单元2水准测量

中等职业教育建筑工程施工专业规划教材建筑工程测量JIANZHUGONGCHENGCELIANG1主编：郑君英张敬伟单元2水准测量了解测定地面点高程的几种方法和原理；2.理解在建筑工程测量中被广泛应用的水准测量方法，水准点和测站的意义；3.掌握微倾式水准仪的操作方法、读数方法、记录计算和水准路线的几种作业形式；4.理解水准测量误差来源及注意事项;5.了解水准仪的检验与校正方法;6.了解数字水准仪及条码水准尺的测量原理。水准测量原理水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助水准尺读数来测定地面点之间的高差，从而由已知点的高程推算出待测点的高程。所示，欲测定A、B两点间的高差hAB，可在A、B两点分别竖立水准尺，在A、B之间安置水准仪。利用水准仪提供的水平视线，分别读取A点水准尺上的读数a和B点水准尺上的读数b，则A、B两点高差为：hAB=a－b（2.1）2.1.1高差法2.1水准测量原理水准测量方向是由已知高程点开始向待测点方向行进的。在图2.1中，A为已知高程点，B为待测点，则A尺上的读数a称为后视读数，B尺上的读数b称为前视读数。由此可见，两点之间的高差一定是“后视读数”减去“前视读数”。如果ab，则高差hAB为正，表示B点比A点高；如果ab，则高差hAB为负，表示B点比A点低。2.1水准测量原理时，一定要注意hAB下标AB的写法：hAB表示A点至B点的高差，hBA则表示B点至A点的高差，两个高差应该是绝对值相等而符号相反，即hAB=-hBA（2.2）测得A、B两点间的高差hAB后，则未知点B的高程HB为HB=HA+hAB=HA+a－b（2.3）2.1水准测量原理可以看出，B点高程也可以通过水准仪的视线高程Hi（也称为仪器高程）来计算，视线高程Hi等于A点的高程加A点水准尺上的后视读数a，即Hi=HA+a（2.4）则HB=(HA+a)－b=Hi－b（2.5）2.1.2视线高法2.1水准测量原理一般情况下，用（2.3）式计算未知点B的高程HB称为高差法。当安置一次水准仪需要同时求出若干个未知点的高程时，则用（2.5）式计算较为方便，这种方法称为视线高程法。此法是在每一个测站上测定一个视线高程作为该测站的常数，分别减去各待测点上的前视读数，即可求得各未知点的高程，这在土建工程施工和道路施工中经常用到。2.1水准测量原理水准测量使用的仪器为水准仪，按仪器精度分，有DS05、DS1、DS3、DS10四种型号。D、S分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音的第一个字母；数字05、1、3、10表示该仪器的精度。如DS3型水准仪表示该型号仪器进行水准测量每千米往、返测高差精度可达±3mm。DS3水准仪是土木工程测量中常用的仪器。图2.2是我国生产的DS3型水准仪。2.2.1水准仪的分类2.2DS3型微倾式水准仪及其操作—物镜；2—对光螺旋；3—微动螺旋；4—制动螺旋；5—微倾螺旋；6—脚螺旋；7—符合水准器放大镜；8—水准管；9—圆水准器；10—圆水准器校正螺旋；11—目镜；12—准星；13—照门；14—基座2.2DS3型微倾式水准仪及其操作望远镜望远镜的作用是能使我们看清不同距离的目标，并提供一条照准目标的视线。图2.3是DS3型水准仪望远镜的构造图，主要由物镜、镜筒、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等部件构成。物镜、调焦透镜和目镜多采用复合透镜组。物镜固定在物镜筒前端，调焦透镜通过调焦螺旋可沿光轴在镜筒内前后移动。2.2.2DS3型水准仪的构造2.2DS3型微倾式水准仪及其操作十字丝分划板是安装在物镜与目镜之间的一块平板玻璃，上面刻有两条相互垂直的细线，称为十字丝。中间横的一条称为中丝（或横丝），与中丝平行的上、下两短丝称为视距丝，用来测距离。十字丝分划板通过压环安装在分划板座上，套入物镜筒后再通过校正螺钉固定在镜筒上。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作物镜光心与十字丝中丝交点的连线称为视准轴（图2.3中的C—C）。视准轴是水准测量中用来读数的视线。图2.3DS3型水准仪望远镜构造图1—物镜；2—目镜；3—对光凹透镜；4—十字丝分划板；5—物镜对光螺旋；6—目镜对光螺旋;7—十字丝横丝；8—十字丝竖丝；9—视距丝2.2DS3型微倾式水准仪及其操作物镜和目镜采用多块透镜组合而成，调焦透镜由单块透镜或多块透镜组合而成。望远镜成像原理如图2.4所示，望远镜所瞄准的目标AB经过物镜的作用形成一个倒立而缩小的实像ab，调节物镜对光螺旋即可带动调焦透镜在望远镜筒内前后移动，从而将不同距离的目标都能清晰地成像在十字丝平面上。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作调节目镜对光螺旋可使十字丝上成像清晰，再通过目镜，便可看到同时放大了的十字丝和目标影像a′b′。通过目镜所看到的目标影像的视角β与未通过望远镜直接观察目标的视角α之比，称为望远镜的放大率，即放大率V=β/α。DS3型水准仪望远镜放大率为28倍。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作由于物镜调焦螺旋调焦不完善，可能使目标形成的实像ab与十字丝分划板平面不完全重合，此时当观测者眼睛在目镜端略向上或向下作少量移动时，就会发现目标的实像ab与十字丝平面之间有相对移动，这种现象称为视差。在检查视差是否存在时，观测者眼睛应处于松弛状态，不宜紧张，且眼睛在目镜上下移动量不宜太大，仅作很少量移动，否则会引起错觉而误认为视差存在。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作水准器水准器是水准仪上的重要部件，它是利用液体受重力作用后使气泡居为最高处的特性，指示水准器的水准轴位于水平或竖直位置的一种装置，从而使水准仪获得一条水平视线。水准器分圆水准器和管水准器两种。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作（1）圆水准器圆水准器是一个圆柱形的玻璃盒子，如图2.5所示。圆水准器顶面的内壁磨成圆球面，顶面中央刻有一个小圆圈，其圆心O称为圆水准器的零点，过零点O的法线L′L′称为圆水准器轴。由于它与仪器的旋转轴（竖轴）平行，所以，当圆气泡居中时，圆水准器轴处于竖直（铅垂）位置，表示水准仪的竖轴也大致处于竖直位置了。DS3水准仪圆水准器分划值一般为8′～10′，由于分划值较大，灵敏度较低，只能用于水准仪的粗略整平，为仪器精确置平创造条件。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作（2）管水准器管水准器是由玻璃管制成，又称“水准管”，其纵向内壁研磨成具有一定半径的圆弧（圆弧半径一般为7～20m），内装酒精和乙醚的混合液，加热密封冷却后形成一个小长气泡，因气泡较轻，故处于管内最高处。水准管顶面刻有2mm间隔的分划线，分划线的中点O称为水准管零点，通过零点O的圆弧切线LL称为水准管轴［图2.6（a）］。当水准管的气泡中点与零点重合时称为气泡居中，表示水准管轴水平。若保持视准轴与水准管轴平行，则当气泡居中时，视准轴也应位于水平位置。通常根据水准管气泡两端距水准管两端刻划的格数相等的方法来判断水准管气泡是否精确居中［图2.6（b）］。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作水准管上两相邻分划线间的圆弧［弧长为2mm］所对的圆心角，称为水准管分划值τ″。用公式表示为：式中R——水准管圆弧半径（mm）；ρ″——值为206265″。上式说明分划值τ″与水准管圆弧半径R成反比。R愈大，τ″愈小，水准管灵敏度愈高，则定平仪器的精度也愈高；反之，定平精度就低。DS3型水准仪水准管的分划值一般为20″/2mm，表明气泡移动一格（2mm），水准管轴倾斜20″。R2（2.6）2.2DS3型微倾式水准仪及其操作为了提高水准管气泡居中精度，DS3型水准仪的水准管上方安装有一组附合棱镜（图2.7），通过附合棱镜的反射作用，把水准管气泡两端的影像反映在望远镜旁的水准管气泡观察窗内，当气泡两端的两个半像符合成一个圆弧时，就表示水准管气泡居中；若两个半像错开，则表示水准管气泡不居中，此时可转动位于目镜下方的微倾螺旋，使气泡两端的半像严密吻合（即居中），达到仪器的精确置平。这种配有符合棱镜的水准器称为符合水准器。它不仅便于观察，同时可以使气泡居中精度提高一倍。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作基座基座主要由轴座、脚螺旋和连接板构成。仪器上部通过竖轴插入轴座内，由基座托承。整个仪器用连接螺旋与三脚架连接。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作水准尺是水准测量时使用的标尺，其质量的好坏直接影响水准测量的精度，因此，水准尺一般是用不易变形且干燥的优良木材或玻璃钢制成，要求尺长稳定，刻划准确，长度从2～5m不等。根据它们的构造，常用的水准尺可分为直尺（整体尺）、拆尺和塔尺三种，如图2.8所示。直尺中又有单面分划尺和双面（红黑面）分划尺。2.2.3水准尺、尺垫和三脚架2.2DS3型微倾式水准仪及其操作水准尺(a)直尺；(b)折尺；(c)塔尺2.2DS3型微倾式水准仪及其操作涂有黑白或红白相间的分格，每分米处注有数字，数字一般是倒写的，以便观测时从望远镜中看到的字是正的。双面水准尺的两面均有刻划，一面为黑白分划，称为“黑面尺”（也称主尺），另一面为红白分划，称为“红面尺”。通常用两根尺组成一对进行水准测量，两根尺的黑面尺尺底读数均从零开始，而红面尺尺底一根从固定数值4.687m开始，另一根从固定数值4.787m开始，此数值称为零点差（或红黑面常数差）。2.2DS3型微倾式水准仪及其操作水平视线在同一根水准尺上的黑面与红面的读数之差称为尺底的零点差，可作为水准测量时读数的检核。塔尺是由三节小尺套接而成，不用时套在最下一节之内，长度仅2m。如果把三节全部拉出可长达5m。塔尺携带方便，但应注意塔尺的连接处必须套接准确稳固。塔尺一般用于地形起伏较大、精度要