陳龍浩 (安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)大型水利工程建（構(gòu)）筑物越來(lái)越普遍，與之而來(lái)的沉降變形監(jiān)測(cè)顯得尤為重要[1]。現(xiàn)階段重點(diǎn)工程項(xiàng)目中常用的沉降變形監(jiān)測(cè)方法主要為精密水準(zhǔn)儀測(cè)量法，該方法測(cè)量精度高，但需耗費(fèi)大量的人力物力。三角高程測(cè)量方法由來(lái)已久，觀測(cè)方法簡(jiǎn)單，受地形限制較小，若將三角高程測(cè)量方法應(yīng)用至沉降變形監(jiān)測(cè)中，能很好地節(jié)省人力物力，但該方法高程精度受垂直角和測(cè)量距離影響較大。

本文針對(duì)這一問題，利用測(cè)量機(jī)器人實(shí)時(shí)獲取變形數(shù)據(jù)，并對(duì)垂直角和測(cè)量距離影響進(jìn)行精度分析。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

為分析測(cè)量機(jī)器人全自動(dòng)沉降變形監(jiān)測(cè)精度受垂直角和測(cè)量距離影響程度，本文選用萊卡測(cè)量機(jī)器人（TM30）和自制照準(zhǔn)裝置。該系統(tǒng)核心部件為萊卡TM30測(cè)量機(jī)器人，配合自制一體式監(jiān)測(cè)照準(zhǔn)裝置，可實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)人值守連續(xù)觀測(cè)。

1.1 TM30測(cè)量機(jī)器人

測(cè)量機(jī)器人即為高精度、能自動(dòng)監(jiān)測(cè)的全站儀，其測(cè)量原理與全站儀相同。其配有伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在一定的范圍內(nèi)，由系統(tǒng)控制，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、追蹤目標(biāo)并自動(dòng)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)(水平角、垂直角、距離)，且其一般配有外接電源，能夠晝夜連續(xù)測(cè)量。

相比普通全站儀，測(cè)量機(jī)器人的監(jiān)測(cè)精度較高，本文實(shí)驗(yàn)選用徠卡公司的TM30，其測(cè)角精度標(biāo)稱為±0.5″，測(cè)距精度標(biāo)稱為±（1mm+1×10-6D）。且在此儀器的基礎(chǔ)上，對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，精確確定儀器的差分改正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度、氣壓、大氣折光等外部條件對(duì)測(cè)量距離、角度觀測(cè)值的實(shí)時(shí)差分改正，提高觀測(cè)的精度。

1.2 自制一體式監(jiān)測(cè)照準(zhǔn)裝置

為了使與TM30配套的棱鏡能和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)一起發(fā)生沉降，本系統(tǒng)制作了塑料套管和金屬連接桿（圖1）。塑料套管的兩端與監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)鋼筋和金屬連接桿相連，再將金屬連接桿與棱鏡連接。使棱鏡固定在監(jiān)測(cè)標(biāo)石上方，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步下沉。

圖1 金屬連接桿與塑料套管實(shí)物圖

2 精度分析

三角高程測(cè)量方法簡(jiǎn)單，但其受測(cè)量距離和垂直角影響較大。當(dāng)測(cè)量的垂直角較大時(shí)，測(cè)量機(jī)器人高程測(cè)量精度遠(yuǎn)低于平面測(cè)量精度。選用TM30對(duì)水利工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，因此有必要分析其高程測(cè)量精度是否能夠滿足相應(yīng)水利工程下沉值監(jiān)測(cè)的精度需求。由坐標(biāo)正算公式及中誤差傳播定律，經(jīng)過化簡(jiǎn)得高程測(cè)量的中誤差公式為：

其中ms—測(cè)距誤差；

mα—測(cè)角誤差；

mi—儀器高測(cè)量誤差；

mv—覘標(biāo)高測(cè)量誤差；

D—監(jiān)測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)間的平距；

α—垂直角。

TM30測(cè)角精度為0.5″，其含義是一測(cè)回方向照準(zhǔn)誤差，一測(cè)回角度測(cè)量值為一測(cè)回兩個(gè)方向測(cè)量值之差，因此，儀器測(cè)距精度為 1mm+1×10-6D，一測(cè)回觀測(cè)進(jìn)行兩次測(cè)量，取兩次測(cè)量距離的平均值為最終距離測(cè)量值，則。因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)中是連續(xù)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程，每天只測(cè)量一次儀器高，無(wú)需計(jì)算在計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)上次監(jiān)測(cè)的下沉值時(shí)，儀器高i和覘標(biāo)高v被內(nèi)差抵消，所以在連續(xù)監(jiān)測(cè)變形點(diǎn)下沉值時(shí)不存在儀器高和覘標(biāo)高的測(cè)量誤差，即在本實(shí)驗(yàn)中ms=mv=0。計(jì)算當(dāng)斜距S和垂直角α取不同值時(shí)由儀器引起的測(cè)量中誤差（單位：mm），計(jì)算結(jié)果見表1。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程測(cè)量中誤差正交表（單位：mm） 表1

由表發(fā)現(xiàn)，TM30測(cè)量機(jī)器人的高程測(cè)量精度隨著測(cè)量距離的增加降低，當(dāng)垂直角大于30°后精度隨垂直角的增加降低，尤其當(dāng)垂直角接近80°時(shí)高程測(cè)量精度急劇降低，因此在測(cè)量過程中應(yīng)盡量避免垂直角過大。

根據(jù)所處位置、重要性及允許變形值大小，水利工程變形監(jiān)測(cè)等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí)。依據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若D≤100m，α≤5°，滿足一等水利工程變形監(jiān)測(cè)要求（變形觀測(cè)點(diǎn)的高程中誤差0.3mm）；若D≤150m，α≤10°，可滿足二等水利工程變形監(jiān)測(cè)要求（高程中誤差0.5mm）；若D≤300m，α≤10°，可滿足三等水利工程變形監(jiān)測(cè)要求（高程中誤差1.0mm）；若D≤600m，α≤30°，可滿足四等水利工程變形監(jiān)測(cè)要求（變形觀測(cè)點(diǎn)的高程中誤差2.0mm）。

3 結(jié)論

本文針對(duì)水利工程變形特點(diǎn)及現(xiàn)有變形監(jiān)測(cè)方法的局限性，在三角高程測(cè)量方法的原理上，通過測(cè)量機(jī)器人和自制一體式照準(zhǔn)裝置構(gòu)成遠(yuǎn)程自動(dòng)全天候沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)分析，得出測(cè)量距離和垂直角對(duì)該系統(tǒng)精度影響，并針對(duì)不同水利工程監(jiān)測(cè)等級(jí)，采用相應(yīng)測(cè)量距離和垂直角來(lái)滿足要求。