水电站大坝安全监测管理与操作实务摘要(2013)

1、|濮久武濮久武 联系电话：联系电话全监测工作的要求安全监测工作的要求 安全监测工作现场观测中的安全监测工作现场观测中的“四无四无”是指无缺测、无漏测、无不符合精度要求、无违时；“五随五随”是指随观测、随记录、随计算、随校核、随整理；“五固定五固定”是指固定人员、固定仪器、固定方法、固定测次、固定时间。水工建筑物安全监测类别主要分为：水工建筑物安全监测类别主要分为：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五大类 。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

2、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全面详细检查。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

3、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。巡视检查规定及要求（1）日常巡视检查次数）日常巡视检查次数 应根据各工程具体情况确定：在施工期，每周不少于一次；水库第一次蓄水或提高水位期间，宜每天一次或每两天一次（依库水位上升速率而定）；正常运行期，每月不少于一次；汛期应增加巡视检查次数；水库

4、水位达到设计水位前后，每天至少应巡视检查一次。（2） 检查的范围和内容及方法参见规范检查的范围和内容及方法参见规范（3）检查的程序）检查的程序 巡视检查应根据每个工程的实际情况，制定相应的检查工作程序（包括检查的范围及内容、检查顺序、检查路线、记录格式、编制报告的要求及检查人员组成职责等）。每次检查时必须按规定的路线依次进行检查。（4）记录和整理工作要求）记录和整理工作要求 每次巡视检查均应按规定的表格要求作出记录。如发现异常情况除应详细记述时间、部位、险情和绘出草图外，必要时应测图、摄影或录像。 现场记录必须及时整理，还应将本次巡视检查结果与以往巡视检查结果进行比较分析，如有问题或异常现象，

5、应立即进行复查，以保证记录的准确性。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

6、力学监测。测量误差测量误差测量误差的分类测量误差的分类 根据对观测成果影响的不同，测量误差可分为系统误根据对观测成果影响的不同，测量误差可分为系统误差和偶然误差两种。差和偶然误差两种。（1）系统误差）系统误差 在相同的观测条件下，即用同样的仪器、同样的方法、在同样在相同的观测条件下，即用同样的仪器、同样的方法、在同样的自然条件下，对某一定量进行多次观测，如果所产生的误差在大的自然条件下，对某一定量进行多次观测，如果所产生的误差在大小和符号上是一定的，或者按一定的规律变化或保持常数，则这种小和符号上是一定的，或者按一定的规律变化或保持常数，则这种误差称为系统误差。误差称为系统误差。 （2）偶然误

7、差）偶然误差 在相同的观测条件下，对某一量进行了多次观测，其误差在大在相同的观测条件下，对某一量进行了多次观测，其误差在大小和符号上都不相同，也就是从表面上来看，它们的大小不等，符小和符号上都不相同，也就是从表面上来看，它们的大小不等，符号不同，没有明显的规律，这种误差称为偶然误差。号不同，没有明显的规律，这种误差称为偶然误差。 偶然误差的特性偶然误差的特性 在测量工作中，偶然误差是无法消除的，因此观测成果的精度与偶然误差有密切的关系。偶然误差的特性如下：1、在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限值；2、绝对值较小的误差比绝对值大的误差出现的机会多；3、绝对值相等的正误差和负误差

8、出现的机会几乎相等；4、当观测次数无限增加时，偶然误差的算术平均值趋向于零。 数字凑整规则数字凑整规则 1）加和减中的合理取位）加和减中的合理取位 加或减的凑整规则是：在各数中，以小数最少的数为标准，其余各数均凑整成比该数多一位。2）乘和除中的合理取位）乘和除中的合理取位 乘和除的凑整规则是：在各因素中，以“数字”个数最少的为准，其余各因素及乘积（商）均凑整成比该因数多一个“数字”，而与小数点的位置无关。3）乘方与开方中的合理取位）乘方与开方中的合理取位 乘方的凑整规则是：凑整到与底数同样字位数的有效数字。4）对数计算：凑整到比近似数有效数字位数多一位的对数值。）对数计算：凑整到比近似数有效数

9、字位数多一位的对数值。5）三角函数：当角度凑整到）三角函数：当角度凑整到1”，应采用六位函数表；当角度凑，应采用六位函数表；当角度凑整到整到0.1 ” ，应采用七位函数表；当角度凑整到，应采用七位函数表；当角度凑整到0.01 ” ，应采用，应采用八位函数表八位函数表变形监测 变形监测是反映大坝安全状态的三大物理量之一。大坝的异常变形可导致裂缝、渗流、滑坡、倾覆等破坏现象，往往是大坝破坏事故的先兆。由于变形监测能较直观地反映大坝性态的运行情况，常常被视为大坝安全监测的重点监测项目。变形监测工作在及早发现问题，防止大坝失事，减轻灾害损失方面已经取得了十分显著的成效。 作为水工建筑物的安全监控量，变

10、形监测量比应力应变监测量更有效。一是变形监测是反映建筑物的宏观量、整体量，而应力应变反映的则是微观量、局部量。如坝顶变形反映的是大坝自基础、坝体直至坝顶所有变形量的综合情况。而坝体应力应变反映的是测点部位的情况，其与测点部位的荷载及坝体本身材料有关，并不能代表坝的整体。变形可以得到绝对量，而应力应变一般代表测点两端的相对变化。如整个坝体发生位移的时候，坝体测点的应力应变不一定得到反映；而应力应变测点应力超限产生裂缝不一定代表整个大坝出现大的变形或出现异常。当然很多情况下建筑物的变形是由非荷载因素的温度引起的弹性变形，这种弹性变形有时会很大但对建筑物并不构成危害，温度引起的弹性变形掩盖了荷载、时

11、效等因素引起的变形，影响了变形量用作建筑物安全监控的直观性和灵敏性。二是变形反映的是终极量、较直观，而应力应变则是中间量、较抽象。变形量是一个反映大坝运行的最终成果，其物理意义很明确，用作大坝安全监控很直观，容易操作。而坝体应力应变量是一个中间过程，坝体的应力需经过一系列繁杂的计算，最终成果会包含一系列的计算及设定误差，用以监控大坝安全指标难以认定。三是变形监测点容易修建，而应力应变监测点损坏后难以修复。一般大坝等内部埋设仪器由于所处的工作环境均较差，使用寿命较短，且随着大坝的运行会不断损坏而难以修复。 变形监测包括坝体及坝基表面水平及垂直位移、内部水平及垂直位移、近坝库岸边坡变形、倾斜、接缝

12、及裂缝变位等监测。工程建筑物的变形监测能否达到预定目的，要受很多因素的影响。其中，最基本的因素是观测点的布置、观测的精度与测次，以及每次观测所进行的时间。 变形监测一般规定变形监测一般规定 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。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。土石坝变形监测的精度土石坝变形监测的精度 注：上述变形监测精度表中位移量中误差限值是指待测方向的位移量全中误差，如大坝上下游向观测时仅考虑上下游向；交会观测时有X、Y向等；近坝区岩体

13、及边坡等未指定方向的观测时应为所有方向，即误差椭圆长半轴亦需满足上表位移量中误差限值要求。监测物理量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

14、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。 必须重视基准值的观测，基准值一般应连续观测必须重视基准值的观测，基准值一般应连续观测2次次3次，合格后取均值使用。有联系的各观测项目，应尽量同时次，合格后取均值使用。有联系的各观测项目，应尽量同时观测。野外观测应选择有利时间进行。观测。野外观测应选择有利时间进行。精密测角的一般原则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

15、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

16、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约一周。7）用望远镜竖丝精确照准目标时，应将目标置于横丝附近，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。光学经纬仪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。电子经纬仪或全站仪观测时，其微动螺旋最后旋转方向可不受旋进限制，应使盘左、盘右照准目标时分别使望远镜竖丝从目标的左（右）侧、右（左）侧照准目标。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

17、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。水平方向重测规定和重测数的计算水平方向重测规定和重测数的计算观测成果超限必须重测，决定哪个测回或哪个方向应该重测是个重要的问题，它是一个关系到最后平均值是否接近客观真值的重要问题，因此要慎重对待。对重测对象的判断，有些较明显，有些则要求观测员从当时当地的实际情况出发，结合误差传播的规律和实践经验进行具体分析，才能正确判断。下面介绍一些有关重测的注意事项：1）重测一般应在基本测回（即规定的全部测回）完成以后，对全部成果进行综合分析，作出正确的取舍，并尽可能分析出影响质量的原因

18、后再进行。切忌不加分析，片面地、盲目地追求观测成果的表面合格，以致最后得不到良好的结果。2）因对错度盘、测错方向、读错记错、碰动仪器、气泡偏离过大、上半测回归零差超限以及其它原因未测完的测回，都可以立即重测，并不算重测数。3）一测回中2C互差超限或化归同一起始方向后，同一方向值各测回互差超限时，重测超限方向并联测零方向（起始方向的度盘位置与原测回相同）。因测回互差超限重测时，除明显弧值外，原则上应重测观测结果中最大和最小值的测回。4）一测回中超限的方向数大于测站方向总数的1/3时，应重测整个测回。5）若零方向的2C互差超限或下半测回的归零差超限，则应重测整个测回。6）在一个测站上重测的方向测回

19、数超过测站上方向测回总数的1/3时，需重测全部测回。7）因三角形闭合差、极条件、基线条件、方位角条件自由项超限而重测，应进行认真分析选取有关测站整站重测。垂直角观测的注意事项垂直角观测的注意事项1）对于具有ATR（自动目标识别）功能的全站仪，采用ATR照准目标时，观测前必须按要求进行ATR准直差的校准，以削弱垂直角观测值中因ATR准直差直接产生的系统影响。无竖盘指标自动归零功能的经纬仪在垂直角观测前，应将照准部水准器安置水平，每次进行垂直度盘读数前，必须使垂直度盘指标水准气泡精密符合（居中）。2）未采用ATR的全站仪或经纬仪，应按规定部位进行照准，通常是照准觇标上缘或塔式觇杆中部边缘。所有照准

20、部位都须在观测手簿中记录清楚，并绘图示意。在盘左、盘右两个位置照准目标时，目标影像应分别置于竖丝附近两侧的对称位置，以减弱十字丝横丝不水平引起的误差影响。光学经纬仪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。电子经纬仪或全站仪观测时，其微动螺旋最后旋转方向可不受旋进限制，应使盘左、盘右照准目标时分别使望远镜横丝从目标的上（下）侧、下（上）侧照准目标。3）垂直角观测，应在规范规定的时间段内进行。4）其他要求参见水平方向观测相关内容。方向观测法测站平差方向观测法测站平差一测回方向观测中误差 式中n为包括零方向在内的方向个数， 随着测回数m的不同而变化，可以预先算好，如m9，k0.14

21、7；m12，k0.109等。m测回方向值中数的中误差为nvkmmnv1253.11253. 1mmkmM电磁波测距基本原理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 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

22、操作比较方便，但由于脉冲宽度和计数器时间分辨能力限制，直接测量时间只能达到10-8s，其相应的测距精度约1m2m。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2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

23、距仪属于这种相位式测距仪。 DctD221相位式测距仪的基本公式相位式测距仪的基本公式相位式测距仪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。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。 调制波往返测线NNuNfcD22fcu22N上式中是半波长；N为整周数，而是不足一周的尾数。 棱镜反射器棱镜反射器 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，故观在空间也必然是相互平行的。正因

24、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。测斜距时棱镜只须粗略对准测线方向就可以了。 但观测水平方向、垂直角，安置棱镜时应使棱镜基本对准但观测水平方向、垂直角，安置棱镜时应使棱镜基本对准测线方向，尤其是近距离观测时。测线方向，尤其是近距离观测时。 电磁波测距观测结果的化算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，有仪器的加常数改正k、置平改正D（适用于测距仪）、频率改正Df和周期误差D改正；第二类是

25、因大气折射而引起的改正，有气象改正Dn和波道弯曲改正D（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De、倾斜改正和投影到椭球面（或测区某指定高程面）上的改正Ds。（4）气象改正）气象改正nD1）倾斜改正）倾斜改正2）光电测距倾斜改正（平距化算）严密公式）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）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测线平均高程面上的水平长度D；徕卡全站仪观测到的平；徕卡全站仪观测到的平距已化算成测站高程

26、面上的弦长；日本品牌的全站仪观测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。改正。（5）倾斜改正和投影到椭球面上的改正）倾斜改正和投影到椭球面上的改正 sD 图5-43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。由图可

27、知图5-43 测线长度投影mmAAhHRRDD1（6）参考椭球面上水平距离的计算）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 )()()(0sfneDDDDDDDKDS应当指出，以上各项改正并非项项都要计算，根据仪应当指出，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

28、各已经考虑了）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。最后一次计算。电磁波测距误差来源及其影响电磁波测距误差来源及其影响 （1）比例误差）比例误差 1）光速值）光速值c0的误差的误差2）调制频率）调制频率f的误差的误差3）大气折射率）大气折射率n的误差的误差大气折射率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

29、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，取中等大气条件下的数值（P760mmHg，t20，e10mmHg）代入后，得 由此可见，激光测距中温度误差对折射系数的影响最大。当dt1时，dnt0.9510-6，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Dp2.5mmHg（或3.4hPa ）时，dnp0.9310-6，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 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（P760mmHg，t20， e10mmHg）代入后，得 dedndPdndtdnlPi

30、6661005. 01037. 01095. 0ettePtn2 .273574812 .27826.962 .27349.1031016dedndPdndtdnlPi666106 . 01035. 0104 . 1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（tt）的测定误差为1，则算得水汽压误差de0.50mmHg，由此引起大气折射系数的误差dn16.110-60.503.010-6，从而产生测距相对误差 ，显然，这是一个相当可观的误差影响。从以上的误差分析来看，正确地测

31、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（或0.5hPa），其误差应小于1mmHg（或1hPa）。 尤其是气压表，由于零点误差或振动的影响，可能会引起较大尤其是气压表，由于零点误差或振动的影响，可能会引起较大（十几个毫巴甚至更大）的仪表误差，所以一定要购买质量可靠的气（

32、十几个毫巴甚至更大）的仪表误差，所以一定要购买质量可靠的气象仪器，并且定期送当地气象检定部门进行检定。有条件时配备一个象仪器，并且定期送当地气象检定部门进行检定。有条件时配备一个标准气压表或多备几个气压表，施测期间将标准的仪表一律放在驻地，标准气压表或多备几个气压表，施测期间将标准的仪表一律放在驻地，以免受到震动，野外所用气压表在每期业务前后均与标准气压表进行以免受到震动，野外所用气压表在每期业务前后均与标准气压表进行比较修正。比较修正。 6103DdDb. 气象代表性的误差影响较为复杂，它受到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测线周围的地形、地物和地

33、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，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，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较均匀的阴天。必要时，可加设中间点测定温度。度。c. 气象代表性的误差影响，在不同的时间（如气象代表性的误差影响，在不同的时间（如上午与下午、白天与黑夜），不同的天气（如上午与下午、白天与黑夜），不同的天气（如阴天和

34、晴天），具有一定偶然性，有相互抵消阴天和晴天），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。测，也能进一步地削弱气象代表性的误差影响。 （2）固定误差）固定误差 1）归心或对中误差）归心或对中误差m l2）仪器加常数误差）仪器加常数误差m k3）测相误差）测相误差m精密光电测距 1）测距作业）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

35、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。2）观测成果的重测和取舍）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

36、距离，若重测还是超限，重测往、返两方向的距离。 3）气象元素的测定）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15min30min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2min4min（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

37、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）。全站仪及其特性全站仪及其特性 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。全站仪精度指标全站仪精度指标在所有全站仪测距部分标称

38、精度指标的表达式中，均使用（ABD）的形式，如徕卡TC2003系列为（1mm1ppmD）。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1mm5mm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

39、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1ppm5ppm之间；D的单位为“km”，即1106mm，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

40、偶然误差号，即构成全站仪测距精度。如徕卡TCA2003全站仪测距精度为1mm1ppmD。当被测距离为1km时，仪器测距精度为2mm。换句话说，全站仪最大测距误差不大于2mm；当被测距离为2km时，仪器测距精度则为3mm，最大测距误差不大于3mm。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

41、，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）2003/1800、TM30（TS30）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（JJG1002003）将全站仪及电子经纬仪的准确度划分为4个等级，见下表。 全站仪测距气象改正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

42、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T12，P1013.25mbar（760mmHg），H60作为标准气象条件，此时的气象改正值ppm0。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。1013.25mb

43、ar约相当于0m高程的气压值，在0m2000m范围内，高程每升高8m10m，气压一般减小约1mbar；在2000m4000m范围内，高程每升高10 m13m，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20mbar60mbar。 全站仪的三轴补偿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

44、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），则不仅能补偿垂直轴倾斜分解成的视准轴方向

45、和水平轴方向倾斜而引起的垂直度盘和水平度盘读数误差补偿，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以及竖盘指标差引起的竖盘读数影响 。通常称为“三轴补偿”。实际上包含有五重补偿 。 双轴补偿将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

46、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。1）双轴补偿）双轴补偿2）水平轴倾斜误差）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（tiltingaxis 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，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i为水平轴倾斜误差对水平方向观测读数的影响，则有 i 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。 tgSttStgi

47、 3）视准轴误差）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：CC / 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，CC，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：LR1802C需要说明的是，有的资料为了解释

48、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PTSV2以及捷创力的Geodimeter 500600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

49、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 Hz0C / cos （Sti）tg 式中 HzT 显示的水平度盘读数；Hz0 电子度盘传感器测得的值； St 垂直轴倾斜在水平轴方向分量； i 水平轴倾斜误差 。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。4）全

50、站仪的三轴补偿方法）全站仪的三轴补偿方法 全站仪的补偿改正是通过补偿器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，时值补偿垂直轴倾斜引起的垂直、水平度盘读数误差，同同时时通过已被确定并存储在仪器里的最新水平轴误差、视准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轴误差以及竖盘指标差等用仪器内计算软件来用仪器内计算软件来改正仪器轴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本身的误差、仪器轴系

51、误差中的水平轴误差 i、视准轴误、视准轴误差差C及竖盘指标差及竖盘指标差 I 等，应通过定期的检测等，应通过定期的检测进行修正以使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。项轴系误差。ATR自动目标识别及定位自动目标识别及定位1）原理）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

52、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。 采用采用ATR时，视准线和时，视准线和CCD相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差即相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差即为为ATR准直差（照准差）。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

53、消除，尤其在垂直角观测时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后能将ATR照准差基本消除。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

54、，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）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

55、约2秒4秒钟。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

56、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

57、常数。 全站仪在变形观测中的应用 （1）徕卡）徕卡TCA机载大坝变形监测软件的应用机载大坝变形监测软件的应用采用全站仪人工现场观测，由于观测目标多、测回数多、精度要求高等特点，观测工作费时费力，作业效率难以提高，由此影响了全站仪在工程变形监测领域的应用前景。 （2）采用基准线自校准测距法，提高变形观测中的测距精度）采用基准线自校准测距法，提高变形观测中的测距精度在变形监测中，一般都建有检测基点稳定性的基准网，在一定的时期内，这些基点间的基准边是已知的（或固定的），可以通过在变形观测的同时，测出基准边的长度，此值与已知值之差即可认为是当时气象条件变化或上述诸因素以及其他各种未知误差源在基准边上观

58、测所产生的综合影响，同时也可简易地评定仪器的稳定性能。 （3）全站仪用于视准线观测）全站仪用于视准线观测使用传统的光学经纬仪，因其没有垂直轴倾斜自动补偿功能，一旦工作基点与位移测点有较大高差，则因经纬仪垂直轴倾斜引起的系统误差将无法消除。如T3 经纬仪气泡偏离一格时，对于相对其高差为30m的位移测点将产生约1mm的系统误差。而徕卡全站仪由于其具有“三轴自动补偿”功能，可完全消除这种系统误差。应当注意到，全站仪中的“三轴自动补偿”功能只是在度盘读数中自动加入改正，并非物理上的轴系改平，所以如果全站仪作视准线法观测要发挥其“补偿”功能，则只能采用“小角度法”，而不应采用“活动觇牌法”。再者，全站仪

59、望远镜的放大倍率均不高，用人工照准觇牌的照准误差较大，况且TCA全站仪无水平制动设施。水准仪等级分类水准仪等级分类 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

60、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