強制歸心裝置在南水北調觀測網布設中的應用

張宇恒，任澤儉，趙文聚

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南250109；2.濟南市水文中心，山東 濟南250014）

南水北調東線一期工程山東段由于建設期缺乏全線統一的高精度變形監測網規劃，各設計單元工程沒有高精度基準點或者原基準點點位選擇離建筑物太近，導致工作基點無法校核，不能按相關技術要求開展變形監測工作。國務院南水北調辦公室于2016年對山東南水北調干線工程運行管理情況進行了稽察、復查，其中，變形全監測成為專項稽察重點關注內容。為解決這一問題，南水北調東線山東干線有限責任公司分別于2017年12月、2020年8月進行招標，分階段建設由基準點、工作基點及水庫、水閘、泵站等建筑物監測點組成的B級、C級GNSS變形監測網、一等及二等水準網，構建統一時間節點的高精度變形監測控制系統。

1 強制歸心裝置建設的必要性

1.1 水平位移規范要求

南水北調工程作為變形比較敏感的大型水工建筑物，根據《水利水電工程測量規范》（SL197-2013）要求，其平面位移監測精度應不低于二等，位移量允許中誤差為±3 mm。因此，進行建筑物變形監測，必須建立高精度變形觀測網，設置基準點、工作基點和建筑物監測點。根據相關規范要求，水平位移監測點基準點、工作基點應建造具有強制歸心裝置的混凝土標墩。

1.2 偏心觀測與歸心改正

1）偏心觀測。測量時，是以地面上埋設的基準點或工作基點的標志中心位置架設測繪儀器，根據測站點的平面位置和高程測量、計算各監測點的平面位置和高程，即由標志中心為基礎數據。因此，觀測時必須保證測繪儀器中心、照準圓筒中心與標志中心位于同一垂線上，即所謂“三心”一致。經過檢校合格的儀器，由于測繪儀器中心與照準圓筒中心距離較短（一般20～30 cm），可以認定這二心在同一垂線上。

將儀器架設在三腳架上進行觀測時，通過垂球或對中器（光學、激光等）進行對中整平測繪儀器，大概可以使儀器中心的投影點與標志中心重合，但實際上很難做到嚴格重合，加上觀測過程中風雨、陽光等外界因素的影響以及三腳架位置的不均勻下沉等，經常存在不完全重合、甚至偏離較大的情況，這種偏離稱之為測站偏心。同樣原因，鏡站也存在這種現象。在同一基準點或工作基點進行觀測時，因人為因素均存在測站偏心誤差，也存在因測站偏心誤差引起照準方向不同，其值均不相同，因誤差傳播也導致需觀測點存在誤差。因此，為了獲得監測點的精確變形觀測資料，必須計算出因測站偏心產生的偏心誤差的大小，才能評價其對監測點的誤差影響。

2）偏心改正數計算。控制測量學給出了測站偏心的計算公式，需要指出的是，若測站有偏心，則測站上所有觀測方向值都需要進行測站歸心改正。由于系統誤差影響了變形觀測的所有方向，而且改正數改算時也很復雜、繁瑣，根據經驗，偏心觀測對中精度及照準精度為±8 mm，不能滿足重大水利工程變形監測精度的需要，因此，通過先進手段消除此偏心誤差非常必要，這也是采取強制歸心裝置的必要性。

如果輔以建設手段，保證設站時“三心”同心，其觀測成果就消除了測站偏心差，就能實現規范要求的建造具有強制歸心裝置的混凝土標墩進行高精度測量。

2 強制歸心裝置使用原理及安裝方法

2.1 強制歸心裝置使用原理

強制歸心裝置一般由強制歸心盤和強制歸心基座組成，是基于測量基點固定的一種裝置，產品上帶有螺紋連結桿及卡槽，便捷地聯接儀器或棱鏡，使用便捷、數據精準，可以和絕大部分儀器，如經緯儀、測距儀、水準儀、全站儀、GNSS配合使用。強制歸心盤厚度為0.5 cm，直徑為20 cm。安裝時，歸心盤安裝后若處于水平狀態，則測繪儀器主機通過強制歸心的連接，對中誤差可小于0.05 mm，是工程精密測量中必備產品。

使用強制對中盤在進行精密工程測量時，可基本消除采用垂球對中、光學或激光對中時產生的誤差，即測站儀器安裝產生的偏心差，因此，這也是規范明確規定基準點或工作基點采用強制歸心裝置的原因。

2.2 強制歸心裝置的安裝方法

基準點、工作基點的位置選取需遵照測量規范要求，如遠離影響GNSS信號接收的高大建筑物、樹林、具有放射性較強的高壓線塔和電磁場強大的無線發射塔等，同時還應滿足監測的變形監測點的通視、便于點位建設的要求等。基準點、工作基點位置選取后，通過進行基礎開挖，建設混凝土基座。

安裝強制歸心裝置時，先將強制歸心裝置預埋件埋入混凝土，安裝時，要檢查氣泡是否合格。

1）概略調平（粗平）。通過調節三個連接桿，使歸心盤上的棱鏡氣泡居中，做到歸心盤處于粗平狀態。粗平后，填注混凝土，填注時使用橡膠錘輕輕震動混凝土使之反復振動，排出盤底混疑土氣泡，使歸心盤底混凝土密實。同時時刻觀察棱鏡氣泡是否居中，發生偏離時需通過震動、填筑混凝土進行擠壓，達到粗平目的。需要注意的是，填注混凝土材料前，歸心盤背面中心螺栓孔需用柔性材料封堵，以免砂石進入堵塞栓孔。2～3 h混凝土初凝后，基本完成粗平安裝。

2）精確調平（精平）。粗平安裝完成后即可進行強制歸心裝置的精確調平。強制歸心裝置的精平有兩種安裝方式。

一是在強制歸心裝置平面上放置兩個成垂直狀態的水平尺，通過使用橡膠錘震動歸心盤四周尚未完全凝固的混凝土輕輕擠壓歸心盤或震動歸心盤，進行精平，同時觀測歸心盤上棱鏡的圓氣泡進行比對，經反復調整，直至滿足歸心盤處于水平面要求。

二是通過架設在周圍10 m距離的全站儀兩臺，互成90°安置整平，采用儀器內十字絲兩臺全站儀同時進行觀測校準方式，通過輕輕擠壓或震動歸心盤，進行精平，同時觀測歸心盤上棱鏡的圓氣泡進行比對，經反復調整，直至滿足歸心盤處于水平面要求，完成精平安裝。

3）養護與檢查。一是要加強后期混凝土養護。二是鑒于混凝土凝固期也會使強制歸心裝置產生變形，建議時時進行強制歸心裝置的水平狀態檢查，確保強制歸心裝置處于精確水平狀態。

3結語

強制歸心裝置在提高觀測精度的方面具有其重要意義；現代測繪科技水平，豐富了高精度設備安裝的手段，提高了工作的效率，具有較強的推廣意義。