静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用

 静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用

作者：李啸啸；张晓松




    随着水利科学、岩石力学、通信技术的迅猛发展，越来越多的超高坝开始在更高的水头、更为苛刻的地质条件下工作，对安全监测的精度、实时性提出越来越高的要求。 对这些大坝加密监测会带来较大的人工观测强度，借助于自动化监测系统能够实时、高频次地监测。 由静力水准仪组成的系统具有自动化性能好、精度高等优点，目前广泛应用在水工建筑物沉降监测中。 该系统是利用连通管原理，即相连的容器中液体总是具有相同势能，测量两点间或多点间相对垂直高度变化的精密测量系统。

1、静力水准系统测量原理

       静力水准系统是采用连通管的原理测量各测点之间相对高程变化，再通过基准点（通常为设置在第一个测点处的水准基点或者双金属管标）对各测点的相对位移进行附加，最终获得各测点的绝对沉降量值。

2、静力水准系统影响因素分析

      目前，影响静力水准系统测量精度的因素主要可分为仪器误差和外部环境因素。 静力水准仪容器、传感器灵敏度等是系统仪器自身误差来源，即不同的静力水准仪对测量精度存在影响，因此对于仪器自身而言，需要采取诸如：提高容器内壁及传感器加工精度、合理选择容器尺寸、对内壁进行抛光处理等措施，才能确保静力水准系统稳定可靠地工作。

2.1 压力差异影响

       当连通管中压力有差异时，管内液体会发生变化。水准系统所在现场经常会发生振动（闸门启闭等），甚至不稳定气流都会导致静力水准仪中压力变化。在温度为20℃，压力差异导致的高差可达 0.14 mm, 因此应根据每支静力水准仪中实际压力通过上式来修正液面高度，但会增大该系统成本及数据处理工作量。 在实际工程中往往采用密封的连通管（例如 PVC 管）来保证整个测量系统在相同的压力下，消除压力变化引起的误差。

2.2 温度影响

      当连通管中温度有差异时，管内液体密度会发生变化，进而导致液面产生高差。 不同液体高度在不同温度下，其变化量也是不同的，因此工程 中经常将静力水准系统设置在温度变化不大的环境中，譬如大坝坝体和坝基廊道。此外，外界振动也会引起水准液面的变化。 一般来说，静力水准系统的测量范围较小，高程测量范围也有限，压力与重力场的影响较小，可以忽略。

3、静力水准系统安装注意事项

静力水准系统在安装时应注意以下几个方面：

(1)基本原则：依据观测设计布设的测点部位，埋设安装相应的设备。

(2)安装在结构物侧壁上的静力水准仪，可采 用混凝土牛腿或钢结构支架，应确保其支承结构同结构物牢靠结合，并具有足够高的刚度；若是安装在混凝土（或岩石）面上的仪器，安装埋设时应处理接触面，使安装静力水准仪的混凝土墩与坝体（或 岩体）完全结合成整体。

(3)静力水准系统应设置在远离振动、交通和人流频繁活动的地方，必要时宜设置专门的防护沟槽以减少其不利影响。

(4)连通管应置于支承结构上，并连接平顺，谨防其承受大的压力或弯曲。

(5)测点部分的埋设必须可靠，以能准确反映 测点真实的垂直位移为准。安装时需尽可能使各个 测点处于同一高程，不同点的安装高程误差应控制在土 5mm之内（部分情况下要求在 ±3mm 之内）。

(6)应保证同一条静力水准线路中各静力水准测点处于相同工作环境中，如温度、气压等应相同。若根据I程实际情况必须设置在差异较大的环境中（如温差变化较大的坝顶等部位）的静力水准系统，应在各测点及连通管处考虑设置保温和安 全防护设施，如静力水准仪应填以保温材料并加外罩保护，连通管需用保温材料包裹，并选用掺加一定比例防冻液的混合液作为连接液体。对温度差异较大的地区，还应在连通液体里加入适量的硅油，以防止连通液体高温蒸发影响测量精度。具体掺加比例可根据监测现场情况及当地气候状况决定。

(7) 对于有多条水准线路的户外静力水准系 统，各水准线路需选用相同的填充液体。

5结语

本文探讨了静力水准系统在水工建筑物沉降 观测中的应用，并介绍了温度环境因素对测量精度的影响，并对安装中的相关技术要求进行了总结，对类似工程具有一定参考意义。

(1)压力差异、温度等外部环境因素是影响静力水准系统测量精度的主要因素。

(2)安装静力水准系统时，应以降低压力、温度、外部振动对测量精度的影响为出发点，研究合理的 安装技术方法，从根本上提高系统测量精度。 






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