横向精度的测边交会图形较差的情况下，由于主要起作用的是测边精度，即使采 用边角交会也难以弥补这种测边交会引起的误差，除非测角精度相当的高，使得测角 及测边精度相互匹配。 如在上述交会观测中采用相对于1km的测边中误差为±2mm的纯测边交会，得到纵横 向坐标及点位中误差分别为±1.5、5.5、5.7mm； 而在相对于1km的测边中误差为±2mm、测角中误差为±1.4″ 的边角交会中，得到纵 横向坐标及点位中误差分别为±1.5、3.7、4.0mm； 只有在相对于1km的测边中误差为±2mm、测角中误差为±0.4″ 的边角交会中，得到 纵横向坐标及点位中误差分别为±1.4、1.4、2.0mm。且此时只要交会边长不变而不管 交会角如何变化，得到的纵横向坐标及点位中误差均分别为±1.4、1.4、2.0mm不变。 显然要达到这样的精度，测边工作比测角工作要容易得多。大气折光误差对测距成果的影响远小于对测角成果的影响???? ? ? ?一般地，测角交会是测定三角形的内角，测边交会是测定三角形的边，为使 测角及测边精度相互匹配，即当角测量与边测量的精度一致时，对边角测量 的综合效益较好，其纵横向误差较为均匀（此时的点位误差较小）。 在边角前方交会中，应使得 m? mS （1-133） ??S在单三角形的边角交会（或在边角组合网）中，应使得 m? 2mS （1-134） ??S? ?在边角前方交会中，如满足（1-133），则一旦已知点与待定点之间的距离确 定，且测边及测角的精度确定，边角交会测量就不再受图形限制，其测点纵 横向误差相等且在各种交会图形中保持不变，点位误差较小，综合效益最高。 d. 应关注交会法在变形监测中的应用前景 视准线法工作基点的布设，一般应设在位移测点的延长线附近，这种布设方 法在空间和地理条件方面件受到了较大约束，如工作基点可能布设得很高的 位置，既不利于保证监测精度又增加了观测者的劳动强度，同时由于视准线 法往往多个位移测点在同一个视场内，自动跟踪型全站仪难以实现自动监测。 而交会法工作基点布设灵活，只要在建筑物附近（如大坝下游）布设工作基 点，能保证通视及合适的图形条件即可，工作基点与位移测点的高差及距离 可按需要优化布设，采用自动跟踪型全站仪实现自动化监测提高工作效益的 同时又能保证监测精度。加之三维坐标法应用前景的拓广，当需要同时观测 平面二维坐标或空间三维坐标时，交会法应优先考虑。三维坐标法观测垂直位移是通过三角高程观测位移测点的垂直坐标的。 在交会观测中已经得到基点到位移测点的水平距离L，通过在基点观 测位移测点的垂直角便可解算其坐标值。 ? 球气差对观测高差的影响 ? 在图1-41中，K为仪器高，L为基点至位移测点的水平距离。则 有 ? Hp＝H C＋K＋h＝H C＋K＋L×tgτ ? 由于地球曲率和大气折光的影响，在所观测的h中包含有球气差 的影响。然而，在变形观测中，由于每次观测中的地形、地物 （植被条件等）均一致，故球差的影响在变形量中已消除。加之 在变形观测中采用了“四固定”的方法，提高了垂直角的观测精 度（基本消除了垂直度盘刻划误差的影响），一般情况下能达到 水平角的观测精度。同时，一般应选择垂直折光较为稳定的地方 时10时至16时之间观测,大气垂直折光的影响也大为降低。参见 1.6.2 球气差系数C的确定。? 在变形观测中尽管大气垂直折光相对稳定，但对于一些地理气 候环境较复杂、观测视线较长的情况，大气垂直折光变化导致 的观测误差仍较明显。如部分拱坝采用三角高程观测时，由于 拱坝下游处的河谷较窄较深，其大气折光系数变化较复杂，导 致观测值含有较大的系统误差。针对这种情况，可以选择在位 移测点附近大气折光情况比较接近的相对稳定点进行三角高程 观测，从而分析推算大气折光系数的变化。 ? 故在三角高程观测中，观测位移测点高程的同时，宜观测同测 区中与位移测点大气垂直折光一致的固定点（如交会观测的后 视基点、控制网中的基点等，目标高有变化时尚需量取目标高） 高程，以掌握推算大气垂直折光的变化情况，必要时进行位移 测点高程观测值修正。同时，在三角高程观测时应尽量缩短视 线，提高视线高度，但高差不宜过大，并选择有利的观测时间。 以尽量削弱球气差对观测高差的影响。
极坐标法观测三维坐标在如图1-120中， A、B 为已知点， P 为待定点，极 坐标法观测时，在基点 A上 安置全站仪观测水平角 β 、 水平距离S 即可得到P点的 平面坐标。 由于极坐标法仅在一 个测站上安置全站仪，减少 了工作量且较易选择通视情 况良好、受环境影响较少的 观测条件，内业资料计算快 捷方便，只要能保证精度要 求在许多工程中是首选的观 测方法，尤其是观测动态的 位移测点。
1.20.7 土石坝内部变形监测（1）引张线式水平位移计?? ?引张线式水平位移计主要由锚固板、铟瓦合金钢丝、钢丝固定盘、 分线盘、保护管、伸缩接头、固定测点台、游标卡尺等组成。观测方法： a．每次观测时，应测出观测房本身的水平位移量。 b．给每个引张线测点钢丝加到50kg（观测拉力，根据各工程具体情况 确定）的拉力，加好砝码后，每测回观测前，抬升砝码，再慢速放下， 使最后加在钢丝末端的拉力等于所加砝码的重量（50kg，根据各工程具 体情况确定）。约5－10分钟待读数稳定后进行读数，精确到0.1mm。 读数结束，即轻拿砝码减到每条钢丝承力约20kg（预拉拉力，根据各工 程具体情况确定）为止。 c．重复上述b款进行测读，直至最后两次测读数较差不大于2mm，此两 数值的中数即作为本次观测值。 d．为减小钢丝长期受力产生疲劳，观测结束应轻拿砝码减到每条钢丝 承力约20Kg（预拉拉力，根据各工程具体情况确定）为止。?? ?（2）水管式沉降仪（3）水管式沉降仪观测方法? ? ? ? ? ? ???水管式沉降仪由沉降测头、管路、量测板（观测台）等三部分组成。 观测方法： 1）每次观测时，应测出量测板（观测台）本身的沉陷量。 2）检查水管式沉降仪各部件的工作性能，先读出各测点量测板玻璃管上的水位，记作为 校验仪器工作性能的读数，然后开始逐个向测头连通管的水杯充水排气，其步骤： a. 打开脱气水箱的供水开关向压力水罐供水，水满后关进水阀（必要时需排除压力水罐中 的气体）； b. 向压力水罐施加1~5m的水头压力； c. 打开压力水罐的出水三通开关，使压力水罐向沉降测头水杯及测量板上玻璃管供水（此 时沉降测头水杯与测量板上玻璃管的水路已连通），使量测管水位比初始水位升高，但勿 溢出管口，即关进水管开关，并使玻璃测量管与测头水杯连接的连通管连通。首次观测或 长时未观测后应使压力水罐向沉降测头水杯持续供水，直至该沉降测头水杯溢流出的水从 排水管排出（当排水管破损或堵塞时水无法排出）； d. 以同前述的步骤，作其他测头的连通管路内的排气，待各测量板上玻璃管的水位稳定， 读出的数即为测读数； e. 重复上述c、d款进行测读。观测结束，关闭向压力水罐供水的进水阀。（3）水管式沉降仪观测方法??3）量测管的稳定数值判定标准是每5~20分钟测读一次，精确到 1mm，直至最后两次读数较差不大于2mm为止，取最后两次读 数之中数作为本次观测值。若读的数值与排气前的读数相同或稍 大点均属正常，若低些或大的较多均属不正常，因分析原因，主 要应考虑前后排气工作做得是否正确，次之应考虑可能的其他原 因。 每次观测时，均应测读各量测管的稳定水位（即测头水杯的水位， 以量测管水位凹面为准）并测算出量测板的本身沉陷量，换算出 测头实际沉陷量。向连通管路进水时，进水速度不应太快，否则 容易使测头腔内的积水位上升，溢流出的水会进入通气管，堵塞 与大气的连通，招致测量系统工作失常。若通气管堵塞可向管路 内吹气，或抽气进行疏通，并应重做连通管的进水排气工作。（4）多点位移计及基岩变位计接缝及裂缝观测三支电位器式位移计组装的TSJ型三向测缝计接缝及裂缝观测平面型三向测缝计接缝及裂缝观测3DM型三向测缝计由三个旋转式电位器位移传感器、支护件等组成2 观测仪器的使用及维护观测仪器是观测人员对工程施控的重要武器， 爱护好观测仪器及工具是每一位观测工作者 应具备的品德。由于观测工作是在室外进行， 受自然条件、气候条件等因素的影响，所以 对维护好观测仪器非常重要，正确使用、科 学保养仪器是保障观测成果质量，提高工作 效率，延长仪器使用年限的必备条件，是每 个观测工作人员必须掌握的基本技能。否则 不但影响观测工作的进展和任务的完成，而 且会造成仪器损坏。为此，必须正确使用仪 器，了解仪器性能、基本构造和操作方法， 加强仪器的维护和保养。2.1 观测仪器的使用、检验及维护? ? ????（1）观测仪器使用、检验及保管原则 1）严禁不了解仪器性能的人使用仪器，初学者必须在有经验的作业人员指导下 进行操作。 2）光电仪器应等其温度与大气温度一致时才能开始观测，一般要求适应时间 （min）为一至二倍的仪器与外界温差（）。各种光电测量均应在通视良好，成 像清晰稳定时进行。晴天的日出后与日落前30分钟内，太阳中天前后2小时内， 不应进行精密水平角、测距及精密水准观测；精密垂直角观测必须在中午前后进 行；精密水平、垂直角观测应避免大气密度不均匀的环境下（如雨天）进行；雷 雨前后、大雾、大风、雨天、雪天和大气透明度很差时，不应进行光电测距。 3）新购置的观测仪器在使用前应到国家法定计量技术检定机构检定。经全面检 查，合格后方可使用。所有观测仪器使用前后必须按照国家规范的有关规定进行 检验校正，使用过程做好维护，使用后及时进行养护。水工建筑物观测设施每年 至少进行一次检验及维护。每次对仪器检验及维护应记入档案卡。严禁使用未经 检验和鉴定、校正后达不到出厂精度、超过鉴定周期，以及零配件缺损和示值难 辩的仪器。 4）必须建立健全观测仪器设备台帐，仪器档案管理等制度，仪器出库、入库调 迁项目，应办理登记、签认手续。所有观测仪器要落实相应的设备主人，设备主 人负责做好观测仪器的定期检定、校正及保养维护工作，使仪器随时处于良好状 态。 5）观测仪器原则上不允许外借，否则需经设备主人及单位领导等有关人员同意， 并办理手续。精密仪器出借期间必须由设备主人或相应人员跟随监护。出借仪器 归还后必须进行相应的检验。? ? ????（2）观测仪器的使用及维护细则 1）仪器的贮藏和搬运 （A）仪器必须贮藏在空气干燥、通风良好、防震、防潮、防雾、防尘、防腐、 防锈的贮藏室内。在贮藏时应安置在阳光晒不到的搁板上，仪器上不应迭压 其它东西。贮藏时仪器箱内应放有效的干燥剂。各种仪器均不可受压、受冻、 受潮或受高温，仪器箱不要靠近火炉或暖气管。 （B）长期存放的光电仪器必须定期（如一个月左右）通电驱潮，同时检查仪 器的光学、电子系统工作情况，发现故障应及时报告主管部门进行处理。光 电仪器的镍镉蓄电池贮放时必须充足电，存放期间也要定期充电，并放置在 温度较低的环境。 （C）仪器长途运输要提供合适的减震措施，防止仪器受到突然震动，要切实 做好防震、防晒、防雨、防潮等措施。仪器在铁路客车上作长途运送时，必 须有人跟随，途中仪器不得碰撞和倒放。当仪器必须交付铁路作行李运送时， 仪器必须装在内部有软垫的套箱中，并应按精密仪器托运，不得以普通包裹 托运。当仪器以汽车作长途运送时，仪器亦必须装入套箱，并应放在车厢前 部，用绳子牢固地系在车上，以防颠簸和震动，在箱上覆盖帆布防雨，测量 人员应随车照管。仪器以汽车作短途运送时，则需将仪器放在软垫上，由专 人照管。仪器脚架作长途运送时，必须要用草绳捆裹结实。 （D）仪器较远距离搬迁时，必须装入箱内，由人背着搬迁，但需仔细检查仪 器的背架或背带、提手等是否牢固可靠，仪器箱是否锁好。或加套箱用机动 车由专人随车照管搬迁。近距离迁站，可直接将装有仪器的三脚架腿架在肩 上或双手抱仪器行走，尽量保持仪器竖轴处于铅垂，并保证仪器与脚架稳固 连结。搬运时，应把制动螺旋略微关住，使仪器在搬站过程中不致晃动。严 禁横扛装有仪器的三脚架。? ??????2）仪器使用过程中应注意的事项 （A）工作期间因尽量使存放仪器的室温与工作地点的温度相近。当必须把 仪器搬到温差}