液体静力水准测量法：创新解决工程变形监测

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：如在人不能达到、爆炸危险、内部通道窄小、通视状况不佳、光线昏暗、严重污染、超量辐射的地方，用液体静力水准测量比较有利。图3.15所示为埋入式液体水准测量示意图。进行校零，并存档，做好静力水准仪安装记录。

3.4.1 液体静力水准测量的适用条件

液体静力水准测量又称为连通管测量，经常应用在不便于使用几何水准测量的情况下进行沉降监测，其优点是两测点间无需通视，观测精度高，可实现自动化观测。如在人不能达到、爆炸危险、内部通道窄小、通视状况不佳、光线昏暗、严重污染、超量辐射的地方，用液体静力水准测量比较有利。

液体静力水准测量是利用静止液面原理来传递高程，利用连通器原理测量各点位容器内液面高差，以测定各点沉降，可以测出两点或多点间的高差，经常应用于混凝土坝基础廊道和土石坝表面沉降观测，也可应用在地震、地质、电站、大坝、核电站、地铁、隧道等科学研究领域和精密工程监测领域。图3.15所示为埋入式液体水准测量示意图。

图3.15 埋入式液体水准测量示意图

1—液位传感器; 2—保护罩; 3—螺母; 4—螺栓; 5—液缸; 6—浮筒;7—地脚螺栓; 8—气管接头; 9—液管接头; 10—气管; 11—液管;12—防冻液; 13—导线; 14—PVC钢丝软管; 15—气管堵头; 16—液管堵头

3.4.2 液体静力水准测量的使用方法

1. 液体静力水准仪安装方法及注意事项

(1)准备工作: 测量出各沉降测试点标高，通过标高数据，确定沉降观测点安装孔(φ400mm)开挖深度，确保沉降观测点与基准点标高一致(即在同一水平面上)，基准点也可略低于沉降观测点(一般为全量程的30%左右)，以充分利用其量程范围。将各沉降测试点之间挖一条沟槽，用以埋设连通管。准备好安装时要用到的扳手，生料带，注水工具，液、气管(φ1418铝塑管)，防冻液(冰点－25℃)，硅油，气管接头(φ1418、1/2搭接、一头带内丝、铜质)，纯净水，PVC钢丝软管，读数仪，水平尺。将防冻液跟纯净水按3∶ 1的比例调配好。

(2)根据各测试点的距离，剪切好适当长度的液、气管(根据设计要求，静力水准仪一般布置在桥台、隧道与路基结构物分界处两侧的线路中心线上，每侧各一个，相距2m)，将其套上钢丝软管，并将液、气口裹好生料带。用液管和接头将所有液位沉降计液口连接通(接头带内丝端接液口，另一端接水管)。用堵头封闭液位沉降计的气口和末端液口。

(3)在输入防冻液时，把首、尾两端沉降计的气口打开，将其形成高低差，往高端沉降计(首端)输液口进行灌注已调配好的防冻液，另一端则排气(注意，只能一直从选定的一端灌注防冻液，否则连通管内的空气无法排尽)，灌注适量防冻液后，把液位沉降计、液管同时一起放入安装孔内、沟槽中，用地脚螺栓将液位沉降计固定好，并用水平尺确定其水平，打开其他液位沉降计气口。在液位表面倒上适量硅油，防止液体蒸发。

(4)用读数仪读出各液位沉降计的读数，判断各液位沉降计是否处于要求的合适位置(基准点和各沉降观测点的液位沉降计液位浮至全量程的中间值即可，若基准点略低于各沉降观测点全量程30%左右，就只使各沉降观测点的液位沉降计液位浮至全量程中间值偏下15%左右，基准点高于中间值偏上15%左右); 若不够，则添加至要求液位为止。

(5)加液完备后，用气管和接头将各液位沉降计气口连接通(接头带内丝端接气口，另一端接气管)。将首端液位沉降计的气口、输液口及尾端液位沉降计的气口用堵头封闭，检查液、气管各连接头密封情况是否完好，必须保证其完全密封。

(6)连接好各液位沉降计数据线，并用PVC钢丝软管套好，布于布管沟槽内。

(7)装好液位沉降计的保护罩，对安装孔和布管沟槽进行回填至碾压面，并压实。记录各液位沉降计埋设位置、编号、天气、埋设人员。

(8)制作标示牌，将其插在液位沉降计安装位置及其连通管布管位置以作为标示。在液位沉降计上方填筑层较薄的情况下，仪器附近1m范围内土方或碎石应用人工摊平及小型机具碾压，不得采用大型机械碾压，并派专人负责看管，以防液位沉降计及总线因施工或自然因素而破坏。

(9)校零、取初值。进行校零，并存档，做好静力水准仪安装记录。

(10)根据测试要求进行测试。若连通液位沉降计用自动采集系统进行数据采集，校零后，将电源、数据总线对接于总线接口数据采集模块接线端子，设定自动采集。

2. 液体静力水准测量的计算方法

静力水准仪由液缸、浮筒、精密液位计、保护罩等部件组成，适用于测量参考点与测试点之间土体的相对位移，主要用于各种过渡段线形沉降，沿纵向对结构物之间的沉降差进行监测。静力水准仪利用连通液的原理，多支通用连通管连接在一起的储液罐的液面总是在同一水平面，通过测量不通储液罐的液面高度，经过计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降。假设共用1，…，n个观测点，各个观测点之间已用连通管连通。

安装完毕后，初始状态时各测点的安装高程分别为Y01，…，Y0i，…，Y0j，…，Y0n，各测点的液面高度分别为h01，…，h0i，…，h0j，…，h0n，如图3.16所示。

图3.16 液体静力水准测量初始状态

对于初始状态，显然有:

Y01+h01=…=Y0i+h0i=…=Y0j+h0j=…=Y0n+h0n　(3.10)

当第k次发生不均匀沉降后，各测点由于沉降而引起的变化量分别为: Δh1，…， Δhi，…，Δhj，…，Δhn，各测点的液面高度变化为hk1，…，hki，…，hkj，…，hkn，如图3.17所示。

图3.17 液体静力水准测量不均匀沉降后状态

由于液面的高度还是相同的，因此:

第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量为

(Y01+Δhk1) +hk1=…=(Y0i+Δhki) +hk1=…=(Y0j+Δhkj) +hkj=…=(Y0n+Δhkn) +hkn　(3.11)

由式(3.11)可以得出:

Hji=Δhkj－Δhki　(3.12)

由式(3.10)可以得出:

Δhkj－Δhki=(Y0j+hkj) －(Y0i+hki) =(Y0j－Y0i) +(hkj－hki)　(3.13)

Y0j－Y0i=－(h0j－h0i)　(3.14)

将式(3.14)代入式(3.13)，即可得出第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量:

Hji=(hkj－hki) －(h0j－h0i)　(3.15)

由式(3.15)可以看出，只要能够测出各点不同时间的液面高度值，即可计算出各点在不同时刻的相对差异沉降值。

安装完毕，待液面稳定后，可以先对传感器调零，此时各个液面的初始高度值(偏差值)均为零，于是式(3.15)可以简化为

Hji=(hkj－hki)　(3.16)

即只需读出各个静力水准仪的偏差值，相减后即可求出各点之间的差异沉降。

3.4.3 液体静力水准测量的基本规定

(1)观测前向连通管内充水时，不得将空气带入，可采用自然压力排气充水法或人工排气充水法进行充水。

(2)连通管应平放在地面上，当通过障碍物时，应防止连通管在竖向出现Ω形而形成滞气“死角”。连通管任何一段的高度都应低于蓄水罐底部，但最低不宜低于20cm。

(3)观测时间应选在气温最稳定的时段，观测读数应在液体完全呈静态下进行。

(4)测站上安置仪器的接触面应清洁、无灰尘杂物。仪器对中误差不应大于±2mm，倾斜度不应大于10'。使用固定式仪器时，应有校验安装面的装置，校验误差不应大于±0.05mm。

(5)宜采用两台仪器对向观测。条件不具备时，可采用一台仪器往返观测。每次观测，可取2～3个读数的中数作为一次观测值。根据读数设备的精度和沉降观测级别，读数较差限值宜为0.02～0.04mm。

3.4.4 液体静力水准测量的技术要求

各种变形监测规范对各级液体静力水准测量都有一定的要求，《建筑变形测量规程》中的技术要求见表3.8。

表3.8 液体静力水准观测技术要求(单位: mm)

注: n为测段的测站数。

液体静力水准测量法：创新解决工程变形监测

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