水下建筑物高程液體靜力水準測量方法與關鍵指標評價

郭 強

(上海?？乒こ套稍冇邢薰?，上海 200231)

0 引言

高程測量是水下工程中一項重要工作內容，受水體阻隔限制，岸上測量方法和設備無法直接運用。目前工程中一般測量方法有：

1）光學/GPS 測量，在圍堰法干式施工中常用，與岸上相同；

2）測深桿測量，在拋石護坡、水下填埋等精度和要求不高情況下進行抽樣檢查檢測時常用，效率低、精度一般較差；

3）水下聲吶測量，廣泛運用在各種工況的水深測量中，效率高、整體精度相對好，測量精度隨著水深、溫度、壓力、鹽度、水流、底質等因素的變化而改變，特殊情況下還需要進行姿態、方向、聲波曲線、波速等修正。缺點在于精度受環境因素影響較大，一般工程中僅能達到分米級，無法提供穩定的高精度（毫米級）成果[1-3]；

4）其它物理測量方法，如液位測量傳感器方法，通過測量壓力換算成水深值，再根據潮位數據得到水下測點高程，這種方法受水位變化和水體分層影響，測量誤差較大[4-5]。

基于以上理由，在水下結構施工中要求提供高精度測量成果的場合，以上方法均難以滿足或者面臨較大困難，而液體靜力水準測量方法[6-9]在地面建筑物沉降監測中運用較為廣泛，根據連通器原理，通過兩管之間的液位差得到高度差。與其它測量方法相比，該方法測量精度高、可靠性好，受環境、地形、結構的影響很小。在水下結構測量中，將液體靜力水準儀液位管一端置于水面船只或其它平臺，潛水員攜帶另一端至水下結構的測量點，水面讀取兩端的壓力差，進而計算出兩點之間的高度差，然后再采用GPS 或其它光學測量方法得到水面一端的高程，減去高度差即可得到水下測點的高程。接下來對該方法的原理、設備、流程及關鍵指標進行詳細闡述。

1 系統組成和測量原理

整個系統由水面測量部分、高程傳遞平臺和靜力水準測量設備組成。如圖1 所示，水面測量部分為高精度全站儀，采用三角高程測量方法得出棱鏡高程；高程傳遞平臺由測量船、棱鏡和儲液桶組成，棱鏡中心和儲液桶“0”刻度線垂線距離保持固定值；靜力水準測量設備為高精度壓力傳感器以及與儲液桶連接的連通管，測量得到測點與儲液桶“0”刻度線之間的高差。測點的高程為：

系統的測量原理為采用靜力水準測量方法將傳統高精度光學測量得到的高程值傳遞至水下建筑物測點，靜力水準測量系統是一個封閉體，與外界水體隔絕，內部連通液均質、流動性好。連通管的一端連接儲液桶，另一端連接高精度壓力傳感器。潛水員攜帶壓力傳感器至水下建筑物測點，并放置至水平狀態，水面設備讀取此時的壓力值（內部連通液壓力，而非外界水體），并根據連通液密度和重力加速度值轉換成兩點之間的高差，進而達到高精度高程傳遞的目的。高差值計算公式如下：

式中：P 為靜態水準儀測得壓力；ρ 為連通液密度。

靜力水準測量系統與外界水體隔絕，依靠內部連通液傳遞壓力，測量值不受潮位、水體分層等因素影響，精度高且穩定。

圖1 測量系統組成和原理圖

2 測量系統的關鍵指標

2.1 測量誤差

該測量系統的誤差來源于3 部分，包括全站儀測量誤差、棱鏡、儲液桶的高差測量誤差和靜力水準系統測量誤差，根據測量學誤差計算方法[10-11]，該系統的綜合誤差計算公式如下：

式中：m1為全站儀三角高程測量誤差；m2為棱鏡中心與儲液桶“0”刻度高差測量誤差，主要與船體姿態動態變化有關；m3為靜力水準系統測量誤差。

2.2 系統的同步測量

根據公式（1），在固定不變的情況下，測量結果決定于全站儀和靜力水準系統。二者之間應當保持同步，但實際上難以達到同步狀態，中間有一個間隔。在船體姿態不變，壓力傳感器放置穩定的情況下，對測量結果無影響。船體姿態變化時，由于壓力傳感器響應時間很短，應盡量縮短全站儀觀測時間。在船體姿態變化較大的情況下，應采用自動化姿態跟蹤測量設備。

3 工程應用

3.1 工程概況

工程位于江蘇徐州大運河某處，在水下修建混凝土承臺用于安裝輸水管道及取水頭，承臺采用岸上預制-水下挖坑-吊放安裝的工藝。根據設計要求，承臺安裝后的頂面高程精度不得超過±10 cm。施工區域離岸約500 m，水深23 m～27 m 之間，因上游采淘沙，水體渾濁，水流速度小于0.1 m/s。為確保承臺安裝精度符合要求，采用了單波束測量定位方案，根據測量結果將承臺安裝后發現輸水管道與取水頭無法對接，承臺高于設計高程達38 cm，遠大于10 cm 的可調節范圍，只得吊起取水頭和承臺重新處理填坑。經過反復分析比較，處理后填坑表面高程測量定位采用文中方法，該方法無類似工程經驗，其可靠性和測量精度需進行驗證。

3.2 儀器設備和流程

工程中水面高程三角測量設備采用徠卡TS30 型全站儀機器人，水下測量采用BGK-3475DM 靜力水準系統，設備部分關鍵技術參數見表1。根據表中設備標稱精度，此次測量的總體理論精度由公式（3）計算出為15 mm。

表1 測量系統設備表

根據現有條件，按照以下流程進行高程測量：

1）全站儀棱鏡和靜力水準系統安裝到現場搭建的鋼結構施工平臺上，棱鏡面向岸上；

2）在岸上架設全站儀觀測站，設置并照準后視點，然后照準平臺棱鏡，設置成自動觀測記錄模式；

3）潛水員攜帶靜力水準儀探頭入水并到達承臺填坑，根據岸上指揮選擇測點并將探頭水平放置到位，穩定后讀取數值；

4）測量完成后，進入下一個測點，重復以上測量步驟直到完成所有測量任務。

3.3 可行性和精度驗證

共選擇12 個靠近岸邊平坦硬底區域進行水深測量精度驗證，水深均在5 m 以內，在潛水員配合下，按照文中方法和流程測量底部高程，然后采用測深桿測量方法進行驗證，測深桿頂部安裝棱鏡，采用高精度全站儀進行高程測量。試驗區水面平靜，基本無水流，且多處有遺留的殘樁，利于測深桿水準器對中以保持完全垂直狀態。測量和對比結果如表2 所示，二者差值最大6 mm、最小0 mm。一般單波束測深儀的標稱測量精度為5‰，受水流、泥沙、雜質、溫度、鹽度、搭載平臺等各種因素的影響，實測精度一般達到10 cm 以上，在水深較深情況下可達數幾十厘米，遠低于該方法所測精度。

表2 高程測量結果及對比統計表

3.4 測量結果分析

安裝承臺前潛水員攜帶靜力水準儀探頭入水，在填坑內隨機抽取5 個點進行了高程測量，同時岸上測量機器人采用跟蹤模式測量棱鏡高程，棱鏡與靜力水準儀儲液桶0 刻度之間的高差為0.664 m。考慮到該系統前期試驗中精度較高，同時對已安裝管道的頂部高程進行測量。原始測量數據經過處理后統計結果見表3，由表可見，坑內處理后表面不平整度為11mm，承臺結構高度0.2 m，管道外徑1.8 m，預計取水頭與已安裝管道的接頭高差2.2 cm。

表3 高程測量結果統計表

測量完成后，吊放承臺和取水頭進行水下安裝，吊放到位后，經潛水員水下鋼尺測量，取水頭與已安裝管道的實際高差1.6 cm，經調節后順利安裝就位。

4 結論

（1）采用水上水下高程分段測量方法，數學模型明確，原理清晰。

（2）該方法可靠性和精度高，測量結果不受水流、溫度、鹽度、水體分層等因素的影響。

（3）在高程傳遞平臺保持靜止的情況下，該方法的測量誤差來源于光學測量和靜力水準測量兩部分。在水深30 m 以內，測區離岸1 km 以內的情況，測量精度優于±3 cm，能夠滿足一般水下工程高精度測量的需要。

（4）工程應用結果表明，該方法適應性強，精度高，測量流程易于實現。

對該方法在測量平臺保持靜止的條件下進行分析研究時，由于大部分情況下受水流、風力和平臺影響，棱鏡和儲液桶的姿態處于動態變化中，對結果造成較大影響，兩者的垂直高差不能當做固定值處理，應當就姿態影響規律和修正方法作進一步研究。