水下建筑物高程液體靜力水準測量方法與關(guān)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(nèi)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(zhì)等因素的變化而改變，特殊情況下還需要進行姿態(tài)、方向、聲波曲線、波速等修正。缺點在于精度受環(huán)境因素影響較大，一般工程中僅能達到分米級，無法提供穩(wěn)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(jù)潮位數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(jiān)測中運用較為廣泛，根據(jù)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(huán)境、地形、結(jié)構(gòu)的影響很小。在水下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵指標進行詳細闡述。

1 系統(tǒng)組成和測量原理

整個系統(tǒng)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(tǒng)的測量原理為采用靜力水準測量方法將傳統(tǒng)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(tǒng)是一個封閉體，與外界水體隔絕，內(nèi)部連通液均質(zhì)、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(tài)，水面設備讀取此時的壓力值（內(nèi)部連通液壓力，而非外界水體），并根據(jù)連通液密度和重力加速度值轉(zhuǎn)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(tài)水準儀測得壓力；ρ 為連通液密度。

靜力水準測量系統(tǒng)與外界水體隔絕，依靠內(nèi)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(wěn)定。

圖1 測量系統(tǒng)組成和原理圖

2 測量系統(tǒng)的關(guān)鍵指標

2.1 測量誤差

該測量系統(tǒng)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(tǒng)測量誤差，根據(jù)測量學誤差計算方法[10-11]，該系統(tǒng)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(tài)動態(tài)變化有關(guān)；m3為靜力水準系統(tǒng)測量誤差。

2.2 系統(tǒng)的同步測量

根據(jù)公式（1），在固定不變的情況下，測量結(jié)果決定于全站儀和靜力水準系統(tǒng)。二者之間應當保持同步，但實際上難以達到同步狀態(tài)，中間有一個間隔。在船體姿態(tài)不變，壓力傳感器放置穩(wěn)定的情況下，對測量結(jié)果無影響。船體姿態(tài)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(tài)變化較大的情況下，應采用自動化姿態(tài)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(jù)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(qū)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(jù)測量結(jié)果將承臺安裝后發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)范圍，只得吊起取水頭和承臺重新處理填坑。經(jīng)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(jīng)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(tǒng)，設備部分關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)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(tǒng)設備表

根據(jù)現(xiàn)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(tǒng)安裝到現(xiàn)場搭建的鋼結(jié)構(gòu)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(jù)岸上指揮選擇測點并將探頭水平放置到位，穩(wěn)定后讀取數(shù)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(qū)域進行水深測量精度驗證，水深均在5 m 以內(nèi)，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(qū)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(tài)。測量和對比結(jié)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(zhì)、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(shù)幾十厘米，遠低于該方法所測精度。

表2 高程測量結(jié)果及對比統(tǒng)計表

3.4 測量結(jié)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(nèi)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?？紤]到該系統(tǒng)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(shù)據(jù)經(jīng)過處理后統(tǒng)計結(jié)果見表3，由表可見，坑內(nèi)處理后表面不平整度為11mm，承臺結(jié)構(gòu)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(jié)果統(tǒng)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(jīng)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(jīng)調(diào)節(jié)后順利安裝就位。

4 結(jié)論

（1）采用水上水下高程分段測量方法，數(shù)學模型明確，原理清晰。

（2）該方法可靠性和精度高，測量結(jié)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(nèi)，測區(qū)離岸1 km 以內(nèi)的情況，測量精度優(yōu)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(jié)果表明，該方法適應性強，精度高，測量流程易于實現(xiàn)。

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(tài)處于動態(tài)變化中，對結(jié)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(tài)影響規(guī)律和修正方法作進一步研究。