北京地面沉降Js型静力水准自动化监测系统量程调整及修正值添加方法

罗 勇，贾三满，赵 波，周 毅

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

北京地面沉降Js型静力水准自动化监测系统量程调整及修正值添加方法

罗 勇1，贾三满1，赵 波2，周 毅1

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

本文介绍了Js型静力水准自动化监测系统构成。在多年监测的基础上，对该系统在地面沉降监测中量程的调节量、调节方向和调节方法进行了总结，对量程调节后的修正值添加原理、时机选择和方法进行了探讨。

JS型静力水准自动化监测系统；量程调节；修正值添加

在国内外的地面沉降监测中，分层标监测大多作为一种重要方法。JS型静力水准自动化监测系统的广泛采用，使分层标监测变得简便、精确可靠。JS型静力水准自动化监测系统应用在相同环境条件下，连通容器内液体液面保持同一水平面的连通管原理，多个测点连通，由Js型静力水准仪检测各个测点容器中的液位变化和各个测点的垂直位移变化。这种测量方法，在北京市多个地面沉降监测站分层标 基岩标监测中使用，取得了非常好的监测效果。

1 系统构成

北京地面沉降Js型静力水准自动化监测系统由测点、测量控制单元（MCU）、功控机（监测软件，自动化监测系统服务器端软件）、通讯控制软件和数据处理软件构成。监测软件和通讯控制软件之间采用INTERNET联结，以保证监测人员随时随地读取和下载监测数据。

每台静力水准仪为一个测点，均配有一个独立的编码地址，MCU依靠编码地址对各台静力水准仪进行识别。系统采用了工业控制测量中广泛应用的主从分布式结构，由一台测量控制单元(MCU)在现场对各测点进行测量、存储观测数据，功控机中监测软件从MCU获得监测数据，生成文本格式存储在功控机硬盘上，通讯控制软件通过INTERNET在任何一个有网络的地方从功控机中读取监测数据（密码保护），然后将数据导入数据处理软件，进行计算和分析。监测系统示意图见图1。

图1 Js型静力水准自动化监测系统构成图

2 量程调节

北京地面沉降JS型静力水准仪量程为50mm，而在分层标布设的地区地面沉降速率都较大，各地层对沉降的贡献差异也比较大。根据连通器原理，这个贡献差直接反映到分层标原始值的变化上，沉降量相对较小的地层分层标原始值增加快，容易接近量程值。通常情况下，基岩标原始值率先接近量程值。目前，北京各地面沉降监测站每年进行量程调节2～3次。

在北京地面沉降监测网站正常运行期间，监测人员每天都对监测数据进行采集、计算和存储，每周对监测数据进行一次集中检查，填写 监测数据检查表 。其中，监测原始数据是否超过量程是数据检查中最重要的内容之一，一旦发现监测数据超过40mm，马上安排量程调节。

（1）调节量和调节方向的确定

量程调节前，首先用监测软件 在线测量 工具测量出调节前各标原始值，分析各标原始数据的具体情况，以算术平均值为标准比较各标原始值偏离程度，计算调节方向和调节量。例如，甲监测站设分层标5座（编号分别为：F1、F2、F3、F4、F5），在某个时间点上，监测原始值分别为：40mm、18mm、30mm、23mm和27mm，算术平均值为27.6mm，各标相对于算术平均值的偏离值分别为：-12.4mm、9.6mm、-2.4mm、4.6mm、0.6mm。上述偏离值，也就是 调节量 ，其中负值表示需要向下调，正值表示上调。详见表1。

表1 某时点甲监测站分层标原始值表

(2)调节方法

关闭电源，用水准仪测量出各监测点（分层标和基岩标顶）容器托盘下螺帽距离地面的高度，根据(1)计算出的调节值上下拧动螺帽，调节到合适高度后，将3个螺帽调平。在调平容器托盘的过程中，可以将罗盘放置在容器帽上，边调边观察罗盘气泡，气泡居中即可。

当所有的分层标均按上述步骤调节好后，开启电源，等待10分钟后再次进行 在线测量 。观察测量值，若测量值均接近27.6mm，量程调节结束。若某测量值偏离27.6mm太远，分析原因，重新进行调节，直到测量值均接近平均值27.6mm为止。

(3)注意事项

量程调节时，三个螺帽的调节应平稳进行，避免容器倾斜过大而导致浮子杆被卡住；尽量避免大幅度摆动容器连接的液管和气管，避免连接管脱落而漏液进气。

3 修正值添加

量程调节完成后，必须添加修正值。修正值填加在数据处理软件中进行。

(1)修正值添加原理

量程调节后，容器中的液面将重新形成一个水平面，其后的分层标沉降数据将以这个新的水平面为计算基准。但是，地面沉降是持续发展的，与量程调节没有关系。所以，量程调节前后两个水平面必须重合。将这两个水平面重合的方法即为 修正值添加 ，在数学意义上则为在监测数据计算前赋予计算公式一个修正值参数，让公式计算出的量程调节前后的监测成果数据相等。假设某分层标编号为F1，对应的基岩标编号为J1，则分层标计算公式可表示为：

Result(F1)=StartValue(F1)+(YSZ(F1)-Modify(F1))-(YSZ(J1)-Modify(J1))

式中，Result(F1)、StartValue(F1)和YSZ(F1)表示该分层标F1的成果值、初始值和原始值；Modify(F1)即为F1标修正值；YSZ(J1)和Modify(J1)则分别表示对应基岩标J1的原始值和修正值。

(2)添加修正值时机的选择

通常情况下，工作人员会认为：量程调节后10分钟，容器中液面就能重新平衡，形成新的水平面，所以在添加修正值时，往往在调节前后两个时间点（一般都大于10分钟）上直接添加修正值。

但是，笔者通过长时间对比分析后发现：容器中的液面在量程调节后重新平衡的时间实际上常常达到数小时，甚至更久，具体时间与容器中液体的粘稠程度和一个监测站中液体实际可流动的距离密切相关。

如果量程调节前后不更换、不增减液体，可以假定液体的粘稠度不发生变化，而同一个监测站的容器数量和容器间距离是一定的，所以每个监测站液面在量程调节后重新平衡的时间基本为恒值。计算出某站在某次量程调节后液面重新平衡所需要的时间可在今后的每次量程调节后直接使用（前提是不增减液体，不换液），这个时间便是添加修正值的最佳时间。

确定最佳时间的步骤：

①绘制量程调节前后各标在一定时间内（时间长短根据具体情况而定）沉降曲线；

②对比调节前后各标沉降曲线斜率。

③找出量程调节后各标与调节前沉降趋势一致的曲线起点(曲线斜率大致相同点)；

这一点便可视为液面重新平衡的时间点，一般可直接作为添加修正值的最佳时点。但是，如果液面平衡所需的时间较长，加之地面沉降在这段时间的沉降速率较大，则必须考虑液面平衡时间范围内的地面沉降量，可根据沉降趋势对这一时段内数据进行修正。

如图2所示，首先绘制监测站内各标量程调节前后沉降曲线。然后对比曲线斜率，找出液面重新平衡的时间点。通过比较可以发现：各标沉降曲线回归到量程调节前的时间不同，沉降量大的分层标所需时间少，而沉降量小的所需时间多。如图3所示，调标时间统一发生在第二个11:00至12:00之间，沉降量大的F4于15:00左右平衡，所需时间不到4小时；沉降量小的F1于19:00左右平衡，所需时间超过7小时。选择该监测站中最大时间点为修正值添加点，即在第二个11:00和第二个19:00上添加修正值，该站量程调节后添加修正值的最佳时间为调节8小时后。

图2 某监测站量程调节前后沉降曲线

图3 量程调节后沉降曲线恢复时间点示意图（图中双圈为恢复时间点）

(3)添加方法

利用软件或其他数学方法添加修正值，以下介绍北京地面沉降监测数据处理系统的修正值添加方法。首先删除数据库中12:00～18:00的原始值和成果值，然后进入数据处理系统（见图4）；选择 录入初始值或修正值 ，进入到图5界面；选择 输入测点修正值 ，录入 调整前日期、时间 和 调整后日期、时间后点击 录入 按扭即可。添加完成后，重新计算监测数据，便能得到新的沉降曲线（见图6）。

图4 北京地面沉降监测数据处理系统修正值添加界面

图5 北京地面沉降监测数据处理系统修正值录入界面

图6 添加修正值后沉降曲线示意图

4 小结

由于JS型静力水准自动化监测系统具有监测精度高和稳定性好等特点，并能够胜任连续监测的需要，所以该系统已广泛应用于地面沉降分层标 基岩标监测中。北京市地面沉降监测研究中心于2002年 地面沉降监测网站预警预报系统一期工程 项目开始使用JS型静力水准自动化监测系统，截止目前，已经使用了8年。在长期使用中我们发现：该系统稳定性很好，操作简便，监测精度达到要求，调试完成后自动运行，基本上只有在监测数据接近量程值时需要人工干预调节，调节后添加修正值。量程调节和修正值添加作为人工干预该系统的重要环节，应引起监测人员的高度重视。尤其考虑到地面沉降具有累进性的特点，任何一次在 量程调节和修正值添加 过程中出现的错误操作均会造成测量偏差的累加，给地面沉降监测带来不可挽回的错误。

[1] 贾三满等．北京市地面沉降监测网站预警预报系统（一期）工程竣工报告.

[2] 蒋林根等．活动断裂带区内建筑物基础不均匀沉降监测．灾害学，第18卷第4期.

[3] 何庆成、叶晓滨.2006年 DD2006-02 中国地质调查局《地面沉降监测技术要求》.

Standard Range Adjustment and Correction Value Adding Method for JS Static Water Level Automatic Monitoring System Used to Beijing Ground Subsidence

LUO Yong1, JIA Sanman1, Zhao Bo2, ZHOU Yi1

(1. Hydrogeology and Engineering Geological Team of Beijing, Beijing 100195; 2. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195)

This paper mainly introduces the constitution of JS st atic water level automatic monitoring system. On the basis of long-term monitoring, this paper summarizes the adjustment quantity, adjustment direction, and adjustment method of this monitoring system, and discusses its correction value adding principle, opportunity selection after the standard range being adjusted.

JS static water level automatic monitoring system; Standard range adjustment; Correction value adding method

TP272

A

1007-1903(2010)0036-04

罗 勇（1979- ），男，工程师，水文地质工程地质专业，主要从事地面沉降、地裂缝等地质灾害评估与研究。E-mail：luoyonghl@126.com.