測(cè)距三角高程法在平潭海峽大橋跨海水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

黃鴻祥

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福建福州 350004)

測(cè)距三角高程法在平潭海峽大橋跨海水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

黃鴻祥?

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福建福州 350004)

目前對(duì)于跨度大于3 km的跨海(河)水準(zhǔn)測(cè)量尚無(wú)其他先進(jìn)的測(cè)量方法前提下,本文介紹利用測(cè)距三角高程法對(duì)平潭海峽大橋建設(shè)點(diǎn)的兩岸實(shí)施跨海水準(zhǔn)測(cè)量,成功地對(duì)兩岸的高程進(jìn)行了傳遞,且滿足了測(cè)量規(guī)范和橋梁設(shè)計(jì)要求,為今后長(zhǎng)距離的橋梁的高程控制提供了經(jīng)驗(yàn)。

平潭海峽大橋;三角高程;二等水準(zhǔn);平差

1 概 述

平潭是福建第一大島,是我國(guó)第五大島。海峽大橋是大陸連接平潭島的唯一橋梁,它的建設(shè)對(duì)平潭的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,社會(huì)進(jìn)步有著至關(guān)重要的地位。平潭海峽大橋全長(zhǎng)3 510 m,起點(diǎn)位于福清市小山東,跨越海壇海峽,經(jīng)北青嶼終點(diǎn)至平潭的娘宮。由于平潭大橋建設(shè)點(diǎn)海域?qū)捈s3 400 m,對(duì)大橋的二等高程控制網(wǎng)的施測(cè)提出不小的挑戰(zhàn)。本文主要介紹平潭海峽大橋二等跨海水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施情況。

2 兩岸跨海點(diǎn)的選定及布設(shè)

平潭跨海二等水準(zhǔn)測(cè)量比起一般的跨河(海)二等水準(zhǔn)測(cè)量有其特殊性。視線長(zhǎng),前后視距差值大,而且海峽大橋東西走向,觀測(cè)過(guò)程受陽(yáng)光的光線影響很大。為了減弱各種誤差因素對(duì)精度的影響,我們按照以下三個(gè)原則來(lái)選定和布設(shè)兩岸觀測(cè)點(diǎn):

(1)兩岸跨海點(diǎn)選取在交通方便,海壇海峽相對(duì)狹窄處,盡量縮短視線長(zhǎng)度。觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在兩岸的小土坡上,兩岸的地勢(shì)相近,高差小,視線離海面有一定的高度,避免了有可能影響觀測(cè)的任何障礙物。

(2)兩岸測(cè)站點(diǎn)和覘板之間應(yīng)構(gòu)成相對(duì)稱的圖形,如圖1所示,可以分別為平行四邊形、等腰梯形或Z字形,圖1中I為測(cè)站點(diǎn),b為覘板,利用兩臺(tái)T3精密經(jīng)緯儀在兩岸同時(shí)進(jìn)行對(duì)向觀測(cè),這樣使跨海點(diǎn)I1I2、b1b2、I1b2、b1I2之間的高差觀測(cè)值的權(quán)相等。

(3)由于海壇海峽盛行東北季風(fēng),風(fēng)力經(jīng)常達(dá)7級(jí)～8級(jí),再加上跨海水準(zhǔn)需要長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè),架設(shè)儀器和覘板地方必須堅(jiān)硬,不會(huì)被雨水浸濕,導(dǎo)致土質(zhì)和控制點(diǎn)整體下沉,儀器固定牢固,不會(huì)被風(fēng)輕易吹倒。

平潭海峽大橋跨海水準(zhǔn)測(cè)量的觀測(cè)地點(diǎn)選擇在橋梁建設(shè)店西面20 m處水域?qū)挾容^窄的小山包上,兩岸觀測(cè)點(diǎn)之間的距離約為3 400 m,布設(shè)圖形為平行四邊形。所采用的儀器主要有:2臺(tái)威特T3精密經(jīng)緯儀,瑞士徠卡廠生產(chǎn)的銦瓦精密水準(zhǔn)尺,1臺(tái)威特N3水準(zhǔn)儀和1臺(tái)徠卡全站儀,所用儀器及附件均經(jīng)過(guò)計(jì)量部門檢測(cè)為合格產(chǎn)品,測(cè)量方法為測(cè)距三角高程法。

3 平潭海峽大橋水準(zhǔn)測(cè)量方案設(shè)計(jì)

跨河水準(zhǔn)測(cè)量作為高程傳遞的一種特殊方法,在國(guó)家大型水電站建設(shè)及大型橋梁施工中應(yīng)用較為普遍。跨河(海)的水準(zhǔn)測(cè)量方法主要有水準(zhǔn)儀傾斜螺旋法、光學(xué)測(cè)微法、測(cè)距三角高程法和液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量法等。其中水準(zhǔn)儀傾斜螺旋法和光學(xué)測(cè)微法主要適用于短距離的跨河(海)水準(zhǔn)測(cè)量,液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量法雖然能夠保證精度,但是成本高,實(shí)現(xiàn)難度大。所以綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,測(cè)距三角高程法是海峽大橋跨海水準(zhǔn)測(cè)量的首選方案。平潭海峽大橋的水域?qū)捊? 400 m,且呈東西走向,無(wú)論在上午還是在下午都存在一岸逆光的問(wèn)題,致使無(wú)法精確瞄準(zhǔn)標(biāo)志線。針對(duì)逆光的特點(diǎn),我們提出改進(jìn)覘板材料和構(gòu)造的方法,以期提高照準(zhǔn)和讀數(shù)精度。對(duì)于不存在逆光的一岸,則采用常規(guī)覘板。具體的改良措施如下:

(1)改變逆光岸覘板的材料

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,逆光覘板用鋁及其他金屬或有機(jī)玻璃制造,都無(wú)法使測(cè)站清晰地照準(zhǔn)小窗中央的水平標(biāo)志線。如把材料改成能透光的絲綢布,把絲綢布分成藍(lán)色和白色上下兩塊,中間分隔線與標(biāo)志線嚴(yán)格重合,四周用木材固定拉緊,使絲綢布在各個(gè)方向均拉緊,沒有收縮變形,效果則理想的多。

(2)改變覘板上標(biāo)志線的寬度

覘板上矩形標(biāo)志線的寬度一般取S/15000(S為跨河距離,單位為m)。平潭海峽大橋的水域?qū)捊? 400 m,按此公式計(jì)算,標(biāo)志線的寬度達(dá)230 mm。如此大的寬度顯然對(duì)照準(zhǔn)精度有影響。為使遠(yuǎn)距離覘板上標(biāo)志線目標(biāo)清晰,易于被鍥形絲夾準(zhǔn),提高照準(zhǔn)精度,決定縮小標(biāo)志線寬度,使其為S/70000,則平潭海峽大橋跨海水準(zhǔn)的標(biāo)志線寬度取為50 mm。實(shí)踐證明,這樣選擇標(biāo)志線易于夾準(zhǔn),便于觀測(cè)。

(3)其他措施

①為避免陽(yáng)光直射儀器,觀測(cè)時(shí)須打傘。

②選擇風(fēng)力較小,溫差變化不大的陰天進(jìn)行觀測(cè),當(dāng)雨后初晴或大氣折射變化較大時(shí),均不宜觀測(cè)。

③應(yīng)使用對(duì)講機(jī),保證觀測(cè)時(shí)的一致性,使兩岸同時(shí)開始和結(jié)束觀測(cè)。

4 跨海水準(zhǔn)測(cè)量的外業(yè)觀測(cè)及限差要求

(1)根據(jù)平潭海峽大橋的地理環(huán)境情況,跨海水準(zhǔn)測(cè)量方法選擇了測(cè)距三角高程法,水準(zhǔn)路線布置為平行四邊形;按國(guó)家規(guī)范規(guī)定,一共需要觀測(cè)56個(gè)單測(cè)回,每測(cè)回往返2次讀數(shù),讀數(shù)間互差不大于3″,遠(yuǎn)尺讀8組數(shù),安裝8次覘板,每次讀4個(gè)數(shù),每組內(nèi)各次讀數(shù)互差應(yīng)不大于3″;組間讀數(shù)均值較差應(yīng)不大于4″。各測(cè)回的互差dH,應(yīng)不大于按下式計(jì)算的限值:

式中:Mo—每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差限值(mm);

N—單測(cè)回的測(cè)回?cái)?shù);

S—跨海視線長(zhǎng)度(km)。

(2)距離測(cè)量:

本岸測(cè)站點(diǎn)間的距離測(cè)量和跨河測(cè)站點(diǎn)間距離測(cè)量均采用電磁波測(cè)距儀測(cè)定,測(cè)距的準(zhǔn)備工作,觀測(cè)方法和作業(yè)要求、氣象元素測(cè)定、成果記錄及重測(cè)取舍、氣象、加常數(shù)、乘常數(shù)修正值的計(jì)算及邊長(zhǎng)歸算等,均按相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行。每照準(zhǔn)一次,讀4次數(shù)為一測(cè)回,讀數(shù)差小于10 mm,同一條邊一個(gè)時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)6個(gè)測(cè)回,測(cè)回間差小于15 mm。往返測(cè)距中數(shù)較差限值為:dS=(a+b·D·10-6)

式中:a,b為測(cè)距儀標(biāo)稱參數(shù)值。

測(cè)距儀和反射鏡的高度量至毫米,兩次量測(cè)之差應(yīng)不大于3 mm,各次設(shè)站高度不必強(qiáng)求一致。

(3)本岸近尺之間高差測(cè)量

利用威特N3水準(zhǔn)儀配合因瓦精密水準(zhǔn)尺,按二等水準(zhǔn)要求對(duì)本岸近尺之間高差進(jìn)行測(cè)量。

(4)各環(huán)線的閉合差計(jì)算

由大地四邊形組成三個(gè)獨(dú)立閉合環(huán),用同一時(shí)段的各條邊高差計(jì)算閉合差。各環(huán)線的閉合差w應(yīng)不大于下式計(jì)算的限值:

式中:Mw—每千米水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差限值,mm;

S—跨河視線長(zhǎng)度,km

5 數(shù)據(jù)處理

(1)本次跨海距離為3.5 km,按國(guó)家規(guī)范要求共需進(jìn)行14個(gè)時(shí)間段,56個(gè)單測(cè)回的外業(yè)觀測(cè)。

表1 平潭海峽大橋高程控制網(wǎng)二等跨海水準(zhǔn)測(cè)量高差計(jì)算表

從表1數(shù)據(jù)可看出各測(cè)回高差互差均小于dH=4 ·Mo=56 mm(其中Mo=1,N=56,S=3.5)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算同一時(shí)段各環(huán)線的閉合差,均小于w=6·Mw=22.4 mm(其中Mw=2,S=3.5)。顯然, 56個(gè)單測(cè)回的數(shù)據(jù)均符合水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范的要求。

(2)平差計(jì)算

根據(jù)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)(如圖2中h0、h1、h2、h3、h4、h5),可以列出3個(gè)條件方程組:

圖2 水準(zhǔn)路線布置圖

平差結(jié)果如表2所示:

表2 外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)平差結(jié)果

計(jì)算每公里高差中數(shù)中誤差為:

6 總 結(jié)

本次跨海水準(zhǔn)測(cè)量由于跨度較大,且橋梁為東西走向,使得過(guò)河視線方向正對(duì)日照方向,后面通過(guò)對(duì)覘板的改造,才得以改變逆光觀測(cè)的影響,順利完成了平潭海峽大橋的跨海水準(zhǔn)測(cè)量。對(duì)于基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展的今天,為跨河(海)大型工程提供高程控制的跨河水準(zhǔn)測(cè)量的工作日益增多。目前對(duì)于跨度大于3 km的跨河水準(zhǔn)測(cè)量的方法,尚未其他先進(jìn)的測(cè)量方法,通過(guò)這次跨海水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施,為長(zhǎng)距離跨海高程控制提供了實(shí)例。

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Applicatioan of Trigonmetric Leveling Method to the Pingtan Strait Bridge in River-crossing Leveling

Huang Hongxiang
(FuJian Communications Planning&Design Institute,Fuzhou 350004,China)

The thesis mainly introduces that without a more advanced approach to measure the sea or river with the width of more than 3km,trigonometric leveling method is used to accurately measure the river-crossing leveling of both shores while building Pingtan Strait Bridge,which successfully transmits the height between both coasts,and meets the standards of measurement and the requirements of bridge designing so that it can provide a precedent and some experience for the height control of long-distance bridges.

the pingtan strait bridge;triangulated height;second grade leveling;adjustment

2014—04—17

黃鴻祥(1979—),男,工程師,主要從事測(cè)繪工作。