趙義春，王樹寶，艾明明（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061）

南水北調(diào)工程水平位移監(jiān)測方法的分析與比較

趙義春，王樹寶，艾明明
（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061）

文中對南水北調(diào)中線干線工程幾種常用的水平位移監(jiān)測方法，進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和比較，列出了這幾種方法的原理，精度分析，優(yōu)點(diǎn)以及不足等。對于在南水北調(diào)中線干線工程中進(jìn)行水平位移監(jiān)測方法的選取，具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

南水北調(diào)；水平位移監(jiān)測；監(jiān)測方法；分析

1 概述

南水北調(diào)中線干線工程自陶岔渠首至北京團(tuán)城湖全長約1 277.212 km，天津干線自西黑山分水閘引出，至天津外環(huán)河出口閘長約155.273 km，總長1 432.485 km。其中，總干渠陶岔至北拒馬河中支渠段采用明渠輸水方式，北京、天津段采用管涵輸水方式。

輸水線路跨越長江流域、淮河流域、黃河流域、海河流域，沿線經(jīng)過河南、河北、北京、天津二省二市。由于線路跨越流域和省市較多，形成了復(fù)雜多變的渠道類型。根據(jù)土質(zhì)的不同，分為一般渠段、膨脹土渠段、高地下水渠段（砂礫石段）和石方段等；根據(jù)填挖的不同，分為高填方渠段、深挖方渠段、半填半挖渠段和普通渠段等。

為了監(jiān)測深挖方渠段邊坡的變形情況，在深挖方渠段布設(shè)水平位移測點(diǎn)。由于不同的水平位移測點(diǎn)類型和布設(shè)方法，形成了不同的水平位移監(jiān)測方法。

2 水平位移監(jiān)測方法

當(dāng)渠道筆直或要監(jiān)測垂直于渠道方向的位移時(shí)，可采用視準(zhǔn)線法、距離收斂法等監(jiān)測方法。但當(dāng)渠道彎曲或需同時(shí)監(jiān)測渠道兩個(gè)方向位移時(shí)，可采用前方交會(huì)法或極坐標(biāo)法。前方交會(huì)法主要有兩種：測邊前方交會(huì)法和測角前方交會(huì)法。另外還有一些困難條件下的水平位移監(jiān)測方法。

2.1 視準(zhǔn)線法

2.1.1 原 理

如下圖所示，點(diǎn)A，B是視準(zhǔn)線的兩個(gè)工作基點(diǎn)（端點(diǎn)），1，2，3為水平位移監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測時(shí)將全站儀置于A點(diǎn)，將儀器照準(zhǔn)B點(diǎn)，豎直轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀，分別轉(zhuǎn)至1，2，3三個(gè)點(diǎn)附近，用游標(biāo)卡尺或鋼尺測得監(jiān)測點(diǎn)至A—B這條視準(zhǔn)線的距離。根據(jù)前后兩次的測量距離，得出這段時(shí)間內(nèi)水平位移量。

2.1.2 精度分析

由基準(zhǔn)線的設(shè)置過程可知，監(jiān)測誤差主要包括儀器測站點(diǎn)儀器對中誤差，視準(zhǔn)線照準(zhǔn)誤差，讀數(shù)照準(zhǔn)誤差，其中，影響最大的是讀數(shù)照準(zhǔn)誤差。另外此方法還受到大氣折光、儀器高和覘標(biāo)高等因素的影響。

2.1.3 優(yōu) 點(diǎn)

視準(zhǔn)線監(jiān)測方法原理簡單、方法實(shí)用、實(shí)施簡便、投資較少。

2.1.4 不 足

1）對較長的視準(zhǔn)線而言,由于視線長,使照準(zhǔn)誤差增大,甚至可能造成照準(zhǔn)困難。當(dāng)視準(zhǔn)線太長時(shí)，目標(biāo)模糊，照準(zhǔn)精度太差且后視點(diǎn)與測點(diǎn)距離相差太遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差較大，對監(jiān)測成果有較大影響。

2）精度低，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，受外界條件影響較大，而且變形值不能超出該系統(tǒng)的最大偏距值，否則無法進(jìn)行監(jiān)測。

3）視準(zhǔn)線法的工作基點(diǎn)必須設(shè)置在位于變形體附近并且必須基本與測點(diǎn)在同一軸線上。由于南水北調(diào)渠道較長，兩側(cè)均為變形區(qū)域，很難做到此點(diǎn)。

2.2 前方交會(huì)法

如果變形監(jiān)測點(diǎn)散布在渠道兩側(cè)或者在渠道兩側(cè)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)可以布設(shè)工作基擇時(shí)，常用前方交會(huì)法來進(jìn)行監(jiān)測。

2.2.1 原 理

測角前方交會(huì)：

如上圖所示：P表示監(jiān)測點(diǎn)，A，B為工作基點(diǎn)。設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為（xA，yA），A2坐標(biāo)為（xB，yB），P坐標(biāo)為（xP，yP）。

分別在A點(diǎn)和B點(diǎn)安置全站儀，設(shè)一個(gè)點(diǎn)為定位點(diǎn)、另一個(gè)點(diǎn)為定向點(diǎn)，然后照準(zhǔn)觀測點(diǎn)P，分別測得交會(huì)角α，β，交會(huì)角應(yīng)在30°～150°之間。根據(jù)公式：

就可以計(jì)算出P點(diǎn)的坐標(biāo)xP和yP。然后計(jì)算前后兩次的測量坐標(biāo)差值，得出這段時(shí)間內(nèi)水平位移量。

測邊前方交會(huì)：

如上圖所示，用全站儀分別測得A到P點(diǎn)的平距為S1，測得B到P點(diǎn)的平距為S2，S為A至B之間的平距，直線AB的坐標(biāo)方位角為αAB。根據(jù)公式：

然后計(jì)算前后兩次的測量坐標(biāo)差值，得出這段時(shí)間內(nèi)水平位移量。

2.2.2 精度分析

測角前方交會(huì)：

其監(jiān)測P的點(diǎn)位中誤差為：

式中：mβ為測角中誤差，ρ=206 265，γ=∠APB。當(dāng)γ=90°時(shí)，點(diǎn)位中誤差不隨α，β的變化而變化；當(dāng)γ＞90°時(shí)，對稱交會(huì)時(shí)的點(diǎn)位中誤差最小，精度最高；當(dāng)γ＜90°時(shí)，對稱交會(huì)時(shí)點(diǎn)位中誤差最大，對精度不利。

測距前方交會(huì)：

設(shè)邊長S1，S2的測距中誤差為ms1，ms2，則監(jiān)測P的點(diǎn)位中誤差為：

2.2.3 優(yōu) 點(diǎn)

1）工作基點(diǎn)布置有較大靈活性。前方交會(huì)法的工作基點(diǎn)可以適當(dāng)遠(yuǎn)離變形體，所以工作基點(diǎn)的選擇更為靈活。特別是當(dāng)變形體附近難以找到合適的工作基點(diǎn)時(shí)，前方交會(huì)法更能顯出其優(yōu)點(diǎn)。

2）前方交會(huì)法能同時(shí)監(jiān)測2個(gè)方向的位移。

3）監(jiān)測耗時(shí)少。當(dāng)測點(diǎn)較多，并分布在多條直線上時(shí)，前方交會(huì)法的耗時(shí)較視準(zhǔn)線等方法少。

2.2.4 不 足

1）前方交會(huì)法由于受測角誤差、測邊誤差、交會(huì)角及圖形結(jié)構(gòu)、基線長度、外界條件的變化等因素影響，精度較低。另外，其監(jiān)測工作量較大，計(jì)算過程較復(fù)雜。

2）對于邊長交會(huì)法，由于全站儀的測距精度包含固定誤差和比例誤差，當(dāng)距離增加時(shí)其誤差也會(huì)增大。在選擇工作基點(diǎn)時(shí)，除要滿足通視和工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性外，還須考慮工作基點(diǎn)與測點(diǎn)間的視距不要過長。

3）需要將位移量轉(zhuǎn)化成垂直于渠道方向和順?biāo)鞣较虻奈灰啤?/p>

2.3 極坐標(biāo)法

極坐標(biāo)法屬于邊角交會(huì)，是邊角交會(huì)的最常見的方法。

2.3.1 原 理

如上圖所示：在已知點(diǎn)A安置儀器，后視點(diǎn)為另一已知點(diǎn)B，通過測得AB—AP的角度β以及A點(diǎn)至P點(diǎn)的距離S，計(jì)算得出P點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為A（xA，yA），直線AB的方位角為αAB，則P點(diǎn)坐標(biāo)P（xP，yP）的計(jì)算公式為：

2.3.2 精度分析

設(shè)測邊中誤差為mS，測角中誤差為mβ，則監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為：

其中ρ=206 265。

2.3.3 優(yōu) 點(diǎn)

操作方便，利用全站儀進(jìn)行測量可以直接測得坐標(biāo)，簡單快速。

2.3.4 不 足

精度較低，適用于精度不是很高的水平位移監(jiān)測工作；需要將位移量轉(zhuǎn)化成垂直于渠道方向和順?biāo)鞣较虻奈灰啤?/p>

2.4 距離收斂法

2.4.1 原 理

如上圖所示，A，B為垂直于渠道方向的一對監(jiān)測點(diǎn)，每次觀測時(shí)測定AB的水平距離S。然后根據(jù)前后兩次的測量距離，得出這段時(shí)間內(nèi)這對監(jiān)測點(diǎn)的位移量△S=S1-S2。

2.4.2 精度分析

由于該方法僅觀測兩個(gè)點(diǎn)間的水平距離，因此僅受到測距誤差的影響。由于全站儀的測距精度包含固定誤差和比例誤差，當(dāng)距離增加時(shí)其誤差也會(huì)增大。

2.4.3 優(yōu) 點(diǎn)

1）操作方便，利用全站儀進(jìn)行測量可以直接測得水平距離，簡單快速。

2）無需工作基點(diǎn)，也無需測量監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.4.4 不 足

1）由于是觀測一對監(jiān)測點(diǎn)的相對距離，因此只能得出垂直于渠道方向的位移情況，無法確定沿渠道方向的位移。

2）由于兩個(gè)點(diǎn)都是監(jiān)測點(diǎn)，都處于變形區(qū)域內(nèi)，都存在位移，因此無法確定一對監(jiān)測點(diǎn)中具體是哪個(gè)點(diǎn)發(fā)生了位移。

3）對監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)要求較高，監(jiān)測點(diǎn)需要成對布設(shè)，且一對監(jiān)測點(diǎn)的連線要垂直于渠道。

3 結(jié)論

綜上所述，對于上面的每一種方法，都有自己的特點(diǎn)，在選用水平位移測量方法的時(shí)候，既要考慮到精度，可行性，也要考慮經(jīng)濟(jì)、效率等方面的問題。在滿足精度要求的前提下，盡量使用簡單實(shí)用經(jīng)濟(jì)的方法。對于不同的現(xiàn)場，有不同的特點(diǎn)，不一定采用一種方法，可以采用兩種或者兩種以上方法結(jié)合來進(jìn)行水平位移的監(jiān)測。

［1］王志明.幾種水平位移監(jiān)測方法的分析和比較［J］.上海建設(shè)科技，2008.

［2］王鐵生，袁天奇.測繪學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［3］劉成龍.極坐標(biāo)法測量精度評定方法的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1996.

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