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）图5是全不锈钢外壳的，它的水罐和测量部分是互相密封不透水的，因此可以按工作环境决定是“正”装还是“倒”装（在圆形隧道内尤其需要），图中就是处在“倒”装的状况。

这款水准仪内部的浮体和传感器的活动部分是合为一体的，内部结构紧凑。

图6是另一款国外名厂制的静力水准仪。

（2）基准罐构成一个完整的静力水准仪，还需有一个能提供恒液位的“基准罐”。

基准罐恒定液位的方法在图2中可见，其中最左侧的液位自动控制器即“基准罐”。

其内部（右侧）较细的是供液管，由存液罐内电泵送来的工作液源源不断进入基准罐中。

但罐中还有一支开口位置比供液管高的恒液位控制管（内左），它起溢流作用，两管相互配合，使罐中的液位始终恒定在恒液位控制管的管口高度上。

图7、图8、图9是三种有代表性的实用基准罐。

图7是与图3成套配置的。

它的下部是一个直径较粗的储液罐，存较多的工作液，上部就是“基准罐”，较细的供液管，较粗较高的恒液位管和罐内的液位都清晰可见。

图8是与基准罐分离的形式，可适应紧凑的安装场合。

图5静力水准仪的测量罐（三）图6静力水准仪的测量罐（四）图7静力水准仪的基准罐和储液罐（一）图8静力水准仪的基准罐和储液罐（二）图6静力水准仪的测量罐（四）图9所示的是另一种基准罐。

该罐下部较粗大，可以容纳足够多的工作液，但其内部没有恒液位管和供液管，而是在上部安装了一个液位传感器（内有浮体）。

此罐向所有测量罐提供和补充工作液，同时也进行自身的液位测量，若此罐内的液位发生变化，其自身的液位传感器就会测出一个变化量，这个变化量在数据计算时加入测量罐的读数中作修正量用，其结果仍起到“恒液位”的作用。

（图9所示该罐已安装好，尚未加灌工作液和接管、接电缆）。

基准罐之所以起到基准作用，除了其内部有一套装置能提供一个恒定的液位外，其安装位置的高度还必须是被确认为是恒定的，不会发生隆沉现象。

退一步讲，即使不能确定该位置不会发生隆沉，也要用另一种可靠手段来校准（或验证）其位置的稳定程度，并根据校准结果在处理数据时加入修正值。

实际使用中，应该根据具体要求和现场条件，灵活组合各种形式的测量罐和基准罐，最大限度的地满足沉降监测的要求。

3.2.3工作液静力水准仪最常用的工作液是纯净的水。

为便于观察液位，可在水中加入适当的染色剂，一般用浅蓝色或浅绿色。

为防冻，可加入防冻液（如：乙二醇），此外，还可加入降低水的表面张力、防腐、防微生物孳生的各种成份。

但为各种目的加入的辅助成分，都应最后使工作液达到不含沉淀物（和会产生沉淀物）、不含固体悬浮物，也不得腐蚀其能接触到的水准仪中相应部件的要求。

在加灌入静力水准仪之前，还要用一定的方法除去溶解在水中的空气。

由于水在不同温度下，其体积略有改变。

所以若监测所处的环境温度变化幅度较大，或者监测的精确度要求较高，都要在计算时对工作液（水）的体积随温度的变化进行修正。

3.3微机控制下的静力水准沉降监测数据自动采集处理系统微机的出现，彻底改变了人工或半人工测量的工作模式。

借助于“数据自动采集器”，可以代替人工的遥测，实现自动遥测。

但真正意义上的自动测量，应是计算机控制下的自动遥测。

借助于专门编制的“数据采集和处理系统”的软件，计算机可以控制自动遥测的工作程序进行数据的预处理，在计算机内建立数据库，实时自动显示监测结果，提供包括自动报警，应答监测工程师对历史数据的查询等功能。

通过网络系统，更可以在异地经授权的计算机上实现同工地监测计算机上相同的数据实时显示、报警、查询的功能，为工程提供高质量.图10DT515型数据自动采集器（左）和数据自动采集器的现场安装（右）图9静力水准仪的基准罐（三）的监测服务。

图10是一例常用的数据自动采集器（左）和它在工程中安装（右）的实例。

图11是一个完整的，具有现代水平的静力水准自动监测系统构造原理框图。

具有图11中显示的功能的监测系统在很多监测工程师的工作中已成为现实，其工作可以如下描述：1各个固定在监测点上的静力水准传感器（“测量罐”）根据监测点的沉降产生相应的电压信号，各测量罐输出的电压信号都接到一台DT515型数据自动采集器上；如果基准罐不设自动恒液位装置，而用“浮体-液位传感器”的情况时，该“液位传感器”的测量输出信号也接到此数据自动采集器。

②③③⑥2在数据采集器上设定采集的时间间隔（可调整的范围为十秒到几小时，一般可取半小时）后，采集器就按设定的时间间隔对所有接入的传感器进行一次采样读数，并暂存在采集器的内存区里。

3用电缆传输或无线传输的方法连接设置在监测现场的采集器和设置在现场办公室的监测计算机，每次采样读数所得的数据就从采集器输送到计算机中，在计算机内按预先设定的“结构沉降自动监测系统（程序）软件”将测量所得的电信号换算成沉降值，并得到监测范围内的实时沉降曲线；处理完的数据存入监测计算机的数据库内。