趙義春，王樹寶，艾明明（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061）

南水北調(diào)工程水平位移監(jiān)測方法的分析與比較

趙義春，王樹寶，艾明明
（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061）

文中對南水北調(diào)中線干線工程幾種常用的水平位移監(jiān)測方法，進行了系統(tǒng)的分析和比較，列出了這幾種方法的原理，精度分析，優(yōu)點以及不足等。對于在南水北調(diào)中線干線工程中進行水平位移監(jiān)測方法的選取，具有一定的指導價值。

南水北調(diào)；水平位移監(jiān)測；監(jiān)測方法；分析

1 概述

南水北調(diào)中線干線工程自陶岔渠首至北京團城湖全長約1 277.212 km，天津干線自西黑山分水閘引出，至天津外環(huán)河出口閘長約155.273 km，總長1 432.485 km。其中，總干渠陶岔至北拒馬河中支渠段采用明渠輸水方式，北京、天津段采用管涵輸水方式。

輸水線路跨越長江流域、淮河流域、黃河流域、海河流域，沿線經(jīng)過河南、河北、北京、天津二省二市。由于線路跨越流域和省市較多，形成了復雜多變的渠道類型。根據(jù)土質(zhì)的不同，分為一般渠段、膨脹土渠段、高地下水渠段（砂礫石段）和石方段等；根據(jù)填挖的不同，分為高填方渠段、深挖方渠段、半填半挖渠段和普通渠段等。

為了監(jiān)測深挖方渠段邊坡的變形情況，在深挖方渠段布設水平位移測點。由于不同的水平位移測點類型和布設方法，形成了不同的水平位移監(jiān)測方法。

2 水平位移監(jiān)測方法

當渠道筆直或要監(jiān)測垂直于渠道方向的位移時，可采用視準線法、距離收斂法等監(jiān)測方法。但當渠道彎曲或需同時監(jiān)測渠道兩個方向位移時，可采用前方交會法或極坐標法。前方交會法主要有兩種：測邊前方交會法和測角前方交會法。另外還有一些困難條件下的水平位移監(jiān)測方法。

2.1 視準線法

2.1.1 原 理

如下圖所示，點A，B是視準線的兩個工作基點（端點），1，2，3為水平位移監(jiān)測點。監(jiān)測時將全站儀置于A點，將儀器照準B點，豎直轉動全站儀，分別轉至1，2，3三個點附近，用游標卡尺或鋼尺測得監(jiān)測點至A—B這條視準線的距離。根據(jù)前后兩次的測量距離，得出這段時間內(nèi)水平位移量。

2.1.2 精度分析

由基準線的設置過程可知，監(jiān)測誤差主要包括儀器測站點儀器對中誤差，視準線照準誤差，讀數(shù)照準誤差，其中，影響最大的是讀數(shù)照準誤差。另外此方法還受到大氣折光、儀器高和覘標高等因素的影響。

2.1.3 優(yōu) 點

視準線監(jiān)測方法原理簡單、方法實用、實施簡便、投資較少。

2.1.4 不 足

1）對較長的視準線而言,由于視線長,使照準誤差增大,甚至可能造成照準困難。當視準線太長時，目標模糊，照準精度太差且后視點與測點距離相差太遠，望遠鏡調(diào)焦誤差較大，對監(jiān)測成果有較大影響。

2）精度低，不易實現(xiàn)自動監(jiān)測，受外界條件影響較大，而且變形值不能超出該系統(tǒng)的最大偏距值，否則無法進行監(jiān)測。

3）視準線法的工作基點必須設置在位于變形體附近并且必須基本與測點在同一軸線上。由于南水北調(diào)渠道較長，兩側均為變形區(qū)域，很難做到此點。

2.2 前方交會法

如果變形監(jiān)測點散布在渠道兩側或者在渠道兩側穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)可以布設工作基擇時，常用前方交會法來進行監(jiān)測。

2.2.1 原 理

測角前方交會：

如上圖所示：P表示監(jiān)測點，A，B為工作基點。設A點坐標為（xA，yA），A2坐標為（xB，yB），P坐標為（xP，yP）。

分別在A點和B點安置全站儀，設一個點為定位點、另一個點為定向點，然后照準觀測點P，分別測得交會角α，β，交會角應在30°～150°之間。根據(jù)公式：

就可以計算出P點的坐標xP和yP。然后計算前后兩次的測量坐標差值，得出這段時間內(nèi)水平位移量。

測邊前方交會：

如上圖所示，用全站儀分別測得A到P點的平距為S1，測得B到P點的平距為S2，S為A至B之間的平距，直線AB的坐標方位角為αAB。根據(jù)公式：

然后計算前后兩次的測量坐標差值，得出這段時間內(nèi)水平位移量。

2.2.2 精度分析

測角前方交會：

其監(jiān)測P的點位中誤差為：

式中：mβ為測角中誤差，ρ=206 265，γ=∠APB。當γ=90°時，點位中誤差不隨α，β的變化而變化；當γ＞90°時，對稱交會時的點位中誤差最小，精度最高；當γ＜90°時，對稱交會時點位中誤差最大，對精度不利。

測距前方交會：

設邊長S1，S2的測距中誤差為ms1，ms2，則監(jiān)測P的點位中誤差為：

2.2.3 優(yōu) 點

1）工作基點布置有較大靈活性。前方交會法的工作基點可以適當遠離變形體，所以工作基點的選擇更為靈活。特別是當變形體附近難以找到合適的工作基點時，前方交會法更能顯出其優(yōu)點。

2）前方交會法能同時監(jiān)測2個方向的位移。

3）監(jiān)測耗時少。當測點較多，并分布在多條直線上時，前方交會法的耗時較視準線等方法少。

2.2.4 不 足

1）前方交會法由于受測角誤差、測邊誤差、交會角及圖形結構、基線長度、外界條件的變化等因素影響，精度較低。另外，其監(jiān)測工作量較大，計算過程較復雜。

2）對于邊長交會法，由于全站儀的測距精度包含固定誤差和比例誤差，當距離增加時其誤差也會增大。在選擇工作基點時，除要滿足通視和工作基點的穩(wěn)定性外，還須考慮工作基點與測點間的視距不要過長。

3）需要將位移量轉化成垂直于渠道方向和順水流方向的位移。

2.3 極坐標法

極坐標法屬于邊角交會，是邊角交會的最常見的方法。

2.3.1 原 理

如上圖所示：在已知點A安置儀器，后視點為另一已知點B，通過測得AB—AP的角度β以及A點至P點的距離S，計算得出P點坐標。設A點坐標為A（xA，yA），直線AB的方位角為αAB，則P點坐標P（xP，yP）的計算公式為：

2.3.2 精度分析

設測邊中誤差為mS，測角中誤差為mβ，則監(jiān)測點的點位中誤差為：

其中ρ=206 265。

2.3.3 優(yōu) 點

操作方便，利用全站儀進行測量可以直接測得坐標，簡單快速。

2.3.4 不 足

精度較低，適用于精度不是很高的水平位移監(jiān)測工作；需要將位移量轉化成垂直于渠道方向和順水流方向的位移。

2.4 距離收斂法

2.4.1 原 理

如上圖所示，A，B為垂直于渠道方向的一對監(jiān)測點，每次觀測時測定AB的水平距離S。然后根據(jù)前后兩次的測量距離，得出這段時間內(nèi)這對監(jiān)測點的位移量△S=S1-S2。

2.4.2 精度分析

由于該方法僅觀測兩個點間的水平距離，因此僅受到測距誤差的影響。由于全站儀的測距精度包含固定誤差和比例誤差，當距離增加時其誤差也會增大。

2.4.3 優(yōu) 點

1）操作方便，利用全站儀進行測量可以直接測得水平距離，簡單快速。

2）無需工作基點，也無需測量監(jiān)測點的坐標。

2.4.4 不 足

1）由于是觀測一對監(jiān)測點的相對距離，因此只能得出垂直于渠道方向的位移情況，無法確定沿渠道方向的位移。

2）由于兩個點都是監(jiān)測點，都處于變形區(qū)域內(nèi)，都存在位移，因此無法確定一對監(jiān)測點中具體是哪個點發(fā)生了位移。

3）對監(jiān)測點布設要求較高，監(jiān)測點需要成對布設，且一對監(jiān)測點的連線要垂直于渠道。

3 結論

綜上所述，對于上面的每一種方法，都有自己的特點，在選用水平位移測量方法的時候，既要考慮到精度，可行性，也要考慮經(jīng)濟、效率等方面的問題。在滿足精度要求的前提下，盡量使用簡單實用經(jīng)濟的方法。對于不同的現(xiàn)場，有不同的特點，不一定采用一種方法，可以采用兩種或者兩種以上方法結合來進行水平位移的監(jiān)測。

［1］王志明.幾種水平位移監(jiān)測方法的分析和比較［J］.上海建設科技，2008.

［2］王鐵生，袁天奇.測繪學基礎［M］.北京：科學出版社，2008.

［3］劉成龍.極坐標法測量精度評定方法的研究［J］.鐵道學報，1996.

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