测距三角高程法在平潭海峡大桥跨海水准测量中的应用

黄鸿祥

(福建省交通规划设计院,福建福州 350004)

测距三角高程法在平潭海峡大桥跨海水准测量中的应用

黄鸿祥∗

(福建省交通规划设计院,福建福州 350004)

目前对于跨度大于3 km的跨海(河)水准测量尚无其他先进的测量方法前提下,本文介绍利用测距三角高程法对平潭海峡大桥建设点的两岸实施跨海水准测量,成功地对两岸的高程进行了传递,且满足了测量规范和桥梁设计要求,为今后长距离的桥梁的高程控制提供了经验。

平潭海峡大桥;三角高程;二等水准;平差

1 概 述

平潭是福建第一大岛,是我国第五大岛。海峡大桥是大陆连接平潭岛的唯一桥梁,它的建设对平潭的经济发展,社会进步有着至关重要的地位。平潭海峡大桥全长3 510 m,起点位于福清市小山东,跨越海坛海峡,经北青屿终点至平潭的娘宫。由于平潭大桥建设点海域宽约3 400 m,对大桥的二等高程控制网的施测提出不小的挑战。本文主要介绍平潭海峡大桥二等跨海水准测量的实施情况。

2 两岸跨海点的选定及布设

平潭跨海二等水准测量比起一般的跨河(海)二等水准测量有其特殊性。视线长,前后视距差值大,而且海峡大桥东西走向,观测过程受阳光的光线影响很大。为了减弱各种误差因素对精度的影响,我们按照以下三个原则来选定和布设两岸观测点:

(1)两岸跨海点选取在交通方便,海坛海峡相对狭窄处,尽量缩短视线长度。观测点布设在两岸的小土坡上,两岸的地势相近,高差小,视线离海面有一定的高度,避免了有可能影响观测的任何障碍物。

(2)两岸测站点和觇板之间应构成相对称的图形,如图1所示,可以分别为平行四边形、等腰梯形或Z字形,图1中I为测站点,b为觇板,利用两台T3精密经纬仪在两岸同时进行对向观测,这样使跨海点I1I2、b1b2、I1b2、b1I2之间的高差观测值的权相等。

(3)由于海坛海峡盛行东北季风,风力经常达7级～8级,再加上跨海水准需要长时间的观测,架设仪器和觇板地方必须坚硬,不会被雨水浸湿,导致土质和控制点整体下沉,仪器固定牢固,不会被风轻易吹倒。

平潭海峡大桥跨海水准测量的观测地点选择在桥梁建设店西面20 m处水域宽度较窄的小山包上,两岸观测点之间的距离约为3 400 m,布设图形为平行四边形。所采用的仪器主要有:2台威特T3精密经纬仪,瑞士徕卡厂生产的铟瓦精密水准尺,1台威特N3水准仪和1台徕卡全站仪,所用仪器及附件均经过计量部门检测为合格产品,测量方法为测距三角高程法。

3 平潭海峡大桥水准测量方案设计

跨河水准测量作为高程传递的一种特殊方法,在国家大型水电站建设及大型桥梁施工中应用较为普遍。跨河(海)的水准测量方法主要有水准仪倾斜螺旋法、光学测微法、测距三角高程法和液体静力水准测量法等。其中水准仪倾斜螺旋法和光学测微法主要适用于短距离的跨河(海)水准测量,液体静力水准测量法虽然能够保证精度,但是成本高,实现难度大。所以综合经济效益和社会效益,测距三角高程法是海峡大桥跨海水准测量的首选方案。平潭海峡大桥的水域宽近3 400 m,且呈东西走向,无论在上午还是在下午都存在一岸逆光的问题,致使无法精确瞄准标志线。针对逆光的特点,我们提出改进觇板材料和构造的方法,以期提高照准和读数精度。对于不存在逆光的一岸,则采用常规觇板。具体的改良措施如下:

(1)改变逆光岸觇板的材料

现场实践证明,逆光觇板用铝及其他金属或有机玻璃制造,都无法使测站清晰地照准小窗中央的水平标志线。如把材料改成能透光的丝绸布,把丝绸布分成蓝色和白色上下两块,中间分隔线与标志线严格重合,四周用木材固定拉紧,使丝绸布在各个方向均拉紧,没有收缩变形,效果则理想的多。

(2)改变觇板上标志线的宽度

觇板上矩形标志线的宽度一般取S/15000(S为跨河距离,单位为m)。平潭海峡大桥的水域宽近3 400 m,按此公式计算,标志线的宽度达230 mm。如此大的宽度显然对照准精度有影响。为使远距离觇板上标志线目标清晰,易于被锲形丝夹准,提高照准精度,决定缩小标志线宽度,使其为S/70000,则平潭海峡大桥跨海水准的标志线宽度取为50 mm。实践证明,这样选择标志线易于夹准,便于观测。

(3)其他措施

①为避免阳光直射仪器,观测时须打伞。

②选择风力较小,温差变化不大的阴天进行观测,当雨后初晴或大气折射变化较大时,均不宜观测。

③应使用对讲机,保证观测时的一致性,使两岸同时开始和结束观测。

4 跨海水准测量的外业观测及限差要求

(1)根据平潭海峡大桥的地理环境情况,跨海水准测量方法选择了测距三角高程法,水准路线布置为平行四边形;按国家规范规定,一共需要观测56个单测回,每测回往返2次读数,读数间互差不大于3″,远尺读8组数,安装8次觇板,每次读4个数,每组内各次读数互差应不大于3″;组间读数均值较差应不大于4″。各测回的互差dH,应不大于按下式计算的限值:

式中:Mo—每千米水准测量的偶然中误差限值(mm);

N—单测回的测回数;

S—跨海视线长度(km)。

(2)距离测量:

本岸测站点间的距离测量和跨河测站点间距离测量均采用电磁波测距仪测定,测距的准备工作,观测方法和作业要求、气象元素测定、成果记录及重测取舍、气象、加常数、乘常数修正值的计算及边长归算等,均按相应规定执行。每照准一次,读4次数为一测回,读数差小于10 mm,同一条边一个时间段内观测6个测回,测回间差小于15 mm。往返测距中数较差限值为:dS=(a+b·D·10-6)

式中:a,b为测距仪标称参数值。

测距仪和反射镜的高度量至毫米,两次量测之差应不大于3 mm,各次设站高度不必强求一致。

(3)本岸近尺之间高差测量

利用威特N3水准仪配合因瓦精密水准尺,按二等水准要求对本岸近尺之间高差进行测量。

(4)各环线的闭合差计算

由大地四边形组成三个独立闭合环,用同一时段的各条边高差计算闭合差。各环线的闭合差w应不大于下式计算的限值:

式中:Mw—每千米水准测量的全中误差限值,mm;

S—跨河视线长度,km

5 数据处理

(1)本次跨海距离为3.5 km,按国家规范要求共需进行14个时间段,56个单测回的外业观测。

表1 平潭海峡大桥高程控制网二等跨海水准测量高差计算表

从表1数据可看出各测回高差互差均小于dH=4 ·Mo=56 mm(其中Mo=1,N=56,S=3.5)。根据表1数据计算同一时段各环线的闭合差,均小于w=6·Mw=22.4 mm(其中Mw=2,S=3.5)。显然, 56个单测回的数据均符合水准测量规范的要求。

(2)平差计算

根据外业观测数据(如图2中h0、h1、h2、h3、h4、h5),可以列出3个条件方程组:

图2 水准路线布置图

平差结果如表2所示:

表2 外业观测数据平差结果

计算每公里高差中数中误差为:

6 总 结

本次跨海水准测量由于跨度较大,且桥梁为东西走向,使得过河视线方向正对日照方向,后面通过对觇板的改造,才得以改变逆光观测的影响,顺利完成了平潭海峡大桥的跨海水准测量。对于基础建设迅速发展的今天,为跨河(海)大型工程提供高程控制的跨河水准测量的工作日益增多。目前对于跨度大于3 km的跨河水准测量的方法,尚未其他先进的测量方法,通过这次跨海水准测量的实施,为长距离跨海高程控制提供了实例。

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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

黄鸿祥(1979—),男,工程师,主要从事测绘工作。