基准线法：原理与应用

基准线法的原理是以通过建筑物（或平行于建筑物）轴线的固定不变的铅直平面作为基准面来测定建筑物的水平位移。基准线由两基准点构成，此法只能测量建筑物与基准线垂直方向的变形。对于直线型建筑物的水平位移观测，采用基准线法速度快、精度高且计算简便。

基准线法按使用工具的不同，可分为视准线法、激光准直法和引张线法。其中视准线法可分为测小角法和活动觇牌法；激光准直法可分为激光经纬仪准直法和波带板激光准直法。

1.视准线法

（1）活动觇牌法

用活动觇牌直接测定观测点偏离视准线的数值，然后，求出该点的水平位移，称为活动觇牌法。它使用的主要仪器和设备，包括精密经纬仪、固定和活动觇牌。其中，固定觇牌观测时安置于端点墩上，通过望远镜的视准轴及固定觇牌中心，形成视准线，其构造如图13.10所示。活动觇牌观测时置于观测点上，用来测定偏离数据，图13.11所示为活动觇牌。

为了减小觇牌照准误差的影响，觇牌设计上应注意以下几个方面。

1）反差大。试验表明，以白色作底色，以黑色作图案的觇牌最好。白色与红色配合，则能获得较好的反差，但相对前者而言易使观测者产生视觉疲劳。

图13.10　固定觇牌

图13.11　活动觇牌

2）图案应对称。

3）没有相位差。采用平面觇牌即可消除相位差。

4）应有适当的参考面积。为了准确照准，应使十字丝两边有足够的比较面积。

5）便于安置。所设计的觇牌要求能够随意安置，即当觇牌有一定倾斜时仍能保证精确照准。

另外，为了减小仪器和觇牌的安置误差，一般采用钢筋混凝土结构的观测墩，且观测墩底座部分要求直接浇筑在基岩上，以确保其稳定性。在观测墩顶面常埋设固定的强制对中设备，通常要求强制对中设备能使仪器觇牌的偏心误差小于0.1mm。满足这一精度要求的强制对中装置很多，如采用圆锥、圆球插入式的，埋设中心杆的，还有采用置中圆盘的。目前较常用的是置中圆盘，如图13.12所示。其优点是适合于多种仪器，且对仪器无损害，但加工精度要求很高。

图13.12　强制对中设备之一——置中圆盘

活动觇牌法的观测程序如下。

1）如图13.13所示，将经纬仪安置在端点A，照准另一端点B上的固定觇牌中心线。

图13.13　活动觇牌法观测图

（a）平面图；（b）纵剖面图

2）将活动觇牌安置在a点，由观测员指挥a点处的作业员，用微动螺旋移动觇牌，待觇牌的中心线与望远镜十字丝的纵丝重合时，立即发出信号，停止移动觇牌。然后，由a点处的作业员读数，记入规定的表格内。

3）继续按2）的移动方向移动觇牌，然后，再向相反方向移动觇牌，使觇牌中心线与十字丝纵丝再重合，再读一次数，与第一次读数之差不超过0.7mm时，取两次读数的中数为第一测回成果。

4）第二测回开始时，望远镜重新照准端点B进行定向，按上述2）、3）项操作观测a点2～4测回，测回差不超过0.5mm时，取各测回平均值为a点的往测成果。

5）按上述1）、2）、3）和4）操作观测b、c、d点等，称为往测，然后，仪器与固定觇牌互换位置，重复1）～5）项操作，称为返测。

（2）测小角法

如图13.14所示，测小角法是利用精密水准仪（如J1型）精确地测出基准线AB与观测点P i之间的微小夹角，并按式（13.9）计算偏离值

式中　d i——指端点A到观测点P i的距离；

ρ——206265″。

图13.14　测小角法

测小角法的精度可按下式估算

用测小角法观测水平位移时，仪器采用了强制对中，小角度只需测微器测定，所以主要误差来源是仪器照准觇牌时的照准误差。当小角度采用测回法观测时，一测回所测小角度的误差，由误差传播定律可得

将上式代入式（13.10）则有

由此可见，测小角法的精度，取决于照准误差mv数值的大小。通常认为

式中　v——望远镜的放大率；

60——人眼的鉴别角（″）。

【例13.1】 设某观测点到测站（端点）的距离为300m，若要求测定偏离值的精度为±0.7mm，用小角法观测时，小角度的限差是多少？

解：由式（13.10）得小角度的限差为

将已知数据代入得

【例13.2】 按[例13.1]的数据，当采用J1级经纬仪（v＝40）观测时，小角度应观测几个测回？(www.xing528.com)

解：由式（13.11）可计算观测一测回的中误差为

所以，要使小角度达到±0.48″的精度，小角度观测应满足的测回数为

故n＝10，即小角度应以不少于10个测回的精度测定。

2.激光准直法

激光准直法根据测定偏离值的方法不同，可分为激光经纬仪准直法和波带板激光准直法。

（1）激光经纬仪准直法

采用激光经纬仪准直法时，活动觇牌法中的觇牌是中心装有两个半圆的硅光电池组成的光电探测器。两个硅光电池各接在检流表上，当激光束通过觇牌中心时，硅光电池左右两半圆上接受相同的激光能量，检流表指针在零位；反之，检流表指针就偏离零位，这时，移动光电探测器使检流表指针指零，即可在读数尺上读取读数。利用游标尺时可读到0.1mm；采用测微器可读到0.01mm。

激光经纬仪准直法的操作要点如下。

1）将激光经纬仪安置在端点A上，在另一端点B上安置光电探测器。将光电探测器的读数安置至零，调整经纬仪水平度盘微动螺旋时，移动激光束的方向，使在B点的光电探测器的检流表指针指零。这时基准面即已确定，经纬仪水平度盘就不要再动。

2）依次将望远镜的激光束投射到安置于每个观测点处的光电探测器上，移动光电探测器，时检流表指针指零，就可以读取每个观测点相对于基准面的偏离值。

为了提高观测精度，在每一个观测点上，探测器需进行多次探测。

（2）波带板激光准直法

波带板激光准直系统由三个部件组成：激光器点光源、波带板装置和观点探测器。用波带板激光准直系统进行准直测量，如图13.15所示。

图13.15　波带板激光准直测量

在基准线两端点A、B分别安置激光器点光源和探测器，在需要测定偏离值的观测点C上安置波带板。当激光束点燃后，激光点光源就会发射出一束激光，满照波带板，通过波带板上不同透光孔的绕射光波之间的互相干涉，就会在光源和波带板联机的延伸方向线上的某一个位置形成一个亮点[图13.16（a）圆形波带板所示]或十字丝[图13.16（b）方形波带板所示]。

根据观测点的具体位置，对每一观测点可以设计专用的波带板，使所成的像正好落在接收端点B的位置上。如图13.17所示，利用安置在B点的探测器，可以测出AC联机在B点处相对于基准面的偏离值，则C点相对基准面的偏离值为

图13.16　波带板

（a）圆形波带板；（b）方形波带板

图13.17　偏离值计算

在波带板激光准直系统中，在激光器点光源的小孔光栏后安置一个机械折波器，使激光束成为交流调制光，这样即可大大削弱太阳光的干涉，可以在白天成功地进行观测。

试验表明，激光经纬仪准直法在照准精度上可以比直接用经纬仪法提高5倍，但是对于长距离的基准线观测，外界条件（尤其是旁折光影响）已经成为精度提高的障碍。在基准线很长时，为了获得较高的观测精度，可以分段进行观测，即先测定基准线中少数观测点（分段点）相对于基准线的偏离值，再将它们作为起始点，然后在各分段中测定相对分段基准线的偏离值，最后归算到两端的基准线上。目前有的研究者则建议将激光束包在真空管道中用以克服大气折光的影响。

3.引张线法

在坝体廊道内，利用一根拉紧的不锈钢丝建立的基准面来测定观测点的偏离值的方法称为引张线法，该方法可以不受旁折光的影响。

为了解决引张线法垂曲度过大的问题，通常采用在引张线中间设置若干浮托装置，它使垂径大为减小，且保持整个线段的水平投影仍为一条直线。

（1）引张线的装置

引张线的装置由端点、观测点、测点、测线（不锈钢）与测线保护管等四部分组成。

1）端点。如图13.18所示，端点由墩座、夹线装置、滑轮、垂线连接装置及重锤等部件组成。夹线装置是端点的关键部件，它起着固定不锈钢位置的作用。为了不损伤钢丝，夹线装置V形槽底及压板底部镶嵌铜质类软金属。端点处用以拉紧钢丝的重锤，其质量视允许拉力而定，一般在10～50kg之间。

图13.18　引张线的端点

（a）端点；（b）夹线装置

图13.19　引张线的观测点

1—保护管支架；2—保护箱；3—钢筋；4—槽钢；5—标尺；6—测线保护管；7—角钢；8—水箱；9—浮船

2）观测点。如图13.19所示，观测点由浮托装置、标尺和保护箱组成。浮托装置由水箱和浮船组成，浮船置入水箱中，用以支撑钢丝。浮船的大小或排水量可以依据引张线各观测点间的间距和钢丝的单位长度重量来计算。一般浮船体积为排水量的1.2～1.5倍，而水箱体积为浮船体积的1.5～2倍。标尺线由不锈钢制成，其长度为16cm左右，标尺上的最小分划为1mm。标尺固定在槽钢面上，槽钢埋入大坝廊道内，并与之牢固结合。引张线各观测点的标尺基本位于同一高度面上，尺面应水平，尺面垂直于引张线，尺面刻画线平行于引张线。保护箱用于保护观测点装置，同时也可防风，以提高观测精度。

3）测线。测线一般采用直径为0.6～1.2mm的不锈钢丝（即碳素钢丝），在两端重锤作用下引张为一直线。

4）测线保护管。保护管用来保护测线不受损坏，同时起到防风作用。保护管应用直径大于10cm的塑料管，以保证测线在管内有足够的活动空间。

（2）引张线观测

引张线法中假定钢丝固定不动，因而引张线是固定的基准线，由于各观测点上的标尺是与坝体固定连接的，所以对于不同的观测周期，钢丝在标尺上的读数变化值就直接标示该观测点的位移值。

观测钢丝在标尺上的读数的方法很多，现介绍显微镜法读数。该法是利用刻有测微分划线的读数显微镜进行的，测微分划线的最小刻划为0.1mm，可估读到0.01mm。由于通过显微镜后钢丝与标尺分划线的像都变得很粗大，所以采用测微分划线读数时，应读两个读数来取平均值。如图13.20所示，为某次观测情况及其读数显微镜的成像情形。钢丝左边缘的读数为α＝62.00mm，钢丝右边缘的读数为b＝62.20mm，则该观测结果为＝62.10mm。

图13.20　引张线读数

通常，观测是从靠近端点的第一个观测点开始读数，依次观测到测线的另一个端点，称为一个测回，每次需观测3个测回。各测回间应轻微拨动中间观测点的浮船，使整条引张线浮动，待其静止后，再进行下一测回的观测。各测回间观测值互差为0.2mm。

为了使标尺分划线与钢丝的像能在读数显微镜场内同样清晰，观测前加水时，应调节浮船高度到使钢丝距标尺面0.3～0.5mm。根据生产单位对引张线大量观测资料进行分析的结构，3个测回观测平均值的中误差约为0.03mm。可见，引张线法测定水平位移的精度是较高的。