静力水准法沉降观测技术的今昔

静力水准法沉降观测技术的今昔

倪辰禹梁建宁

摘要：“连通管”是一个古老的物理原理，在土木工程中用它可以构成

进行沉降观测独特的“静力水准法”。本文介绍了“静力水准法”的原理、

应用和现代技术条件下的发展。

关键词：连通管静力水准沉降

1.原理

物理学上的“连通管”原理是为大家所熟知的，即两端开口的U 型管，两端的液位由于大气压力的作用而始终保持在同一高度。工程上根据这一原理来进行沉降观测。简述如下：

（1）取两支相同的玻璃管并分别固定在两支有相同刻度的直尺上，两支玻璃管的下端用

一根软管相连接就构成一个“连通管”。在管中灌水，调整左右两管的高度，使水面在两管中处于同一刻度处，如图1a，液位（水面）刻度“1”处。

（2）若连通管中的右管（R）所处之处发生沉降，而左管（L）仍处在原位（高程未变），

则会发生下述情况（图1b）。

i）

左管中液位不变，液面仍在刻度“1”处。ii）右管中的液位仍保持与左管在同一高度（这是“连通管”的特点，也是大气压

力作用的结果），但由于右管整体向下（沉降），所以右管中液面所处的刻度

发生变化，如变化到刻度“1.5”处。

iii）这时左右两管的高差ΔH=L-R=1-1.5=-0.5刻度单位，负值表示右管所在之处

变低，亦即发生了0.5刻度单位的沉降。

（3）同样若右管所处之处上抬，则如图1c 所示，ΔH=1-0.5=0.5刻度单位，即发生了

0.5刻度单位的上抬。

以上就是早期的静力水准沉降仪。右管因处于无沉降的稳定之处，在计算中起到“基准”作用，所以称“基准”管；左管称为“测量管”。实际中可以用一个“基准”管连接多个分处各处的“工作”管，分别测量各处的沉降，构成一个“多点静力水准测量系统”。

这个时期的代表性技术指标（以分辨率表示）为±（1.5～2）mm。

图1

“连通管”的工作原理

2.问题的发生

早期的静力水准沉降仪出现后，由于它的原理简单明了，没有人会怀疑它的可靠性，因此在工程实践中得到较广泛的使用。但在使用中，又暴露出若干问题。

（1）当时读数是目视的，由于水面的张力，玻璃管中液面是凹型的，在读数时有1~2mm 的误差在所难免。

（2）人工方法读数，方法较原始，读数工作量大，而且无法实现自动化监测。

（3）设备虽然简单，但过于“原始”，不能适应规范使用的要求。

在这些问题的困扰下，静力水准沉降仪在工程中的使用范围一度缩小，如何使这种简单可靠的测量方法得以发展，成为一个重要问题，摆在了工程界的面前。

3.现代静力水准仪

静力水准仪从早期型式到目前型式的发展大致经历了两个阶段。

3.1产品化阶段

早期的“将玻璃管固定在直尺上”的构造形式过于简陋和原始。于是从规范化使用的要求出发，出现了工厂生产的产品，也就有了“静力水准仪”这种专门的仪器。它有四个最主要的特点：

（1）用整体的“罐”代替“玻璃管加直尺”的构造形式，使测量的单元（相当于图1中的右管）成为一个功能独立的整体，便于运输和安装。

（2）在测量单元中引入“浮体”的构造部件，克服了液面凹形影响读数的弊端，此举还为使用电测传感器测量液位创造了条件，可谓通向自动化测量的关键一步。

（3）用整体的“基准罐”取代基准管（图1中的左管），使基准部分同样成为一个功能独立的、便于安装和运输的整体。并在基准罐中引入“恒液位补充”的功能，使沉降变化较大时连通管中标准液面会有变化的细节问题也得到解决。

（4）增加了连接基准罐和所有测量罐的空气管，真正实现连通管两端应处于同一大气压力的环境下的要求。产品化阶段的成果，已成为现代静力水准仪的雏形。图2是这个阶段水平的最好写照。

图2静力水准多点沉降仪

3.2现代化阶段

上述产品阶段的成果，再加上现代的电测传感器和微型电子计算机技术，使得静力水准仪的发展达到一个崭新的阶段：以自动化遥测的功能在工程中进行沉降监测。

3.2.1（电测）位移传感器的使用

（1）产品化的阶段在测量罐增设了“浮体”以方便读数。工程界继而发现，“浮体”与测量罐顶部的距离变化量恰恰就是待测的沉降量，因而就萌发了在浮体和罐顶间安装一个位移传感器，将其间距离的变化（沉降量）转换成相应的电量，用仪器来读数，以彻底解决靠人工用视力在刻度上读数的落后局面，提高工作效率。

（2）初期所用的是电位器式的位移传感器。它的主体固定在罐顶上，滑动杆与浮体相联。浮体随液面上下活动时，就等量地带动滑动杆活动，传感器就有相应的信号输出。但这类传感器的滑动杆和传感器内部的敏感体是有接触的，需要一定的力才能推动滑动杆，这个力是浮体产生的浮力。为产生足够的推动力，浮体要做得足够大，整个罐体的直径就要与之相应，显得很“笨重”。

（3）随着电子技术的发展，出现了基于电/磁感应技术的非接触式位移传感器，这类传感器工作时不用产生接触，只要其滑动部分相应于固定的测量部分的位置在变动，测量部分就可感知滑动部分的位置变化，产生相应的电信号，完成位移测量。这样，测量罐中的浮体就可以做得很小巧，甚至可以把浮体和传感器的滑动部分做成一体，简化了构造，进一步提高了仪器的水平。

（4）由于电信号的传送是用电线（电缆）来完成的，因此可以将若干个静力水准仪的测量罐输出的电信号分别用电缆送到一个最方便的地方集中，在这个地方用一台带选点开关的测量仪表依次读取各测量罐的读数，实现了遥测。这在工作效率上是一个飞跃。目前采用非接触式位移传感器的静力水准仪已成主流，接触式的将逐渐淘汰。使用非接触式位移传感器的静力水准仪，代表性的技术指标为：量程100mm （或±50mm），分辨率0.1mm，准确度0.3~0.5mm。

3.2.2实用静力水准仪介绍

（1）测量罐：图3、图4、图5、图6是几种现代实用的静力水准仪（测量罐）。其中，图3是一种典型的型号，透过其透明的罐壁，可以看到浅蓝色的工作液体，白色的浮体。透明罐上部的白色筒内是位移传感器及其变换电路，罐外的液管、电缆都清晰可见。图4是另一款静力水准仪，它的构造和图2类似，但它带有一个可以进行上下位置和角度调整的安装架，特别适用于圆形隧道内安装测量的场合。

图4静力水准仪的测量罐（二）图3静力水准仪的测量罐（一）图3静力水准仪的测量罐（一）