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(zhǔn)系統(tǒng)在水工建筑物沉降監(jiān)測中的應(yīng)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(zhǔn)儀具有精度高、監(jiān)測范圍廣、測值可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在大壩沉降監(jiān)測工作中。筆者介紹了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理及影響靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測量精度的主要因素，結(jié)合其在某引水發(fā)電式水電站中的應(yīng)用，對其水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了溫度因素對監(jiān)測結(jié)果的影響，總結(jié)了該系統(tǒng)在安裝中的相關(guān)注意事項。

沉降監(jiān)測；測量精度；溫度；安裝

隨著水利科學(xué)、巖石力學(xué)、通信技術(shù)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(zhì)條件下工作，對安全監(jiān)測的精度、實(shí)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(qiáng)度，借助于自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r、高頻次地監(jiān)測。由靜力水準(zhǔn)儀組成的系統(tǒng)具有自動化性能好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)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(diǎn)間或多點(diǎn)間相對垂直高度變化的精密測量系統(tǒng)。

1 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測量原理

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

設(shè)某大壩壩頂布置一套有n個測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，初始狀態(tài)時各測量安裝高程相對于某一基準(zhǔn)參考面高程為H1、H2、……、Hn，各個測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)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(diǎn)初始時刻相對于第1個測點(diǎn)的高程差為：

假設(shè)第1個測點(diǎn)的初始絕對高程為Y1，則第i個測點(diǎn)的初始絕對高程Yi為：

假設(shè)經(jīng)過一段時間后，各測點(diǎn)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(diǎn)。

則有在j時刻點(diǎn)時第i個測點(diǎn)相對于第1個測點(diǎn)的高程差為：

第i個測點(diǎn)j時刻點(diǎn)絕對高程Yi為：

j時刻第i個測點(diǎn)相對于第1個測點(diǎn)的位移為：

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

2 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)影響因素分析

目前，影響靜力水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(nèi)壁及傳感器加工精度、合理選擇容器尺寸、對內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理等措施，才能確保靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

根據(jù)液體靜力學(xué)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(dāng)連通管中壓力有差異時，管內(nèi)液體會發(fā)生變化。水準(zhǔn)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(dǎo)致靜力水準(zhǔn)儀中壓力變化。在溫度為20℃，dp=0.014g/cm時，壓力差異導(dǎo)致的高差可達(dá)0.14 mm，因此應(yīng)根據(jù)每支靜力水準(zhǔn)儀中實(shí)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(shí)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(jìn)一步可得：

說明當(dāng)連通管中溫度有差異時，管內(nèi)液體密度會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)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(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)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(zhǔn)液面的變化。一般來說，靜力水準(zhǔn)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(shí)例及分析

3.1 工程布置

某水電站位于四川省涼山州境內(nèi)，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(shè)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(jī)軌道下游側(cè)布置一條靜力水準(zhǔn)。該靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)共11個測點(diǎn)（其中每個壩段各設(shè)1個測點(diǎn)，在左右岸觀測房分別設(shè)置2個測點(diǎn)），共11套靜力水準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)末端各設(shè)置1個雙金屬標(biāo)，作為靜力水準(zhǔn)觀測的工作基點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)。靜力水準(zhǔn)儀器采用RJ-S型電容式靜力水準(zhǔn)儀，各靜力水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)安裝高程為基準(zhǔn)，進(jìn)行分析。

以SL2-1為例，對比上游水位、氣溫對該靜力水準(zhǔn)儀的關(guān)系曲線（見圖2、圖3），可看出：靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)受氣溫的影響相對顯著，并且存在一定的相關(guān)性。圖3、圖4為部分靜力水準(zhǔn)儀測點(diǎn)垂直位移與氣溫的關(guān)系曲線，可以看出：（1）各個靜力水準(zhǔn)儀在該段時間內(nèi)垂直位移曲線基本一致，說明該靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)各測點(diǎn)變化規(guī)律基本一致；（2）不存在個別測點(diǎn)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(zhǔn)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(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著氣溫降低，各測點(diǎn)處于下沉變化，垂直位移增加。

為定性分析測點(diǎn)垂直位移與上游水位、氣溫、時效的相關(guān)關(guān)系，此處選取SL5-1、SL6-1、SL7-1共3個測點(diǎn)的垂直位移與上游水位、溫度進(jìn)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(dāng)天距初始日期天數(shù)。整理上述測點(diǎn)環(huán)境量資料后進(jìn)行逐步線性回歸計算，計算結(jié)果見表1。

通過計算可知，上述測點(diǎn)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(guān)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(diǎn)相關(guān)系數(shù)較大（均大于0.75），說明上述測點(diǎn)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(jié)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(dǎo)致壩體混凝土結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生“實(shí)在的”位移，另一方面，氣溫同時作用在靜力水準(zhǔn)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(zhǔn)儀所處的溫度不一樣時，會導(dǎo)致不同部位液體的密度發(fā)生不同的變化，從而導(dǎo)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(zhǔn)系統(tǒng)各水準(zhǔn)儀處在相同環(huán)境中是準(zhǔn)確獲得各水準(zhǔn)點(diǎn)真實(shí)位移的關(guān)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(zhǔn)系統(tǒng)監(jiān)測精度的影響，特將其設(shè)置在專用的壩頂電纜溝中，并在其上部鋪設(shè)厚重的預(yù)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(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真；同時，將其安裝在遠(yuǎn)離閘墩、交通通道的相對獨(dú)立的混凝土塊體上，并設(shè)置專用基座，以減緩振動。

當(dāng)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(shí)位移，但無法絕對消除因氣溫不均勻分布導(dǎo)致的測量誤差。鑒于目前無各個靜力水準(zhǔn)儀的溫度觀測數(shù)據(jù)，故暫時無法進(jìn)一步剔除氣溫誤差的影響。在實(shí)際研究時，可通過線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)計模型處理進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度。

表1 各測點(diǎn)相對垂直位移回歸結(jié)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(guān)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(guān)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(guān)系曲線Fig.4 Relation between monitoring data by SL5-1 and the temperature

4 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)安裝注意事項

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在安裝時應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）基本原則：依據(jù)觀測設(shè)計布設(shè)的測點(diǎn)部位，埋設(shè)安裝相應(yīng)的設(shè)備。

（2）安裝在結(jié)構(gòu)物側(cè)壁上的靜力水準(zhǔn)儀，可采用混凝土牛腿或鋼結(jié)構(gòu)支架，應(yīng)確保其支承結(jié)構(gòu)同結(jié)構(gòu)物牢靠結(jié)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(shè)時應(yīng)處理接觸面，使安裝靜力水準(zhǔn)儀的混凝土墩與壩體（或巖體）完全結(jié)合成整體。

（3）靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)離振動、交通和人流頻繁活動的地方，必要時宜設(shè)置專門的防護(hù)溝槽以減少其不利影響。

（4）連通管應(yīng)置于支承結(jié)構(gòu)上，并連接平順，謹(jǐn)防其承受大的壓力或彎曲。

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

（6）應(yīng)保證同一條靜力水準(zhǔn)線路中各靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)處于相同工作環(huán)境中，如溫度、氣壓等應(yīng)相同。若根據(jù)工程實(shí)際情況必須設(shè)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(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)在各測點(diǎn)及連通管處考慮設(shè)置保溫和安全防護(hù)設(shè)施，如靜力水準(zhǔn)儀應(yīng)填以保溫材料并加外罩保護(hù)，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(yīng)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(dāng)?shù)貧夂驙顩r決定。

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

5 結(jié)語

筆者探討了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在水工建筑物沉降觀測中的應(yīng)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(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了總結(jié)，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(zhǔn)系統(tǒng)測量精度的主要因素。

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

[1]戴加?xùn)|,王艷玲,褚偉洪.靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)在某工程中的應(yīng)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(zhǔn)系統(tǒng)精度影響分析[J].核技術(shù),2006,29(5):321-325.

[3]陳永奇,吳子安,吳中如.變形監(jiān)測分析與預(yù)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(zhǔn)監(jiān)測質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)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(xué)工學(xué)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.