静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用

李啸啸，张晓松

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610051）

静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用

李啸啸，张晓松

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610051）

静力水准仪具有精度高、监测范围广、测值可靠等优点，被广泛运用在大坝沉降监测工作中。笔者介绍了静力水准系统工作原理及影响静力水准系统测量精度的主要因素，结合其在某引水发电式水电站中的应用，对其水准监测数据进行分析，重点研究了温度因素对监测结果的影响，总结了该系统在安装中的相关注意事项。

沉降监测；测量精度；温度；安装

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。

设某大坝坝顶布置一套有n个测点的静力水准系统，初始状态时各测量安装高程相对于某一基准参考面高程为H1、H2、……、Hn，各个测点静力水准仪中液面距其安装高程的垂直距离为h1、h2、……、hn，可得出[1]：

则第i个测点初始时刻相对于第1个测点的高程差为：

假设第1个测点的初始绝对高程为Y1，则第i个测点的初始绝对高程Yi为：

假设经过一段时间后，各测点分别产生了不均匀沉降或上抬ΔHij，仍然有：

即

式中j表示时刻点。

则有在j时刻点时第i个测点相对于第1个测点的高程差为：

第i个测点j时刻点绝对高程Yi为：

j时刻第i个测点相对于第1个测点的位移为：

图1 静力水准系统测量原理示意图Fig.1 Principles of hydrostatic leveling system

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。

根据液体静力学方程有：

上式中C为常数。可以看出外部环境因素包括温度T、压力p、重力加速度g等[2]。温度T使得液体密度ρ发生变化。液体的特性决定其较容易受外界环境因素影响。

2.1 压力差异影响

对上式压力p微分可得：即：

上式说明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℃，dp=0.014g/cm时，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

对式（8）中密度ρ微分可得[2]：

密度又是温度T的函数，上式进一步可得：

说明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[2]。

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 工程实例及分析

3.1 工程布置

某水电站位于四川省凉山州境内，电站利用河道的天然落差，截弯取直，通过开挖引水隧洞群的方式以集中水头引水发电。

电站首部枢纽拦河闸坝主要由河中泄洪闸、两岸挡水坝段、上游铺盖和下游消能防冲设施等组成，最大闸高34 m。为监测坝顶垂直位移，在坝顶门机轨道下游侧布置一条静力水准。该静力水准系统共11个测点（其中每个坝段各设1个测点，在左右岸观测房分别设置2个测点），共11套静力水准仪，编号分别为SLgcf-1、SL2-1、SL3-1、SL4-1、SL5-1、SL6-1、SL7-1、SL7-2、SL8-1、SL9-1、SLgcf-2，可实现坝顶垂直位移自动化系统监测。同时在左右岸静力水准末端各设置1个双金属标，作为静力水准观测的工作基点和基准点。静力水准仪器采用RJ-S型电容式静力水准仪，各静力水准仪之间采用一根直径为25 mm的PVC管连接，连通液体为掺入一定比例防冻液的混合液体。

3.2 数据分析

选取2014年4月1日～6月1日期间各个静力水准仪每天上午8∶00的相对垂直位移监测数据，以左岸观测房静力水准安装高程为基准，进行分析。

以SL2-1为例，对比上游水位、气温对该静力水准仪的关系曲线（见图2、图3），可看出：静力水准仪数据受气温的影响相对显著，并且存在一定的相关性。图3、图4为部分静力水准仪测点垂直位移与气温的关系曲线，可以看出：（1）各个静力水准仪在该段时间内垂直位移曲线基本一致，说明该静力水准系统各测点变化规律基本一致；（2）不存在个别测点大幅的、随意的跳动，说明该系统整体的密封性较好、连通管顺畅且无气泡，气温的影响表现为同时影响各静力水准仪中液面的升降[4]；（3）垂直位移测值与气温呈现较明显负相关关系，即随着气温降低，各测点处于下沉变化，垂直位移增加。

为定性分析测点垂直位移与上游水位、气温、时效的相关关系，此处选取SL5-1、SL6-1、SL7-1共3个测点的垂直位移与上游水位、温度进行拟合计算，拟合多项式为[3]：

式中：Y为拟合垂直位移；H、H0为上游水位、初始水位（死水位）；T为气温；t为监测当天距初始日期天数。整理上述测点环境量资料后进行逐步线性回归计算，计算结果见表1。

通过计算可知，上述测点相对垂直位移受气温和时效的影响相对明显，这与图线上的判断是一致的：水位变幅较小，且与垂直位移相关性不明显，故水位因子未能入选；闸坝完建时间较短，在其河床坝段，坝基所受的荷载相对较大，坝体混凝土与基岩徐变、塑性变形等不可逆位移持续发展，此处时效因子入选，说明该闸坝仍具有轻微的时效未收敛。综合起来，各测点相关系数较大（均大于0.75），说明上述测点的拟合度较高；在较短序列的回归分析中，水位因子影响不明显。由此可以看出，对于本工程而言，坝体温度变化是影响坝体位移的一个重要因素。

坝体温度归根结底取决于外界气温，只是在坝体不同部位有不同的变幅或存在相对滞后变化。一方面，气温变化导致坝体混凝土结构等产生“实在的”位移，另一方面，气温同时作用在静力水准系统上，从而造成观测数据里面存在“假位移”。从式（11）可以看出，若各个静力水准仪所处的温度不一样时，会导致不同部位液体的密度发生不同的变化，从而导致液体体积产生不同变化，这就势必增大量测仪器测出的“假位移”，因此，确保同一条静力水准系统各水准仪处在相同环境中是准确获得各水准点真实位移的关键要求。本工程为了减小温度变化及闸门启闭、坝顶交通振动等对该静力水准系统监测精度的影响，特将其设置在专用的坝顶电缆沟中，并在其上部铺设厚重的预制板（避免了日照直晒），同时在连通管中加入一定比例的防冻液、硅油，避免温度剧烈变化导致监测数据失真；同时，将其安装在远离闸墩、交通通道的相对独立的混凝土块体上，并设置专用基座，以减缓振动。

当然，采取上述工程措施只能尽可能减小气温带来的“假位移”，使监测位移逼近真实位移，但无法绝对消除因气温不均匀分布导致的测量误差。鉴于目前无各个静力水准仪的温度观测数据，故暂时无法进一步剔除气温误差的影响。在实际研究时，可通过线性回归、BP神经网络等统计模型处理进一步提高数据精度。

表1 各测点相对垂直位移回归结果统计表Table 1 The regression results of relative vertical displacement

图2 SL2-1监测数据与上游水位关系曲线Fig.2 Relation between monitoring data by SL2-1 and the upstream water level

图3 SL2-1监测数据与气温关系曲线Fig.3 Relation between monitoring data by SL2-1 and the temperature

图4 SL5-1数据与气温关系曲线Fig.4 Relation between monitoring data by SL5-1 and the temperature

4 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±5 mm之内（部分情况下要求在±3 mm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。若根据工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[4]。

5 结语

笔者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。 ■

[1]戴加东,王艳玲,褚伟洪.静力水准自动化监测系统在某工程中的应用[J].工程勘察,2009,37(5):80-84.

[2]何晓业,黄开席,陈森玉,刘祖平,赵营海.压力和温度对静力水准系统精度影响分析[J].核技术,2006,29(5):321-325.

[3]陈永奇,吴子安,吴中如.变形监测分析与预报[M].北京:测绘出版社,1981.

[4]张建坤,陈昌彦,白朝旭,徐国双,郑瑶.影响静力水准监测质量的关键技术问题探讨[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

李啸啸（1986-），男，河南南阳人，四川大学工学硕士毕业，主要从事大坝安全监测分析、流域大坝安全信息管理系统研究等工作。

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.