流体静力水准测量技术发展及应用分析

刘湘锴，吴能森，吴承彬

(1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002；2.中汇建筑集团，福建 福州 350002)



流体静力水准测量技术发展及应用分析

刘湘锴1，吴能森1，吴承彬2

(1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002；2.中汇建筑集团，福建 福州 350002)

现代土木工程要求沉降观测要做到高效率、高精度、低成本，甚至自动化、信息化，但传统光学水准测量难以满足要求，静力水准系统的推广应用势在必行。在简要阐述静力水准测量技术发展状况基础上，以自整平直读式静力水准仪为例，介绍其工作原理，分析静力水准仪的优势与特点，并引用一个工程实例加以说明验证，同时指出目前静力水准仪存在的不足与缺点，提出静力水准系统应用研究的发展方向。

沉降观测；静力水准系统；测量精度；高效率；低成本

土木工程施工过程中及其工后沉降观测的准确性是建筑物实现安全性、稳定性的重要前提和保障[1-2]。现代土木工程对沉降观测的要求，不仅体现在高精度和高效率两大方面，在某些情况下，还要求观测物体在运转时的瞬时变化和连续的动态过程以及需要在观测人员无法实地观测的情况下进行测量。传统的光学水准测量，需要较多的观测人员协同工作，每次测量时间较长，同步性较差，且容易受外部环境和工序的影响，无法满足上述要求。目前，只有静力水准系统(Hydrostatic Levelling System，简称HLS)能很好地满足要求。本文介绍了静力水准测量技术的发展概况，自整平直读式静力水准仪的工作原理及构造，并结合HLS在某水电站运营过程中的应用情况，总结分析静力水准测量技术在土木工程领域的发展及应用趋势。

1 静力水准测量技术发展概况

1629年，罗马的布兰克运用液体静力学定律研制了一种由两个玻璃管组成的水准测量仪器，即液体静力水准仪，简称为连通管(两玻璃管之间用铅或皮革制成的软管连接起来)[3-4]。1849年，带有橡皮软管的水管式倾斜仪首次在巴黎工业展览会展出，并开始用于水工、公路、地形及各种工程变形观测[5]。1879年，法国开始进行静力水准仪测量的试验研究，当时采用的是高2 m的管体，长300 m的连接软管，但量测并未达到很高的精度[6]。1890年，这种试验工作也在俄国进行，其软管长度是20 m，在测站上确定高差的中误差是3 mm[7]。1936年，苏联塔什干测量学院将两个刻有毫米分划的玻璃管用盛满蒸馏水的铅管连接组成的液体静力水准仪，用于跨越波罗的海海峡长距离(18 km)静力水准测量，其具体做法是将两端的测管分别安装在两个岛上，铅管置于海峡底部，当时高程测量的中误差为0.09 m[8]。1938年，德国完成了跨越2 km的海峡水准测量，其误差是0.1 m[9]。1952年，在比利时的“什力多河”跨越4 km的高程传递中误差是0.14 m[10]。20世纪50年代末，丹麦应用流体静力水准仪测量了相距20 km的菲奥尼岛和西兰岛的水平面关系，翻开了静力水准测量技术应用的一个新篇章[11]。此后，流体静力水准测量在各种高程测量和精密工程测量中开始推广使用。

当前国内外制造的多种型号的流体静力水准仪，可用于工程建筑物和沉陷观测、地震和大型机械安装测量等。例如卡尔蔡司的“弗赖贝克流体静力水准仪”，当软管长为30～40 m，而且测量条件较好时，测高精度可达±0.01 mm[12]。由苏联契尔尼科夫设计，新西伯利亚导管振荡器厂生产的IITT3型液体静力水准仪，可用于工业建筑物、机床等的沉陷观测[13]。例如检查安装在基础上的机床、电站的涡轮机及其基础本身的沉陷以及检核玻璃冷加工的传递带、吊车轨道垂直变形、岩层滑坡或变形等。建设部综合勘察院陈茂棋等研制了ZJS-1型组合式静力水准仪，该仪器的主要技术指标为：测量范围0～150 mm，分度值0.02 mm，示值误差±0.03 mm[14]。国家地震局地震研究所的DGIA型(目视型)仪器，两测头之间高差的测量中误差优于±0.07 mm，DG2(自动型)仪器的灵敏度达到1×10-7[15]。国家地震局香山台使用的流体静力水准仪的测量精度达±2～3 μm[16]。

20世纪末以来，以新一代高能粒子加速器为代表的大科学高精密工程建设，有力地推动了HLS技术的进步和发展[17-21]。例如:欧洲同步辐射装置(ES-FR)，将自主研发的高精度HLS用于粒子加速器的位置检测，可以保证储存环中关键部件的垂直精度在±0.1 mm以内[22]；美国SLAC实验室的FFTB装置，将自主研发名为H5的便携式HLS系统用于检测四级铁安装的垂直度，精度达到±0.005 mm，远高于要求的±0.03 mm，比常规光学测量精度高十倍以上[23]。这些具有自主知识产权的高精度HLS有的已经在土木工程领域应用。

2 自整平直读式静力水准仪工作原理

一般的静力水准仪由浮筒、位移感应器(静栅、动栅)、电源、发射器、显示器、连接管及透气孔等组成(见图1)。

自整平直读式静力水准仪由容器、固定标尺、浮动标尺、浮子、进出水口及电感式传感器等组成，其结构原理如图2所示。固定标尺用吊丝悬挂在容器顶部，工作时尺身始终垂直于地面，浮动标尺固定在浮子中间，工作时保持竖直状态。

图1 一般静力水准仪的构造图

图2 自整平直读式静力水准仪结构原理图

自整平直读式静力水准仪利用连通器中的所有液面高度一致的原理进行两点之间的垂直位移测量。将自整平直读式静力水准仪固定在各测点上，用连通管连接各测点的自整平直读式静力水准仪，注入适量液体。当测点之间产生垂直位移时，仪器中的液面产生升降变化，浮子随液面产生自由升降，固定在浮子上的浮动标尺产生上下位移，固定标尺与浮动标尺组成的游标读数装置，可精确显示液面升降位移值，进而测量出各测点之间的垂直位移。

沉降测量时，将自整平直读式静力水准仪1，2，…，n安装在沉降监测点上，各仪器安置高度基本一致，用连通管将仪器相互连接，在容器内注入防冻液(非寒冷地区或季节可用水)，组成沉降测量系统(见图3)。仪器在安置过程中，仅需将容器大致置于水平状态，不需精确整平。

自整平直读式静力水准仪有A、B两组刻画，两组刻画有一尺常数，具有及时纠错功能。读取的两组数据，其读数差与尺常数进行比较，若在限差范围内，读数有效。超过限差，则出现读数错误，应重新读数。

目前，流体静力水准仪的数据自动采集主要采用电感式传感器。电感式传感器属于接触式传感器，其主要特点是利用浮子带动测头上下变化而得到测量信号。这种传感器是利用线性差分压器的原理把位移量变成电信号，其工作原理如图4所示。

图3 自整平直读式静力水准系统工作示意图

图4 电感式传感器工作原理图

浮子可以带动铁芯随着液面升降。当铁芯移动时，通过改变磁通分布导致线圈之间的互感量发生变化，再加上供给初级线圈的交变电压，次级线圈便产生了感应电动势，由于互感量的变化，产生的感应电动势就发生了变化，这样就把铁芯的位移变化转变为电压信号，经过处理后输入计算机，便可以得到不同测量点的相对高度。目前此类传感器的静力水准仪，其标称测量精度最高可达±0.01 mm。

由此可见，与光学水准测量相比，流体静力水准测量具有如下优势和特点：由于在HLS中应用了电感式传感器，其观测方法简单便捷，具有及时纠错功能，观测精度高，观测精度通常比光学测量高十倍以上；HLS安装位置较为灵活，对环境要求低，且安装后相对封闭，不易受到环境及其后变化影响，耐久性能够得到保证；HLS可通过信号发射器将观测数据传输到指定计算机，可全天候观测和采集数据，保证了变形监测的连续性和自动化，且可大大降低人工成本。

3 静力水准仪的工程应用实例

主体工程于1985年2月竣工的牛路岭水电站，拦水坝为混凝土空腹重力坝，全长341.2 m，分为24个坝段(编号为0～23号)，采用HLS在85 m高程廊道内对大坝6～20号坝进行垂直位移监测，共布设20个测点，于1998年12月经改造升级后正式投入运行。该套HLS采用接触电感式传感器，仪器的主要技术指标及参数见表1。

表1 静力水准仪的技术指标

为精度分析和比较需要，同时采用人工水准测量监测点的垂直位移变化，并监测采集坝前水位与温度变化。运营稳定6 a后的位移监测数据为：人工观测的位移值变化范围为-1.0～+1.0 mm，HLS测量的位移值变化范围为-2.0～+5.0 mm。HLS的测量曲线有明显的起伏变化，与气温变化周期较吻合，反映了坝体冬季下沉、夏季上升的热胀冷缩规律，而人工测量的位移曲线较为平整，精度显然相对不足，难以反应出实际的周期性变化规律[24]。

4 结语

(1) 沉降观测对于分析掌握已建工程的安全动态、积累地区性资料、丰富完善沉降计算理论具有十分重要的作用。目前沉降观测的常规做法是埋设沉降观测点，定期或不定期进行水准测量。由于水准观测仪器携带不方便，需要人力多，成本高，且仪器本身精度不高，人为因素影响大，能长期正常进行沉降观测的不多，数据的客观性和有效性很值得怀疑。因此，具有自动化和智能化特性的HLS必将取而代之。

(2) 与光学水准测量相比，流体静力水准测量具有诸多优势，如观测迅速、观测精度高，可以实现连续观测、自动监测以及自动记录等，但目前的流体静力水准仪结构较复杂，使用起来有时不如传统的光学水准仪方便，且仪器价格偏高，对面广量大的常规性建筑工程，亟须研究开发仪器结构简单、操作方便、价格低廉的静力水准仪，在保持HLS技术优势的同时，进一步向轻便化、通用性方向发展，提高工效，降低成本。

(3) 大型复杂的现代化大工程，如位于阿联酋迪拜的高828 m、楼层总数达162层的哈利法塔；位于上海浦东的高632 m、总楼层数达121层的上海中心大厦等超级工程，对HLS传感器的测量精度和系统中连通管的抗外界干扰的稳定性能有更高的要求，可以将为高能粒子加速器为代表的大科学高精密工程建设而研发的HLS应用于超级土木工程。

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Development and application of hydrostatic leveling technique

LIU Xiang-kai1，WU Neng-sen1，WU Cheng-bin2

(1.FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China;2.ZhonghuiConstructionGroup,Fuzhou350002,China)

In modern civil engineering field, settlement observation is required to be of high efficiency and accuracy, even intelligent and informatization with low-cost. Obviously, the traditional optical leveling measurement can’t meet the demands, so it is imperative to generalize the use of hydrostatic leveling system. Firstly, the development status of hydrostatic leveling technique was stated briefly. Secondly, focus on the direct-reading hydrostatic leveling instrument, its working principle was presented and its advantages were analyzed and validated with a engineering example. Finally, the existing shortcomings of current hydrostatic leveling instruments were summarized, and the applied research direction of hydrostatic leveling system was put forward in pertinency.

settlement observation; hydrostatic leveling system; measurement accuracy; high efficiency; low cost

2015-08-25

福建农林大学高水平大学建设重点项目资助(113-612014018)；福建农林大学创新(培育)团队建设项目资助(Pytd12006)

刘湘锴(1990-)，男，福建上杭人，硕士研究生。 通讯作者：吴能森(1964-)，男，福建福清人，教授，博士，博士生导师。

1674-7046(2015)06-0023-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.005

P258

A