強(qiáng)制歸心裝置在南水北調(diào)觀測網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用

張宇恒，任澤儉，趙文聚

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250109；2.濟(jì)南市水文中心，山東 濟(jì)南250014）

南水北調(diào)東線一期工程山東段由于建設(shè)期缺乏全線統(tǒng)一的高精度變形監(jiān)測網(wǎng)規(guī)劃，各設(shè)計(jì)單元工程沒有高精度基準(zhǔn)點(diǎn)或者原基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位選擇離建筑物太近，導(dǎo)致工作基點(diǎn)無法校核，不能按相關(guān)技術(shù)要求開展變形監(jiān)測工作。國務(wù)院南水北調(diào)辦公室于2016年對(duì)山東南水北調(diào)干線工程運(yùn)行管理情況進(jìn)行了稽察、復(fù)查，其中，變形全監(jiān)測成為專項(xiàng)稽察重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。為解決這一問題，南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司分別于2017年12月、2020年8月進(jìn)行招標(biāo)，分階段建設(shè)由基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)及水庫、水閘、泵站等建筑物監(jiān)測點(diǎn)組成的B級(jí)、C級(jí)GNSS變形監(jiān)測網(wǎng)、一等及二等水準(zhǔn)網(wǎng)，構(gòu)建統(tǒng)一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的高精度變形監(jiān)測控制系統(tǒng)。

1 強(qiáng)制歸心裝置建設(shè)的必要性

1.1 水平位移規(guī)范要求

南水北調(diào)工程作為變形比較敏感的大型水工建筑物，根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）要求，其平面位移監(jiān)測精度應(yīng)不低于二等，位移量允許中誤差為±3 mm。因此，進(jìn)行建筑物變形監(jiān)測，必須建立高精度變形觀測網(wǎng)，設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和建筑物監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，水平位移監(jiān)測點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)應(yīng)建造具有強(qiáng)制歸心裝置的混凝土標(biāo)墩。

1.2 偏心觀測與歸心改正

1）偏心觀測。測量時(shí)，是以地面上埋設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)的標(biāo)志中心位置架設(shè)測繪儀器，根據(jù)測站點(diǎn)的平面位置和高程測量、計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)的平面位置和高程，即由標(biāo)志中心為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，觀測時(shí)必須保證測繪儀器中心、照準(zhǔn)圓筒中心與標(biāo)志中心位于同一垂線上，即所謂“三心”一致。經(jīng)過檢校合格的儀器，由于測繪儀器中心與照準(zhǔn)圓筒中心距離較短（一般20～30 cm），可以認(rèn)定這二心在同一垂線上。

將儀器架設(shè)在三腳架上進(jìn)行觀測時(shí)，通過垂球或?qū)χ衅鳎ü鈱W(xué)、激光等）進(jìn)行對(duì)中整平測繪儀器，大概可以使儀器中心的投影點(diǎn)與標(biāo)志中心重合，但實(shí)際上很難做到嚴(yán)格重合，加上觀測過程中風(fēng)雨、陽光等外界因素的影響以及三腳架位置的不均勻下沉等，經(jīng)常存在不完全重合、甚至偏離較大的情況，這種偏離稱之為測站偏心。同樣原因，鏡站也存在這種現(xiàn)象。在同一基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)進(jìn)行觀測時(shí)，因人為因素均存在測站偏心誤差，也存在因測站偏心誤差引起照準(zhǔn)方向不同，其值均不相同，因誤差傳播也導(dǎo)致需觀測點(diǎn)存在誤差。因此，為了獲得監(jiān)測點(diǎn)的精確變形觀測資料，必須計(jì)算出因測站偏心產(chǎn)生的偏心誤差的大小，才能評(píng)價(jià)其對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的誤差影響。

2）偏心改正數(shù)計(jì)算。控制測量學(xué)給出了測站偏心的計(jì)算公式，需要指出的是，若測站有偏心，則測站上所有觀測方向值都需要進(jìn)行測站歸心改正。由于系統(tǒng)誤差影響了變形觀測的所有方向，而且改正數(shù)改算時(shí)也很復(fù)雜、繁瑣，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，偏心觀測對(duì)中精度及照準(zhǔn)精度為±8 mm，不能滿足重大水利工程變形監(jiān)測精度的需要，因此，通過先進(jìn)手段消除此偏心誤差非常必要，這也是采取強(qiáng)制歸心裝置的必要性。

如果輔以建設(shè)手段，保證設(shè)站時(shí)“三心”同心，其觀測成果就消除了測站偏心差，就能實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求的建造具有強(qiáng)制歸心裝置的混凝土標(biāo)墩進(jìn)行高精度測量。

2 強(qiáng)制歸心裝置使用原理及安裝方法

2.1 強(qiáng)制歸心裝置使用原理

強(qiáng)制歸心裝置一般由強(qiáng)制歸心盤和強(qiáng)制歸心基座組成，是基于測量基點(diǎn)固定的一種裝置，產(chǎn)品上帶有螺紋連結(jié)桿及卡槽，便捷地聯(lián)接儀器或棱鏡，使用便捷、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，可以和絕大部分儀器，如經(jīng)緯儀、測距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS配合使用。強(qiáng)制歸心盤厚度為0.5 cm，直徑為20 cm。安裝時(shí)，歸心盤安裝后若處于水平狀態(tài)，則測繪儀器主機(jī)通過強(qiáng)制歸心的連接，對(duì)中誤差可小于0.05 mm，是工程精密測量中必備產(chǎn)品。

使用強(qiáng)制對(duì)中盤在進(jìn)行精密工程測量時(shí)，可基本消除采用垂球?qū)χ?、光學(xué)或激光對(duì)中時(shí)產(chǎn)生的誤差，即測站儀器安裝產(chǎn)生的偏心差，因此，這也是規(guī)范明確規(guī)定基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)采用強(qiáng)制歸心裝置的原因。

2.2 強(qiáng)制歸心裝置的安裝方法

基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)的位置選取需遵照測量規(guī)范要求，如遠(yuǎn)離影響GNSS信號(hào)接收的高大建筑物、樹林、具有放射性較強(qiáng)的高壓線塔和電磁場強(qiáng)大的無線發(fā)射塔等，同時(shí)還應(yīng)滿足監(jiān)測的變形監(jiān)測點(diǎn)的通視、便于點(diǎn)位建設(shè)的要求等?；鶞?zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)位置選取后，通過進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，建設(shè)混凝土基座。

安裝強(qiáng)制歸心裝置時(shí)，先將強(qiáng)制歸心裝置預(yù)埋件埋入混凝土，安裝時(shí)，要檢查氣泡是否合格。

1）概略調(diào)平（粗平）。通過調(diào)節(jié)三個(gè)連接桿，使歸心盤上的棱鏡氣泡居中，做到歸心盤處于粗平狀態(tài)。粗平后，填注混凝土，填注時(shí)使用橡膠錘輕輕震動(dòng)混凝土使之反復(fù)振動(dòng)，排出盤底混疑土氣泡，使歸心盤底混凝土密實(shí)。同時(shí)時(shí)刻觀察棱鏡氣泡是否居中，發(fā)生偏離時(shí)需通過震動(dòng)、填筑混凝土進(jìn)行擠壓，達(dá)到粗平目的。需要注意的是，填注混凝土材料前，歸心盤背面中心螺栓孔需用柔性材料封堵，以免砂石進(jìn)入堵塞栓孔。2～3 h混凝土初凝后，基本完成粗平安裝。

2）精確調(diào)平（精平）。粗平安裝完成后即可進(jìn)行強(qiáng)制歸心裝置的精確調(diào)平。強(qiáng)制歸心裝置的精平有兩種安裝方式。

一是在強(qiáng)制歸心裝置平面上放置兩個(gè)成垂直狀態(tài)的水平尺，通過使用橡膠錘震動(dòng)歸心盤四周尚未完全凝固的混凝土輕輕擠壓歸心盤或震動(dòng)歸心盤，進(jìn)行精平，同時(shí)觀測歸心盤上棱鏡的圓氣泡進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)反復(fù)調(diào)整，直至滿足歸心盤處于水平面要求。

二是通過架設(shè)在周圍10 m距離的全站儀兩臺(tái)，互成90°安置整平，采用儀器內(nèi)十字絲兩臺(tái)全站儀同時(shí)進(jìn)行觀測校準(zhǔn)方式，通過輕輕擠壓或震動(dòng)歸心盤，進(jìn)行精平，同時(shí)觀測歸心盤上棱鏡的圓氣泡進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)反復(fù)調(diào)整，直至滿足歸心盤處于水平面要求，完成精平安裝。

3）養(yǎng)護(hù)與檢查。一是要加強(qiáng)后期混凝土養(yǎng)護(hù)。二是鑒于混凝土凝固期也會(huì)使強(qiáng)制歸心裝置產(chǎn)生變形，建議時(shí)時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制歸心裝置的水平狀態(tài)檢查，確保強(qiáng)制歸心裝置處于精確水平狀態(tài)。

3結(jié)語

強(qiáng)制歸心裝置在提高觀測精度的方面具有其重要意義；現(xiàn)代測繪科技水平，豐富了高精度設(shè)備安裝的手段，提高了工作的效率，具有較強(qiáng)的推廣意義。