全新三角高程測(cè)量方法在風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)沉降觀測(cè)中的應(yīng)用

馮 禹，孫 宏，侯 杰

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

一直以來，在建、構(gòu)筑物的沉降觀測(cè)過程中，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量。幾何水準(zhǔn)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、精度高；但也存在著不足，精度受地形起伏限制，外業(yè)工作量大，效率低。三角高程測(cè)量通過觀測(cè)兩點(diǎn)間的水平距離和天頂距(或高度角)求定兩點(diǎn)間高差的方法。三角高程測(cè)量具有高差測(cè)定速度快、受地形條件限制小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在高差較大的地區(qū)(如風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)沉降觀測(cè)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大多位于山區(qū)、丘陵地帶)進(jìn)行高程測(cè)量。但是由于受到儀器測(cè)距誤差、測(cè)角誤差、大氣垂直折光系數(shù)誤差以及儀器高、目標(biāo)高量取誤差影響，三角高程測(cè)定高差的精度有限，只在中小比例尺地形圖或?qū)Ω叱叹纫蟛桓叩膱D根控制測(cè)量中應(yīng)用。

隨著高精度全站儀的應(yīng)用普及，三角高程測(cè)量精度有了實(shí)質(zhì)性的提高，特別是經(jīng)過長(zhǎng)期摸索，總結(jié)出一種全新的三角高程測(cè)量方法，無需量取儀器高、目標(biāo)高，完全可以達(dá)到三等水準(zhǔn)精度，在具備一定觀測(cè)條件下，可以達(dá)到二等水準(zhǔn)的精度。本文主要討論運(yùn)用高精度全站儀，采用全新的三角高程測(cè)量方法，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的沉降觀測(cè)。

1 三角高程測(cè)量方法

圖1所示，采用三角高程測(cè)量的方法確定地面點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間的高差hAB，首先要在A點(diǎn)安置全站儀，在B點(diǎn)豎立硯標(biāo)，量得儀器高i和覘標(biāo)高v，用全站儀望遠(yuǎn)鏡的中絲照準(zhǔn)覘標(biāo)頂部，觀測(cè)垂直角α；測(cè)定A、B兩點(diǎn)間水準(zhǔn)距離D，則圖1可以看出如下關(guān)系：

hAB＝Dtgα+i -v，若已知點(diǎn)A高程為HA，則待定點(diǎn)B的高程HB為：

圖1 三角高程測(cè)量

如果考慮考慮球氣差γ(球差與氣差合稱球氣差)影響，則高差計(jì)算公式為：

這就是三角高程測(cè)量的基本原理，高差誤差來源于：球氣差、觀測(cè)值邊長(zhǎng)D、垂直角α，儀器高i和覘標(biāo)高v的測(cè)量誤差。

這樣傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量高差具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：

①全站儀必須架設(shè)在已知高程點(diǎn)上；

②要測(cè)出待測(cè)點(diǎn)的高程，必須量取儀器高和棱鏡高；

③球氣差計(jì)算簡(jiǎn)單。

如果我們?cè)诟叱虦y(cè)量工作中，能將全站儀像水準(zhǔn)儀一樣任意設(shè)站，而不是將它置在已知高程點(diǎn)上，同時(shí)又不需要量取儀器高i和覘標(biāo)高v的情況下，那么使用高精度全站儀，精確測(cè)量距離和角度，采用三角高程測(cè)量的原理就可以快速、精確的測(cè)得未知點(diǎn)的高程。

2 全新三角高程測(cè)量方法

如果我們采用全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量時(shí)能像使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行幾何水準(zhǔn)測(cè)量一樣，任意設(shè)站，而不是將它置在已知高程點(diǎn)上，同時(shí)又在不量取儀器高i和覘標(biāo)高v的情況下，利用三角高程測(cè)量原理測(cè)出待測(cè)點(diǎn)的高程。如圖1，假設(shè)A點(diǎn)的高程已知，B點(diǎn)的高程為未知，這里要通過全站儀測(cè)定其它待測(cè)點(diǎn)的高程。

假設(shè)我們將全站儀任意設(shè)站，后視已知高程點(diǎn)A，則由(2)式可知：

B點(diǎn)高程計(jì)算公式：

首先由(3)、(4)式可知：

上式可知：距離、垂直角用儀器直接測(cè)出外，i、v都是未知的。但有一點(diǎn)可以確定即儀器架設(shè)好，i值將不變；同時(shí)選取跟蹤桿作為反射棱鏡，假定v值也固定不變。從(5)可知：

從(6)式可知，在進(jìn)行三角高程測(cè)量時(shí)，不需量量測(cè)儀器高 i 和覘標(biāo)高 v 即可求得B點(diǎn)高程。若全站選擇合適的測(cè)站，使得儀器大致位于A、B兩點(diǎn)的中間位置，且A、儀器、B三點(diǎn)大致在一條直線上，則球氣差γA-站、γ站-B值相等，符號(hào)相反，相互抵消，可知：

由此可見：

①任一點(diǎn)設(shè)站，進(jìn)行三角高程測(cè)量是可行的；

②高程誤差主要來源于邊長(zhǎng)誤差、垂直角誤差；

③如果使用高精度全站儀，如徠卡公司TS30(測(cè)角精度為0.5″，0.6mm +D×10-6ppm)，三角高程精度是可以在達(dá)到二等水準(zhǔn)精度要求；

④在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，覘標(biāo)要強(qiáng)制對(duì)中，距離對(duì)三角高程測(cè)量中對(duì)高差精度影響最大，垂直角越大，其影響也愈大；

⑤垂直角觀測(cè)應(yīng)該選擇大氣折光影響較小的陰天和每天的中午觀測(cè)較好；

⑥推算三角高程時(shí)應(yīng)選擇短邊傳遞，對(duì)路線上邊數(shù)也要有限制。

3 全新三角高程測(cè)量方法在風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)沉降觀測(cè)中的應(yīng)用

某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)位于山區(qū)，占地面積25km2，共計(jì)40臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間平均距離是600m，地勢(shì)起伏變化較大，平均海拔約為1770m，高差約為350m。共埋設(shè)11個(gè)控制樁，見圖2，最長(zhǎng)邊長(zhǎng)為900.5m，最短邊為289.3m，平均邊長(zhǎng)為467.8m；最大高度角為12.5°，最小高度角約為-4.5°，平均高度角約為-6.7°。控制網(wǎng)中只有BM-1、BM-2用一等水準(zhǔn)觀測(cè)精度要求進(jìn)行幾何水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，其它點(diǎn)采取全新三角高程測(cè)量方法獲得高程。

圖2 某風(fēng)電場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)

全網(wǎng)共計(jì)46條邊，46個(gè)天頂距，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，高程控制網(wǎng)按一等邊角網(wǎng)施測(cè)，觀測(cè)12個(gè)測(cè)回，用徠卡TS30來完成。

為了研究全新三角高程測(cè)量方法能否達(dá)到二等水準(zhǔn)幾何精度要求，在控制網(wǎng)中選取具備二等幾何水準(zhǔn)觀測(cè)條件的控制點(diǎn)進(jìn)行往返觀測(cè)高差，測(cè)段高差對(duì)比見表1。

表1 測(cè)段高差

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全新三角高程測(cè)量方法與二等幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)段往返差值滿足二等水準(zhǔn)精度要求。在實(shí)際工作應(yīng)用過程中也取得了很好的效果。

4 結(jié)語

4.1 全新三角高程測(cè)量方法值得特點(diǎn)

(1)在一定條件下，全站儀精密三角高程測(cè)量替代二等幾何水準(zhǔn)測(cè)量是切實(shí)可行的；

(2)全站儀測(cè)量速度快、精度高、受外界因素影響較小，在多種氣象條件下均可進(jìn)行觀測(cè)；

(3)成果具有較高的可靠性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力，提高了作業(yè)效率；

(4)類似的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)很多，且大多數(shù)處在地形復(fù)雜的山區(qū)或丘陵地帶，本工程的實(shí)踐對(duì)風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)沉降觀測(cè)及此類地區(qū)精密高程傳遞均具有一定的借鑒意義。

4.2 全新三角高程測(cè)量方法應(yīng)用中的問題

(1)在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，要選取一定的點(diǎn)，能夠進(jìn)行二等幾何水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，以檢核全新三角高程測(cè)量方法的精度；

(2)本次實(shí)踐由于受條件的限制，檢測(cè)條件還不夠充分，在今后的工作實(shí)踐中要繼續(xù)檢驗(yàn)、總結(jié)；

(3)對(duì)儀器的精度要求很高，目前市場(chǎng)上相關(guān)產(chǎn)品不是很多，價(jià)格也很昂貴；

(4)觀測(cè)時(shí)，覘標(biāo)的強(qiáng)制對(duì)中很關(guān)鍵，對(duì)精度影響較大。

[1]GB/T 12897-2006，國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S].

[2]FD 003-2007，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[3]GB/T 16818-2009，中短程光電測(cè)距規(guī)范[S].

[4]張正祿，等.精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測(cè)量的研究[M].武漢：武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.

[5]周永渠.精密三角高程測(cè)量代替二等水準(zhǔn)測(cè)量的嘗試[M].北京：測(cè)繪信息工程，1999.

[6]曾慶偉.全站儀三角高程測(cè)量的精度分析和計(jì)算自動(dòng)化[M].北京：北京測(cè)繪，2009.

[7]晏紅波，等.智能全站儀精密三角高程測(cè)量替代二等水準(zhǔn)測(cè)量[M].北京：水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007.

[8]喻興旺，等.TCA2003全站儀在港口灣水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[M].北京：水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2003.

[9]周國(guó)樹等，精密三角高程測(cè)量在大壩沉降觀測(cè)中應(yīng)用的試驗(yàn)研究[M].北京：大壩觀測(cè)與土工測(cè)試，1996.