劉湘鍇，吳能森，吳承彬

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.中匯建筑集團，福建 福州 350002)

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流體靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析

劉湘鍇1，吳能森1，吳承彬2

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.中匯建筑集團，福建 福州 350002)

現(xiàn)代土木工程要求沉降觀測要做到高效率、高精度、低成本，甚至自動化、信息化，但傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)測量難以滿足要求，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用勢在必行。在簡要闡述靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，以自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀為例，介紹其工作原理，分析靜力水準(zhǔn)儀的優(yōu)勢與特點，并引用一個工程實例加以說明驗證，同時指出目前靜力水準(zhǔn)儀存在的不足與缺點，提出靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用研究的發(fā)展方向。

沉降觀測；靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)；測量精度；高效率；低成本

土木工程施工過程中及其工后沉降觀測的準(zhǔn)確性是建筑物實現(xiàn)安全性、穩(wěn)定性的重要前提和保障[1-2]?，F(xiàn)代土木工程對沉降觀測的要求，不僅體現(xiàn)在高精度和高效率兩大方面，在某些情況下，還要求觀測物體在運轉(zhuǎn)時的瞬時變化和連續(xù)的動態(tài)過程以及需要在觀測人員無法實地觀測的情況下進行測量。傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)測量，需要較多的觀測人員協(xié)同工作，每次測量時間較長，同步性較差，且容易受外部環(huán)境和工序的影響，無法滿足上述要求。目前，只有靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)(Hydrostatic Levelling System，簡稱HLS)能很好地滿足要求。本文介紹了靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)的發(fā)展概況，自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀的工作原理及構(gòu)造，并結(jié)合HLS在某水電站運營過程中的應(yīng)用情況，總結(jié)分析靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用趨勢。

1 靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)發(fā)展概況

1629年，羅馬的布蘭克運用液體靜力學(xué)定律研制了一種由兩個玻璃管組成的水準(zhǔn)測量儀器，即液體靜力水準(zhǔn)儀，簡稱為連通管(兩玻璃管之間用鉛或皮革制成的軟管連接起來)[3-4]。1849年，帶有橡皮軟管的水管式傾斜儀首次在巴黎工業(yè)展覽會展出，并開始用于水工、公路、地形及各種工程變形觀測[5]。1879年，法國開始進行靜力水準(zhǔn)儀測量的試驗研究，當(dāng)時采用的是高2 m的管體，長300 m的連接軟管，但量測并未達到很高的精度[6]。1890年，這種試驗工作也在俄國進行，其軟管長度是20 m，在測站上確定高差的中誤差是3 mm[7]。1936年，蘇聯(lián)塔什干測量學(xué)院將兩個刻有毫米分劃的玻璃管用盛滿蒸餾水的鉛管連接組成的液體靜力水準(zhǔn)儀，用于跨越波羅的海海峽長距離(18 km)靜力水準(zhǔn)測量，其具體做法是將兩端的測管分別安裝在兩個島上，鉛管置于海峽底部，當(dāng)時高程測量的中誤差為0.09 m[8]。1938年，德國完成了跨越2 km的海峽水準(zhǔn)測量，其誤差是0.1 m[9]。1952年，在比利時的“什力多河”跨越4 km的高程傳遞中誤差是0.14 m[10]。20世紀(jì)50年代末，丹麥應(yīng)用流體靜力水準(zhǔn)儀測量了相距20 km的菲奧尼島和西蘭島的水平面關(guān)系，翻開了靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)應(yīng)用的一個新篇章[11]。此后，流體靜力水準(zhǔn)測量在各種高程測量和精密工程測量中開始推廣使用。

當(dāng)前國內(nèi)外制造的多種型號的流體靜力水準(zhǔn)儀，可用于工程建筑物和沉陷觀測、地震和大型機械安裝測量等。例如卡爾蔡司的“弗賴貝克流體靜力水準(zhǔn)儀”，當(dāng)軟管長為30～40 m，而且測量條件較好時，測高精度可達±0.01 mm[12]。由蘇聯(lián)契爾尼科夫設(shè)計，新西伯利亞導(dǎo)管振蕩器廠生產(chǎn)的IITT3型液體靜力水準(zhǔn)儀，可用于工業(yè)建筑物、機床等的沉陷觀測[13]。例如檢查安裝在基礎(chǔ)上的機床、電站的渦輪機及其基礎(chǔ)本身的沉陷以及檢核玻璃冷加工的傳遞帶、吊車軌道垂直變形、巖層滑坡或變形等。建設(shè)部綜合勘察院陳茂棋等研制了ZJS-1型組合式靜力水準(zhǔn)儀，該儀器的主要技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍0～150 mm，分度值0.02 mm，示值誤差±0.03 mm[14]。國家地震局地震研究所的DGIA型(目視型)儀器，兩測頭之間高差的測量中誤差優(yōu)于±0.07 mm，DG2(自動型)儀器的靈敏度達到1×10-7[15]。國家地震局香山臺使用的流體靜力水準(zhǔn)儀的測量精度達±2～3 μm[16]。

20世紀(jì)末以來，以新一代高能粒子加速器為代表的大科學(xué)高精密工程建設(shè)，有力地推動了HLS技術(shù)的進步和發(fā)展[17-21]。例如:歐洲同步輻射裝置(ES-FR)，將自主研發(fā)的高精度HLS用于粒子加速器的位置檢測，可以保證儲存環(huán)中關(guān)鍵部件的垂直精度在±0.1 mm以內(nèi)[22]；美國SLAC實驗室的FFTB裝置，將自主研發(fā)名為H5的便攜式HLS系統(tǒng)用于檢測四級鐵安裝的垂直度，精度達到±0.005 mm，遠高于要求的±0.03 mm，比常規(guī)光學(xué)測量精度高十倍以上[23]。這些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度HLS有的已經(jīng)在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用。

2 自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀工作原理

一般的靜力水準(zhǔn)儀由浮筒、位移感應(yīng)器(靜柵、動?xùn)?、電源、發(fā)射器、顯示器、連接管及透氣孔等組成(見圖1)。

自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀由容器、固定標(biāo)尺、浮動標(biāo)尺、浮子、進出水口及電感式傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。固定標(biāo)尺用吊絲懸掛在容器頂部，工作時尺身始終垂直于地面，浮動標(biāo)尺固定在浮子中間，工作時保持豎直狀態(tài)。

圖1 一般靜力水準(zhǔn)儀的構(gòu)造圖

圖2 自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)原理圖

自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀利用連通器中的所有液面高度一致的原理進行兩點之間的垂直位移測量。將自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀固定在各測點上，用連通管連接各測點的自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀，注入適量液體。當(dāng)測點之間產(chǎn)生垂直位移時，儀器中的液面產(chǎn)生升降變化，浮子隨液面產(chǎn)生自由升降，固定在浮子上的浮動標(biāo)尺產(chǎn)生上下位移，固定標(biāo)尺與浮動標(biāo)尺組成的游標(biāo)讀數(shù)裝置，可精確顯示液面升降位移值，進而測量出各測點之間的垂直位移。

沉降測量時，將自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀1，2，…，n安裝在沉降監(jiān)測點上，各儀器安置高度基本一致，用連通管將儀器相互連接，在容器內(nèi)注入防凍液(非寒冷地區(qū)或季節(jié)可用水)，組成沉降測量系統(tǒng)(見圖3)。儀器在安置過程中，僅需將容器大致置于水平狀態(tài)，不需精確整平。

自整平直讀式靜力水準(zhǔn)儀有A、B兩組刻畫，兩組刻畫有一尺常數(shù)，具有及時糾錯功能。讀取的兩組數(shù)據(jù)，其讀數(shù)差與尺常數(shù)進行比較，若在限差范圍內(nèi)，讀數(shù)有效。超過限差，則出現(xiàn)讀數(shù)錯誤，應(yīng)重新讀數(shù)。

目前，流體靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)自動采集主要采用電感式傳感器。電感式傳感器屬于接觸式傳感器，其主要特點是利用浮子帶動測頭上下變化而得到測量信號。這種傳感器是利用線性差分壓器的原理把位移量變成電信號，其工作原理如圖4所示。

圖3 自整平直讀式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作示意圖

圖4 電感式傳感器工作原理圖

浮子可以帶動鐵芯隨著液面升降。當(dāng)鐵芯移動時，通過改變磁通分布導(dǎo)致線圈之間的互感量發(fā)生變化，再加上供給初級線圈的交變電壓，次級線圈便產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，由于互感量的變化，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就發(fā)生了變化，這樣就把鐵芯的位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過處理后輸入計算機，便可以得到不同測量點的相對高度。目前此類傳感器的靜力水準(zhǔn)儀，其標(biāo)稱測量精度最高可達±0.01 mm。

由此可見，與光學(xué)水準(zhǔn)測量相比，流體靜力水準(zhǔn)測量具有如下優(yōu)勢和特點：由于在HLS中應(yīng)用了電感式傳感器，其觀測方法簡單便捷，具有及時糾錯功能，觀測精度高，觀測精度通常比光學(xué)測量高十倍以上；HLS安裝位置較為靈活，對環(huán)境要求低，且安裝后相對封閉，不易受到環(huán)境及其后變化影響，耐久性能夠得到保證；HLS可通過信號發(fā)射器將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ㄓ嬎銠C，可全天候觀測和采集數(shù)據(jù)，保證了變形監(jiān)測的連續(xù)性和自動化，且可大大降低人工成本。

3 靜力水準(zhǔn)儀的工程應(yīng)用實例

主體工程于1985年2月竣工的牛路嶺水電站，攔水壩為混凝土空腹重力壩，全長341.2 m，分為24個壩段(編號為0～23號)，采用HLS在85 m高程廊道內(nèi)對大壩6～20號壩進行垂直位移監(jiān)測，共布設(shè)20個測點，于1998年12月經(jīng)改造升級后正式投入運行。該套HLS采用接觸電感式傳感器，儀器的主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)見表1。

表1 靜力水準(zhǔn)儀的技術(shù)指標(biāo)

為精度分析和比較需要，同時采用人工水準(zhǔn)測量監(jiān)測點的垂直位移變化，并監(jiān)測采集壩前水位與溫度變化。運營穩(wěn)定6 a后的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為：人工觀測的位移值變化范圍為-1.0～+1.0 mm，HLS測量的位移值變化范圍為-2.0～+5.0 mm。HLS的測量曲線有明顯的起伏變化，與氣溫變化周期較吻合，反映了壩體冬季下沉、夏季上升的熱脹冷縮規(guī)律，而人工測量的位移曲線較為平整，精度顯然相對不足，難以反應(yīng)出實際的周期性變化規(guī)律[24]。

4 結(jié)語

(1) 沉降觀測對于分析掌握已建工程的安全動態(tài)、積累地區(qū)性資料、豐富完善沉降計算理論具有十分重要的作用。目前沉降觀測的常規(guī)做法是埋設(shè)沉降觀測點，定期或不定期進行水準(zhǔn)測量。由于水準(zhǔn)觀測儀器攜帶不方便，需要人力多，成本高，且儀器本身精度不高，人為因素影響大，能長期正常進行沉降觀測的不多，數(shù)據(jù)的客觀性和有效性很值得懷疑。因此，具有自動化和智能化特性的HLS必將取而代之。

(2) 與光學(xué)水準(zhǔn)測量相比，流體靜力水準(zhǔn)測量具有諸多優(yōu)勢，如觀測迅速、觀測精度高，可以實現(xiàn)連續(xù)觀測、自動監(jiān)測以及自動記錄等，但目前的流體靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用起來有時不如傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀方便，且儀器價格偏高，對面廣量大的常規(guī)性建筑工程，亟須研究開發(fā)儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉的靜力水準(zhǔn)儀，在保持HLS技術(shù)優(yōu)勢的同時，進一步向輕便化、通用性方向發(fā)展，提高工效，降低成本。

(3) 大型復(fù)雜的現(xiàn)代化大工程，如位于阿聯(lián)酋迪拜的高828 m、樓層總數(shù)達162層的哈利法塔；位于上海浦東的高632 m、總樓層數(shù)達121層的上海中心大廈等超級工程，對HLS傳感器的測量精度和系統(tǒng)中連通管的抗外界干擾的穩(wěn)定性能有更高的要求，可以將為高能粒子加速器為代表的大科學(xué)高精密工程建設(shè)而研發(fā)的HLS應(yīng)用于超級土木工程。

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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

福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)重點項目資助(113-612014018)；福建農(nóng)林大學(xué)創(chuàng)新(培育)團隊建設(shè)項目資助(Pytd12006)

劉湘鍇(1990-)，男，福建上杭人，碩士研究生。 通訊作者：吳能森(1964-)，男，福建福清人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。

1674-7046(2015)06-0023-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.005

P258

A