强制归心装置在南水北调观测网布设中的应用

张宇恒，任泽俭，赵文聚

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南250109；2.济南市水文中心，山东 济南250014）

南水北调东线一期工程山东段由于建设期缺乏全线统一的高精度变形监测网规划，各设计单元工程没有高精度基准点或者原基准点点位选择离建筑物太近，导致工作基点无法校核，不能按相关技术要求开展变形监测工作。国务院南水北调办公室于2016年对山东南水北调干线工程运行管理情况进行了稽察、复查，其中，变形全监测成为专项稽察重点关注内容。为解决这一问题，南水北调东线山东干线有限责任公司分别于2017年12月、2020年8月进行招标，分阶段建设由基准点、工作基点及水库、水闸、泵站等建筑物监测点组成的B级、C级GNSS变形监测网、一等及二等水准网，构建统一时间节点的高精度变形监测控制系统。

1 强制归心装置建设的必要性

1.1 水平位移规范要求

南水北调工程作为变形比较敏感的大型水工建筑物，根据《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）要求，其平面位移监测精度应不低于二等，位移量允许中误差为±3 mm。因此，进行建筑物变形监测，必须建立高精度变形观测网，设置基准点、工作基点和建筑物监测点。根据相关规范要求，水平位移监测点基准点、工作基点应建造具有强制归心装置的混凝土标墩。

1.2 偏心观测与归心改正

1）偏心观测。测量时，是以地面上埋设的基准点或工作基点的标志中心位置架设测绘仪器，根据测站点的平面位置和高程测量、计算各监测点的平面位置和高程，即由标志中心为基础数据。因此，观测时必须保证测绘仪器中心、照准圆筒中心与标志中心位于同一垂线上，即所谓“三心”一致。经过检校合格的仪器，由于测绘仪器中心与照准圆筒中心距离较短（一般20～30 cm），可以认定这二心在同一垂线上。

将仪器架设在三脚架上进行观测时，通过垂球或对中器（光学、激光等）进行对中整平测绘仪器，大概可以使仪器中心的投影点与标志中心重合，但实际上很难做到严格重合，加上观测过程中风雨、阳光等外界因素的影响以及三脚架位置的不均匀下沉等，经常存在不完全重合、甚至偏离较大的情况，这种偏离称之为测站偏心。同样原因，镜站也存在这种现象。在同一基准点或工作基点进行观测时，因人为因素均存在测站偏心误差，也存在因测站偏心误差引起照准方向不同，其值均不相同，因误差传播也导致需观测点存在误差。因此，为了获得监测点的精确变形观测资料，必须计算出因测站偏心产生的偏心误差的大小，才能评价其对监测点的误差影响。

2）偏心改正数计算。控制测量学给出了测站偏心的计算公式，需要指出的是，若测站有偏心，则测站上所有观测方向值都需要进行测站归心改正。由于系统误差影响了变形观测的所有方向，而且改正数改算时也很复杂、繁琐，根据经验，偏心观测对中精度及照准精度为±8 mm，不能满足重大水利工程变形监测精度的需要，因此，通过先进手段消除此偏心误差非常必要，这也是采取强制归心装置的必要性。

如果辅以建设手段，保证设站时“三心”同心，其观测成果就消除了测站偏心差，就能实现规范要求的建造具有强制归心装置的混凝土标墩进行高精度测量。

2 强制归心装置使用原理及安装方法

2.1 强制归心装置使用原理

强制归心装置一般由强制归心盘和强制归心基座组成，是基于测量基点固定的一种装置，产品上带有螺纹连结杆及卡槽，便捷地联接仪器或棱镜，使用便捷、数据精准，可以和绝大部分仪器，如经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪、GNSS配合使用。强制归心盘厚度为0.5 cm，直径为20 cm。安装时，归心盘安装后若处于水平状态，则测绘仪器主机通过强制归心的连接，对中误差可小于0.05 mm，是工程精密测量中必备产品。

使用强制对中盘在进行精密工程测量时，可基本消除采用垂球对中、光学或激光对中时产生的误差，即测站仪器安装产生的偏心差，因此，这也是规范明确规定基准点或工作基点采用强制归心装置的原因。

2.2 强制归心装置的安装方法

基准点、工作基点的位置选取需遵照测量规范要求，如远离影响GNSS信号接收的高大建筑物、树林、具有放射性较强的高压线塔和电磁场强大的无线发射塔等，同时还应满足监测的变形监测点的通视、便于点位建设的要求等。基准点、工作基点位置选取后，通过进行基础开挖，建设混凝土基座。

安装强制归心装置时，先将强制归心装置预埋件埋入混凝土，安装时，要检查气泡是否合格。

1）概略调平（粗平）。通过调节三个连接杆，使归心盘上的棱镜气泡居中，做到归心盘处于粗平状态。粗平后，填注混凝土，填注时使用橡胶锤轻轻震动混凝土使之反复振动，排出盘底混疑土气泡，使归心盘底混凝土密实。同时时刻观察棱镜气泡是否居中，发生偏离时需通过震动、填筑混凝土进行挤压，达到粗平目的。需要注意的是，填注混凝土材料前，归心盘背面中心螺栓孔需用柔性材料封堵，以免砂石进入堵塞栓孔。2～3 h混凝土初凝后，基本完成粗平安装。

2）精确调平（精平）。粗平安装完成后即可进行强制归心装置的精确调平。强制归心装置的精平有两种安装方式。

一是在强制归心装置平面上放置两个成垂直状态的水平尺，通过使用橡胶锤震动归心盘四周尚未完全凝固的混凝土轻轻挤压归心盘或震动归心盘，进行精平，同时观测归心盘上棱镜的圆气泡进行比对，经反复调整，直至满足归心盘处于水平面要求。

二是通过架设在周围10 m距离的全站仪两台，互成90°安置整平，采用仪器内十字丝两台全站仪同时进行观测校准方式，通过轻轻挤压或震动归心盘，进行精平，同时观测归心盘上棱镜的圆气泡进行比对，经反复调整，直至满足归心盘处于水平面要求，完成精平安装。

3）养护与检查。一是要加强后期混凝土养护。二是鉴于混凝土凝固期也会使强制归心装置产生变形，建议时时进行强制归心装置的水平状态检查，确保强制归心装置处于精确水平状态。

3结语

强制归心装置在提高观测精度的方面具有其重要意义；现代测绘科技水平，丰富了高精度设备安装的手段，提高了工作的效率，具有较强的推广意义。