李嘯嘯，張曉松

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610051）

靜力水準系統(tǒng)在水工建筑物沉降監(jiān)測中的應用

李嘯嘯，張曉松

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610051）

靜力水準儀具有精度高、監(jiān)測范圍廣、測值可靠等優(yōu)點，被廣泛運用在大壩沉降監(jiān)測工作中。筆者介紹了靜力水準系統(tǒng)工作原理及影響靜力水準系統(tǒng)測量精度的主要因素，結合其在某引水發(fā)電式水電站中的應用，對其水準監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，重點研究了溫度因素對監(jiān)測結果的影響，總結了該系統(tǒng)在安裝中的相關注意事項。

沉降監(jiān)測；測量精度；溫度；安裝

隨著水利科學、巖石力學、通信技術的迅猛發(fā)展，越來越多的超高壩開始在更高的水頭、更為苛刻的地質條件下工作，對安全監(jiān)測的精度、實時性提出越來越高的要求。對這些大壩加密監(jiān)測會帶來較大的人工觀測強度，借助于自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時、高頻次地監(jiān)測。由靜力水準儀組成的系統(tǒng)具有自動化性能好、精度高等優(yōu)點，目前廣泛應用在水工建筑物沉降監(jiān)測中。該系統(tǒng)是利用連通管原理，即相連的容器中液體總是具有相同勢能，測量兩點間或多點間相對垂直高度變化的精密測量系統(tǒng)。

1 靜力水準系統(tǒng)測量原理

靜力水準系統(tǒng)是采用連通管的原理測量各測點之間相對高程變化，再通過基準點（通常為設置在第一個測點處的水準基點或者雙金屬管標）對各測點的相對位移進行附加，最終獲得各測點的絕對沉降量值。

設某大壩壩頂布置一套有n個測點的靜力水準系統(tǒng)，初始狀態(tài)時各測量安裝高程相對于某一基準參考面高程為H1、H2、……、Hn，各個測點靜力水準儀中液面距其安裝高程的垂直距離為h1、h2、……、hn，可得出[1]：

則第i個測點初始時刻相對于第1個測點的高程差為：

假設第1個測點的初始絕對高程為Y1，則第i個測點的初始絕對高程Yi為：

假設經(jīng)過一段時間后，各測點分別產(chǎn)生了不均勻沉降或上抬ΔHij，仍然有：

即

式中j表示時刻點。

則有在j時刻點時第i個測點相對于第1個測點的高程差為：

第i個測點j時刻點絕對高程Yi為：

j時刻第i個測點相對于第1個測點的位移為：

圖1 靜力水準系統(tǒng)測量原理示意圖Fig.1 Principles of hydrostatic leveling system

2 靜力水準系統(tǒng)影響因素分析

目前，影響靜力水準系統(tǒng)測量精度的因素主要可分為儀器誤差和外部環(huán)境因素。靜力水準儀容器、傳感器靈敏度等是系統(tǒng)儀器自身誤差來源，即不同的靜力水準儀對測量精度存在影響，因此對于儀器自身而言，需要采取諸如：提高容器內壁及傳感器加工精度、合理選擇容器尺寸、對內壁進行拋光處理等措施，才能確保靜力水準系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

根據(jù)液體靜力學方程有：

上式中C為常數(shù)?？梢钥闯鐾獠凯h(huán)境因素包括溫度T、壓力p、重力加速度g等[2]。溫度T使得液體密度ρ發(fā)生變化。液體的特性決定其較容易受外界環(huán)境因素影響。

2.1 壓力差異影響

對上式壓力p微分可得：即：

上式說明當連通管中壓力有差異時，管內液體會發(fā)生變化。水準系統(tǒng)所在現(xiàn)場經(jīng)常會發(fā)生振動（閘門啟閉等），甚至不穩(wěn)定氣流都會導致靜力水準儀中壓力變化。在溫度為20℃，dp=0.014g/cm時，壓力差異導致的高差可達0.14 mm，因此應根據(jù)每支靜力水準儀中實際壓力通過上式來修正液面高度，但會增大該系統(tǒng)成本及數(shù)據(jù)處理工作量。在實際工程中往往采用密封的連通管（例如PVC管）來保證整個測量系統(tǒng)在相同的壓力下，消除壓力變化引起的誤差。

2.2 溫度影響

對式（8）中密度ρ微分可得[2]：

密度又是溫度T的函數(shù)，上式進一步可得：

說明當連通管中溫度有差異時，管內液體密度會發(fā)生變化，進而導致液面產(chǎn)生高差。不同液體高度在不同溫度下，其變化量也是不同的，因此工程中經(jīng)常將靜力水準系統(tǒng)設置在溫度變化不大的環(huán)境中，譬如大壩壩體和壩基廊道[2]。

此外，外界振動也會引起水準液面的變化。一般來說，靜力水準系統(tǒng)的測量范圍較小，高程測量范圍也有限，壓力與重力場的影響較小，可以忽略。

3 工程實例及分析

3.1 工程布置

某水電站位于四川省涼山州境內，電站利用河道的天然落差，截彎取直，通過開挖引水隧洞群的方式以集中水頭引水發(fā)電。

電站首部樞紐攔河閘壩主要由河中泄洪閘、兩岸擋水壩段、上游鋪蓋和下游消能防沖設施等組成，最大閘高34 m。為監(jiān)測壩頂垂直位移，在壩頂門機軌道下游側布置一條靜力水準。該靜力水準系統(tǒng)共11個測點（其中每個壩段各設1個測點，在左右岸觀測房分別設置2個測點），共11套靜力水準儀，編號分別為SLgcf-1、SL2-1、SL3-1、SL4-1、SL5-1、SL6-1、SL7-1、SL7-2、SL8-1、SL9-1、SLgcf-2，可實現(xiàn)壩頂垂直位移自動化系統(tǒng)監(jiān)測。同時在左右岸靜力水準末端各設置1個雙金屬標，作為靜力水準觀測的工作基點和基準點。靜力水準儀器采用RJ-S型電容式靜力水準儀，各靜力水準儀之間采用一根直徑為25 mm的PVC管連接，連通液體為摻入一定比例防凍液的混合液體。

3.2 數(shù)據(jù)分析

選取2014年4月1日～6月1日期間各個靜力水準儀每天上午8∶00的相對垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，以左岸觀測房靜力水準安裝高程為基準，進行分析。

以SL2-1為例，對比上游水位、氣溫對該靜力水準儀的關系曲線（見圖2、圖3），可看出：靜力水準儀數(shù)據(jù)受氣溫的影響相對顯著，并且存在一定的相關性。圖3、圖4為部分靜力水準儀測點垂直位移與氣溫的關系曲線，可以看出：（1）各個靜力水準儀在該段時間內垂直位移曲線基本一致，說明該靜力水準系統(tǒng)各測點變化規(guī)律基本一致；（2）不存在個別測點大幅的、隨意的跳動，說明該系統(tǒng)整體的密封性較好、連通管順暢且無氣泡，氣溫的影響表現(xiàn)為同時影響各靜力水準儀中液面的升降[4]；（3）垂直位移測值與氣溫呈現(xiàn)較明顯負相關關系，即隨著氣溫降低，各測點處于下沉變化，垂直位移增加。

為定性分析測點垂直位移與上游水位、氣溫、時效的相關關系，此處選取SL5-1、SL6-1、SL7-1共3個測點的垂直位移與上游水位、溫度進行擬合計算，擬合多項式為[3]：

式中：Y為擬合垂直位移；H、H0為上游水位、初始水位（死水位）；T為氣溫；t為監(jiān)測當天距初始日期天數(shù)。整理上述測點環(huán)境量資料后進行逐步線性回歸計算，計算結果見表1。

通過計算可知，上述測點相對垂直位移受氣溫和時效的影響相對明顯，這與圖線上的判斷是一致的：水位變幅較小，且與垂直位移相關性不明顯，故水位因子未能入選；閘壩完建時間較短，在其河床壩段，壩基所受的荷載相對較大，壩體混凝土與基巖徐變、塑性變形等不可逆位移持續(xù)發(fā)展，此處時效因子入選，說明該閘壩仍具有輕微的時效未收斂。綜合起來，各測點相關系數(shù)較大（均大于0.75），說明上述測點的擬合度較高；在較短序列的回歸分析中，水位因子影響不明顯。由此可以看出，對于本工程而言，壩體溫度變化是影響壩體位移的一個重要因素。

壩體溫度歸根結底取決于外界氣溫，只是在壩體不同部位有不同的變幅或存在相對滯后變化。一方面，氣溫變化導致壩體混凝土結構等產(chǎn)生“實在的”位移，另一方面，氣溫同時作用在靜力水準系統(tǒng)上，從而造成觀測數(shù)據(jù)里面存在“假位移”。從式（11）可以看出，若各個靜力水準儀所處的溫度不一樣時，會導致不同部位液體的密度發(fā)生不同的變化，從而導致液體體積產(chǎn)生不同變化，這就勢必增大量測儀器測出的“假位移”，因此，確保同一條靜力水準系統(tǒng)各水準儀處在相同環(huán)境中是準確獲得各水準點真實位移的關鍵要求。本工程為了減小溫度變化及閘門啟閉、壩頂交通振動等對該靜力水準系統(tǒng)監(jiān)測精度的影響，特將其設置在專用的壩頂電纜溝中，并在其上部鋪設厚重的預制板（避免了日照直曬），同時在連通管中加入一定比例的防凍液、硅油，避免溫度劇烈變化導致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真；同時，將其安裝在遠離閘墩、交通通道的相對獨立的混凝土塊體上，并設置專用基座，以減緩振動。

當然，采取上述工程措施只能盡可能減小氣溫帶來的“假位移”，使監(jiān)測位移逼近真實位移，但無法絕對消除因氣溫不均勻分布導致的測量誤差。鑒于目前無各個靜力水準儀的溫度觀測數(shù)據(jù)，故暫時無法進一步剔除氣溫誤差的影響。在實際研究時，可通過線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡等統(tǒng)計模型處理進一步提高數(shù)據(jù)精度。

表1 各測點相對垂直位移回歸結果統(tǒng)計表Table 1 The regression results of relative vertical displacement

圖2 SL2-1監(jiān)測數(shù)據(jù)與上游水位關系曲線Fig.2 Relation between monitoring data by SL2-1 and the upstream water level

圖3 SL2-1監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣溫關系曲線Fig.3 Relation between monitoring data by SL2-1 and the temperature

圖4 SL5-1數(shù)據(jù)與氣溫關系曲線Fig.4 Relation between monitoring data by SL5-1 and the temperature

4 靜力水準系統(tǒng)安裝注意事項

靜力水準系統(tǒng)在安裝時應注意以下幾個方面：

（1）基本原則：依據(jù)觀測設計布設的測點部位，埋設安裝相應的設備。

（2）安裝在結構物側壁上的靜力水準儀，可采用混凝土牛腿或鋼結構支架，應確保其支承結構同結構物牢靠結合，并具有足夠高的剛度；若是安裝在混凝土（或巖石）面上的儀器，安裝埋設時應處理接觸面，使安裝靜力水準儀的混凝土墩與壩體（或巖體）完全結合成整體。

（3）靜力水準系統(tǒng)應設置在遠離振動、交通和人流頻繁活動的地方，必要時宜設置專門的防護溝槽以減少其不利影響。

（4）連通管應置于支承結構上，并連接平順，謹防其承受大的壓力或彎曲。

（5）測點部分的埋設必須可靠，以能準確反映測點真實的垂直位移為準。安裝時需盡可能使各個測點處于同一高程，不同點的安裝高程誤差應控制在±5 mm之內（部分情況下要求在±3 mm之內）。

（6）應保證同一條靜力水準線路中各靜力水準測點處于相同工作環(huán)境中，如溫度、氣壓等應相同。若根據(jù)工程實際情況必須設置在差異較大的環(huán)境中（如溫差變化較大的壩頂?shù)炔课唬┑撵o力水準系統(tǒng)，應在各測點及連通管處考慮設置保溫和安全防護設施，如靜力水準儀應填以保溫材料并加外罩保護，連通管需用保溫材料包裹，并選用摻加一定比例防凍液的混合液作為連接液體。對溫度差異較大的地區(qū)，還應在連通液體里加入適量的硅油，以防止連通液體高溫蒸發(fā)影響測量精度。具體摻加比例可根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場情況及當?shù)貧夂驙顩r決定。

（7）對于有多條水準線路的戶外靜力水準系統(tǒng)，各水準線路需選用相同的填充液體[4]。

5 結語

筆者探討了靜力水準系統(tǒng)在水工建筑物沉降觀測中的應用，并介紹了溫度環(huán)境因素對測量精度的影響，并對安裝中的相關技術要求進行了總結，對類似工程具有一定參考意義。

（1）壓力差異、溫度等外部環(huán)境因素是影響靜力水準系統(tǒng)測量精度的主要因素。

（2）安裝靜力水準系統(tǒng)時，應以降低壓力、溫度、外部振動對測量精度的影響為出發(fā)點，研究合理的安裝技術方法，從根本上提高系統(tǒng)測量精度。 ■

[1]戴加東,王艷玲,褚偉洪.靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)在某工程中的應用[J].工程勘察,2009,37(5):80-84.

[2]何曉業(yè),黃開席,陳森玉,劉祖平,趙營海.壓力和溫度對靜力水準系統(tǒng)精度影響分析[J].核技術,2006,29(5):321-325.

[3]陳永奇,吳子安,吳中如.變形監(jiān)測分析與預報[M].北京:測繪出版社,1981.

[4]張建坤,陳昌彥,白朝旭,徐國雙,鄭瑤.影響靜力水準監(jiān)測質量的關鍵技術問題探討[J].工程勘察,2012,40(9):73-77,82.

Due to the benefits of high precision,wide scope of monitoring and reliable measurement values,the hydrostatic levelling system has been widely used in the dam settlement monitoring.This paper mainly introduces the working principles of the hydrostatic levelling system and the factors affecting the measuring accuracy.Combined with its application in a diversion type hydropower station,the monitoring data as well as the influence of temperature on monitoring data are analyzed.Moreover,the key points in installation is presented,for reference.

settlement monitoring;measuring accuracy;temperature;installation

TV698.1

B

1671-1092（2014）06-0062-04

2014-10-18；

2014-11-18

李嘯嘯（1986-），男，河南南陽人，四川大學工學碩士畢業(yè)，主要從事大壩安全監(jiān)測分析、流域大壩安全信息管理系統(tǒng)研究等工作。

Title:Application of hydrostatic levelling system in settlement monitoring of hydraulic structures//by LI Xiao-xiao and ZHANG Xiao-song//Yalong River Hydropower Development Co.,Ltd.