1、电子水准仪在沉降观测工作中的应用研究摘 要：沉降观测工作是利用测量仪器或专业仪器监测变形体在垂直方向上的位移。常用的方法是水准测量，有时也采用液体静力水准测量。通过观测成果可反映变形体的沉降量及沉降速度，以确保变形体是否进入稳定状态。本文主要通过拓普康 DL-111C 电子水准仪在鞍钢集团鲅鱼圈钢铁分公司建筑物沉降观测工作中的应用，对电子水准仪的作业模式和使用技巧进行了研究，阐述了如何在困难环境中能够快速准确地测量出所需数据的一些具体方法。通过实际工作，体现出了电子水准仪较传统的光学水准仪的一些优势。 关键词：沉降观测；电子水准仪 中图分类号: U212.2 文献标识码：A 文章编号： 引 言
2、 鞍钢集团鲅鱼圈钢铁分公司坐落在美丽的渤海之滨营口市。厂区面积约 10 平方公里，厂区原地貌为山地和海滩。山地区域情况较好，基础较稳定。但其中有部分区域为填海地段，基础相对不太稳定，需要进行沉降观测以确保建筑物的稳定性。由于钢铁企业的特殊性，作业现场环境十分复杂，观测工作存在很多困难。电子水准仪以其自动化测量方式，程序化的测站平差系统，自动记录系统，简单的操作界面，高精度等优势在此工程中发挥了巨大的作用。 本文介绍了电子水准仪在实际工作中的作业模式和方法，与光学水准仪进行了对比，体现出了复杂环境下电子水准仪的优势，能够更好的提高工作效率、降低成本、减少工作量。 1 电子水准仪工作原理 电子水准
3、仪是在精密自动安平水准仪的基础上发展起来的。电子水准仪是通过感光器分析标尺影像对一维数字影像处理的应用，利用二级管检测阵列来代替测量人员的眼睛，相当于在水准仪里架设了具有稳定视线的一部 CCD 照相机。 水准条码标尺上的不同条码在通过望远镜成像到平面上的 CCD 光电传感器上，CCD 光电传感器再将黑白相间的条码图像转换成模拟视频信号，经过仪器内部的数字图像处理，即可获得望远镜中丝条形码标尺上的读数。此数据一方面在屏幕上显示，另一方面存储在仪器内部的存储器中。2 建筑物沉降观测的基本方法 2.1 基准网布设 建筑物沉降观测应测定建筑地基的沉降量，沉降差及沉降速度，并根据需要计算基础倾斜，局部倾
4、斜，相对弯曲及构件倾斜。沉降观测网一般布设成基准网和监测网两级。基准网由基准点和工作基点构成；监测网由部分基准点，工作基点和变形观测点构成。沉降观测基准网，应布设成环形网并采用水准测量方法进行。其基准点宜选择基岩水准点或相对稳定的水准点，且宜为国家一二等水准点。基准点应设置在变形影响范围以外，位置稳定，易于长期保存的地方，并定期复测，保证成果的正确性。在建筑区内，其点位与邻近建筑的距离应大于建筑基础最大宽度的 2 倍，其标石埋深应大于邻近建筑基础的深度。高程基准点也可选择在基础深且稳定的建筑上。基准点个数不应少于 3 个。工作基点由基准点发展而来，是以后进行观测工作的主要起算点，选点时要保证点
5、位的稳定性和长期保存性。基准点和工作基点应避开交通主干道、地下管线、仓库堆栈、水源地、河岸、松软填土、滑坡地段、机器振动区以及其他可能使标石、标志易遭腐蚀和破坏的地方。 2.2 沉降观测点布设 沉降观测点的布设应能全面反映建筑及地基变形特征，并顾及地质情况及建筑结构特点。根据本项目要求，沉降点遍布整个厂区。建筑物上的点布设于建筑的四角，核心筒四角，大转角处及沿外墙每 10-20m 处或每隔 2-3 根柱基上；工业设备上的点布设于设备的基础角上；管道支架上的点布设于支架底部。沉降观测点尽量选择通视良好，环境安全，易于观测的点位。点位上方空间应大于 3 米，便于立尺；特殊困难处不应小于 2 米。
6、2.3 沉降观测的周期和观测时间 建筑使用阶段的观测次数，应视地基土类型和沉降速率大小而定。除有特殊要求外，可在第一年观测 3-4 次，第二年观测 2-3 次，第三年后每年观测一次，直至稳定为止。建筑物是否进入稳定阶段，应由沉降量与时间关系曲线判定。当最后 100d 的沉降速率小于 0.01-0.04mm/d 时可认定为进入稳定阶段。 2.4 沉降观测的作业方法和技术要求 本次沉降观测工作历时 8 个月。共进行了 5 次观测。基准网观测采用二等水准测量，基准点和工作基点组成闭合路线。在进行第四次沉降观测前对基准网进行了重新观测。观测执行规范中二等水准测量技术要求表一、表二。根据测段往返测高差之
7、差按公式（1）计算每千米水准测量高差偶然中误差. 表一：水准观测的视线长度、前后视距差和视线高度（m） 表二：水准测量的观测限差（mm） 注：L附合或环线路线长度 km,R检测测段长度 km。 公式：= (1) 式中：高差偶然中误差（mm） 为测段往返高差不符值（mm） L为测段长度(km)；n为测段数 沉降观测点高程测量按三等水准测量技术要求进行。水准路线应形成附合路线或闭合路线。每个建筑物至少有两个以上观测点为水准路线上点。水准测量限差见表三、表四。使用间视法测量时视距不大于 50 米。根据附合路线和闭合路线的闭合差按公式（2）计算每千米水准测量高差全中误差. 表三：水准观测的视线长度、前
8、后视距差和视线高度（m） 注：L附合或环线路线长度 km,R检测测段长度 km。 公式：= (2) 式中：高差全中误差（mm） W为经过各项改正后的水准环闭合差（mm） F为水准环线周长(km)；N为水准环数 3 电子水准仪在沉降观测工作中的应用 3.1 本工程基准网和沉降观测点布设 本次工程的基准网由 3 个基准点和 27 个工作基点组成。3 个基准点位于厂区外部，均为国家二等水准点；27 个工作基点布设于整个水准路线上，选择尽量靠近测区的稳定区域上，并保证基准点的可长期保存性。3 个基准点先进行二等水准联测，确定点的稳定性后与 27 个工作基点进行二等水准测量，按规范要求平差计算后求出各个
9、工作基点的高程。本次工程的沉降观测点根据厂方要求遍布于整个厂区，其中炼铁区 94 个点，炼钢区 80 个点，热轧区 63 个点，厚板区 42 个点，动力区 117 个点，煤气管道区 56 个点，氧气厂 127 个点。热轧，厚板，动力区域位于填海区域，需进行重点观测。监测网的测量采用三等水准测量进行，选择靠近沉降点的工作基点作为起算数据，组成附合或闭合路线。测量后按规范要求计算出各个沉降点此次高程，通过各期观测的高程之差计算出各沉降点的沉降量等数据。 3.2 仪器准备 工程开始前应准备好检定和校准有效期内的仪器。确定电子水准仪和水准标尺通过规范规定的要求，仪器可设置自动进行地球弯曲差和大气垂直折
10、光差改正。DL111C 电子水准仪本身具有检测 i 角的功能，可使用此项功能对仪器的 i 角进行改正。在整个作业期间应在每天开测前进行 i 角测定。脚架使用拓普康原厂木制脚架，使用前应确定脚架的稳定性，将脚架上所有螺旋固紧，防止晃动引起误差。另应准备 2.5KG 以上的尺垫和强光手电若干个。 外业观测流程 水准观测严格按照规范规定的基本要求执行。观测过程中要求每条线路固定观测人员，固定观测仪器，脚架，以及固定的线路观测顺序。事先应设计好当天观测的线路，制定解决困难问题的具体办法，为第二天的工作做好充分的准备。测前根据水准等级将仪器的各项限差设置完毕，选择仪器内的线路水准测量模式进行观测，遇到结
11、点或线路需要暂停时，可使用仪器本身的中断测量功能暂时中断，选择一个坚稳可靠，光滑突出，便于放置标尺的固定点作为间歇点，下次可以继续线路水准测量模式，保持线路的完整性，但在间歇后需对间歇点进行检测，比较任意两尺承点间歇前后所测高差进行检查，符合限差要求后即可起测；若超过限差，可变动仪器高度再检测一次，如仍超限，则应从前一水准点起测。当某一测站观测误差超限，在本站发现后可立即重测，若迁站后才检查发现，则应从水准点或经检测合格的间歇点起始，重新观测。某一线路结束时，可以结束测量并立刻查看线路闭合差，为及时发现问题提供了方便。 外业观测问题及解决方法 3.4.1 当室外光线较强，望远镜直接对准阳光时，
12、观测速度明显变慢，有时甚至不能测出数据。这就需要我们根据当地的日照情况合理安排观测时间和观测顺序，必要时使用测伞，以提高效率。 3.4.2 在有些大型厂房内观测时，室内光线较暗，仪器的观测速度也会变慢甚至不能测出数据。解决方法是用事先准备好的强光手电进行照明，注意强光手电的光线不能垂直照射在条码尺上，应从侧面带有一定角度的照射在尺面上，这样才能测出数据。 3.4.3 冬季作业，当线路由室内转向室外时，由于温度变化会对 i 角产生影响，会使线路的观测质量下降。此时应将仪器置于室外一段时间，待仪器温度与室外温度接近时进行不少于 20 次的单次测量预热后，方可继续进行观测。另外也可将仪器内的加热器打
13、开。 3.4.4 当观测人员调焦不准确时，仪器观测速度较慢甚至不能测出数据。这就要求观测人员准确调焦以提高观测速度。 3.4.5 当地面有震动时仪器有时也能观测出数据，但此测站结束时会显示限差超限，这样便影响了观测的速度。观测时注意确信震动源造成的震动消失后，才能启动测量键。 数据处理与分析 外业观测数据直接传输到计算机中，水准测量计算采用清华三维NASW 智能图文网平差软件。根据沉降观测点的高程计算各点的沉降量，以及本周期平均沉降量、沉降速率和累积沉降量，根据以上数据编制沉降观测成果表。根据沉降点位的具体分布还要绘制沉降点位分布图。最后依据时间、平均沉降量、平均沉降速率绘制时间-沉降量曲线图
14、和时间-平均沉降速率曲线图，结合建筑物的结构图，所处的地质情况，负载，时间等情况分析建筑物的沉降数据是否合理。总结变形点位的合理性，测量方案可行性。提高测量的客观性和可靠性。每期观测结束后，应及时处理观测数据。当数据处理结果出现下列情况之一时，必须立即通知建设单位和施工单位采取相应措施： 3.5.1 变形量达到预警值或接近允许值。 3.5.2 变形量出现异常变化。 3.5.3 建筑物的裂缝或地表的裂缝快速扩大。 电子水准仪与光学水准仪的对比 通过此次工程的具体使用，显示出了电子水准仪与传统仪器相比具有以下优势： 精度高：读数准确，不存在观测过程中的人为记录误差，人为读数误差。视线高和视距读数都
15、是使用大量条码分划图像经处理后取平均值得出的，削弱了标尺分划误差的影响。仪器具有多次读数取平均值的功能，可以削弱外界条件的影响。 效率高：仪器自动记录观测数据，计算测站的各项限差，不用人工记录和计算，这极大地缩短了每一测站上消耗的时间，在某些震动频繁的地区，观测时间的缩短对线路能够快速顺利的进行具有很大的作用。只需调焦和按键即可自动读数，减轻了劳动强度。 内外业一体化：所有观测数据全部自动存储并传输到计算机中，自动生成外业观测记录，为后期数据处理提供了方便。数据传输后及时进行备份，降低了在数据保存方面人为因素的影响。 结论 本文主要介绍了电子水准仪的原理，使用方法及与传统仪器相比较的优势。通过实际工作检验，其精度指标完全可以满足沉降观测工作的要求。电子水准仪作为一种功能强大的测量系统，以其操作简单，精度高，速度快等特点，在越来越多的沉降观测工作中会有良好的应用。随着科技的发展，电子水准仪的各项性能会更加进步，相信其会在日后的测量工作中为提高工作效率发挥更大的作用。 参考文献： 1 王家贵 王佩贤等。测绘学基础M，北京：教育出版社,2003 年 2 武汉测绘科技大学（测绘学）编写组。测量学M，北京：测绘出版社，2000 年 3 徐正扬。电子水准仪的原理及精度J，四川测绘，1999 年
