液体静力水准系统在高速铁路运营期实时沉降监测中的应用研究

杨　宏　张献州　张　拯　邱颖新　张正国　罗　毅(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都　61001；2.高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川成都　61001；.成都铁路局高铁段，四川成都　610081)The Study of Hydrostatic Levelling System Applicating in High-Speed Railway Operatoring period to Real-Time Monitoring SettlementYANG Hong　ZHANG Xianzhou　ZHANG ZhengQiu Yingxin　ZHANG Zhengguo　LUO Yi

液体静力水准系统在高速铁路运营期实时沉降监测中的应用研究

杨宏1，2张献州1，2张拯1,2邱颖新1，2张正国3罗毅3(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031；2.高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川成都610031；3.成都铁路局高铁段，四川成都610081)The Study of Hydrostatic Levelling System Applicating in High-Speed Railway Operatoring period to Real-Time Monitoring SettlementYANG Hong1，2ZHANG Xianzhou1，2ZHANG Zheng3Qiu Yingxin1,2ZHANG Zhengguo3LUO Yi3

摘要介绍液体静力水准系统的工作原理，分析总结在高速铁路运营期实时沉降监测中影响系统精度的主要因素及削弱这些因素的方法。通过对液体静力水准系统在某高速铁路运营期沉降监测项目中的监测成果与工人周期监测成果对比分析，表明液体静力水准系统监测方法能够满足运营期高速铁路沉降监测精度要求。

关键词高速铁路运营安全实时沉降监测精密液体静力水准系统精度分析

高速铁路建设期沉降监测研究较多[1-5]，运行期沉降监测尚没有好的方法。液体静力水准系统因其具有精度高、自动化性能好、实时测量等特点，应用于高速铁路运营期沉降监测中，可以有效地弥补传统水准测量监测的不足。液体静力水准系统已成功应用于大坝、隧道变形等监测工作中[6-9]，但是利用液体静力水准系统对运营期高速铁路沉降监测的研究较少。液体静力水准系统应用于高速铁路运营期实时沉降监测，可实现稳定的自动化数据采集，采集、传输过程无人值守，仅数据处理时需人机交互作业。但是，对于实时数据中粗差探测、剔除和实时数据滤波等数据处理方法需要进一步研究。

1液体静力水准系统

1.1　系统工作原理

液体静力水准系统利用连通器原理，多个通过连通管连接在一起的储液容器的液面静止后处在同一水平面，通过测量不同储液容器的液面高度，经计算可以得出各个液体静力水准系统相对基准点的沉降量。

假设有1、2、…、n观测点，每个测点上安装的静力水准仪通过连通管连通。假设安装完成后，初始状态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1所示。

对于初始状态，显然有

(1)

当j时刻发生沉降后，各测点由于沉降而引起的变化量分别为：Δhj1，Δhj2，…，Δhji，…，Δhjn，各测点的液面高度变化为hj1，hj2，…，hji，…，hjn，如图2所示。

根据连通管原理，液面高度是相同的，因此有

(2)

第i个测点相对于基准点1的相对沉降量为

(3)

由式(2)可以得出

(4)

由式(1)可以得出

(5)

将式(5)代入式(4)，即可得出第i个测点j时刻相对于基准点1的相对沉降量

(6)

由式(6)可知，只要测出各测点不同时刻的液面高度值，即可计算出各测点在不同时刻的相对差异沉降值。

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均为零，式(6)可以简化为

(7)

由(7)可知，获得各个液体静力水准系统的液面变化值，与基准点液面变化值之差即为各测点相对基准点的相对变化量。

1.2　液体静力水准仪系统影响因素分析

(1)压强影响

液体静力水准仪系统不同储液容器中压强差对系统的测量精度影响较大，且很多因素可能影响储液容器中压力，如储液容器周边的气流、气候变化等。由于储液容器里压强不同而对液面高度的影响，由式(8)可以求得

(8)

式中：p1为储液容器1压强值；p2为储液容器2压强值；ρ为储容器里液体密度；g为重力加速度。

为削弱储液容器中压强不等对测量精度的影响，通常采用的方法是利用导气管将系统中的每个储液容器串联，保持整个液体静力水准仪系统在相同的压强下工作，达到削弱不同压强对液体静力水准系统测量精度的影响。

(2)温度不均匀的影响

液体静力水准系统安装在外界环境中，一些储液容器位置处于向阳面，而另一些储液容器位置处于背阴面，导致各个储液容器里液体的温度不同。温度变化导致储液容器里的液体密度发生变化，引起液面高度发生变化[10]。

正常情况下，系统的所有储液容器装有相同的液体，由于储液容器和连通管里液体温度不均匀，使得各处液体的膨胀情况不一样，造成密度不均匀，在连通管中形成密度梯度。可以使用离散值相加的方法削弱温度的影响：沿垂直方向每隔一定高度放置一个温度传感器，测出每一个高度的温度，利用式(9)可求出温度改正数

(9)

式中：n1为储液容器1的传感器个数；n2为储液容器2里的传感器个数；γ为液体膨胀系数；T(H)为温度随高程H变化的梯度函数；H2i为储液容器2里第i个传感器高程；H1j为储液容器1里第j个传感器高程。

采用离散值相加方法求得的高差改正数若不能满足精度要求，可以采用两套液体静力水准系统，利用差分的方法消除温度不均匀对精度的影响，获取更高的测量精度，如公式(10)

(10)

式中：γ1为液体1的膨胀系数；γ2为液体2的膨胀系数；h1为液体1液面高差；h2为液体2的液面高差。

(3)液管的影响

联通管将储液容器串联，实现整个系统液面在同一高度。联通管内壁与液体之间存在黏着力，影响液体流动。因此，在设计时需考虑联通管长度最短，可以减弱液管与液体之间黏着力的影响。

(4)液体蒸发和污染的影响

由于局部温度变化，会引起系统液体蒸发不均衡，封闭储液容器或在液面加入少量硅油可减弱液体蒸发的影响。

液体污染是由于液体变质或出现浮游植物，影响测量精度，可以通过改变测点环境，或在液体中加入少量防腐剂防止液体变质[8]。

2工程实例

2.1　工程概况

某工程场地位于某市国道联网畅通工程城区段。根据设计，国道从某高速铁路7号、8号和9号桥墩之间船槽下穿通过。船槽基坑开挖施工期间，由于船槽结构边线距离桥墩较近，基坑边坡可能失稳，导致边坡滑坡，产生局部位移，引起既有轨面高程发生变化，影响高速铁路运营安全。按照《高速铁路运营沉降监测管理办法》(2010)标准，工程施工期间，需对高速铁路桥墩“健康”状态进行监测。

7号、8号和9号高铁桥墩离施工区较近，容易受到施工影响。为监测高速铁路桥墩垂直方向位移，沿着高速铁路走向布设一条液体静力水准路线。该水准系统共7个测点(其中，每个监测桥墩左右各1个测点，在离施工区较远的4号桥墩布设1个基准测点)，共7套静力水准仪，编号分别为J4、J7-L、J7-R、J8-L、J8-R、J9-L、J9-R，可实现高速铁路桥墩垂直方向位移自动化监测，自动化采集系统的采样间隔时间为1 h。

2.2　数据分析

(1)数据分析

图3为高速铁路桥墩各监测点相对于基准点J4点的垂直位移变化曲线。从图3中可以看出：相对基准点J4而言，J7-L的最终相对沉降为-0.27 mm；J7-R的最终相对沉降为-0.33 mm；J8-L的最终相对沉降为-0.39 mm；J8-R的最终相对沉降为-0.42 mm；J9-L的最终相对沉降为-0.36 mm；J9-R的最终相对沉降为-0.43 mm，监测点的最终沉降量均较小。监测结果表明，下穿道路施工未对高速铁路桥墩造成显著影响，桥墩未发生明显沉降。

图4为高速铁路桥墩各监测点相对于基准点J4点的垂直位移变化微观曲线。从图3与图4中可以看出：(1)监测点相对位移曲线具有明显的周期变化特征。白天，环境温度较高，液体蒸发为水汽，储液容器内液体减少，仪器探测到液面下降，相对位移曲线呈现下沉；夜晚，环境温度降低，水汽液化为液体，储液容器内液体增多，仪器探测到液面上升，相对位移变化曲线呈现隆起。(2)每天，周围环境的最高温度与最低温度时刻不同，引起周期变化的峰值出现时间不同。这说明，相对位移曲线变化规律与温度变化规律有密切联系，但二者之间更具体、更内在的联系还有待进一步的研究。

从图4中可以看出，J9-L和J9-R出现峰值的时间比其他点出现峰值时刻滞后，经分析，这是由于J9-L和J9-R距离基准点J4较远的原因引起。这说明，液体静力水准系统受距离影响，随着测点与基准点间距离变长，监测灵敏度会变下降。

(2)自动化监测成果与人工监测成果对比分析

在桥墩上每套液体静力水准系统下方埋设二等水准沉降监测标志，使用Trimble DiNi03精密电子水准仪进行周期人工沉降观测，人工周期沉降监测成果如表1所示。

注：2015/4/21人工沉降监测成果作为首期数据，所有监测点相对变化量为0。

表2是人工监测与自动监测成果的对比分析统计。从表2中可以看出：两种监测方法所获得的变形相对沉降量均小于1 mm，均值均小于1 mm。自动化监测受外界因素影响，其相对沉降量较人工监测相对沉降大，监测成果精度稍微低于人工监测成果精度。但是，自动化监测成果精度满足高速铁路沉降监测精度要求。因此，本次静力水准系统在运营期高速铁路沉降监测工程中的应用是可行的。

3结束语

(1)液体静力水准系统在高速铁路运营期实时沉降监测中的应用，充分体现了其精度稳定、自动化程度高、实时测量等特点，可实现稳定的自动化数据采集，采集、传输过程无人值守，仅数据处理时需人机交互作业，能够科学地反应运营期高速铁路的实时“健康”信息，为建设施工提供指导。

(2)与传统人工二等水准周期沉降监测方法进行高速铁路沉降监测相比，液体静力水准系统能提供更加丰富的实时监测数据，经过滤波处理后，能够更全面地反应高速铁路的实时状态。

(3)从监测成果可以看出：J7-L点自动化和人工最终相对沉降分别为-0.27 mm和-0.25 mm；J7-R点自动化和人工最终相对沉降分别为-0.33 mm和-0.25 mm；J8-L点自动化和人工最终相对沉降分别为-0.39 mm和-0.17 mm；J8-R点自动化和人工最终相对沉降分别为-0.42 mm和-0.22 mm；J9-L点自动化和人工最终相对沉降分别为-0.36 mm和-0.15 mm；J9-R点自动化和人工最终相对沉降分别为-0.43 mm和-0.08 mm。以上数据反映出：液体静力水准系统自动化监测与人工周期监测成果反映的高速铁路变化趋势基本一致，说明液体静力水准系统在高速铁路运营期实时沉降监测中的应用可行。

参考文献

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[4]安少波.高速铁路路基沉降测试与分析[D].长沙：中南大学，2009

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[8]戴加东，王艳玲，禇伟洪.静力水准自动化监测系统在某工程中的应用[J].工程勘察，2009(5):80-84

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[10]陈继华.温度不均匀对液体静力水准仪精度的影响[J].工程勘察，2000(1)：51-52，57

中图分类号：TU433

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)06-0028-04

作者简介：第一杨宏(1991—)，男，在读硕士研究生。

基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助(IRT13092);高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室;成都铁路局成绵乐客运专线运行期沉降监测项目(2015G002-C)；企业项目(VR01HX1135 Y14005)。

收稿日期：2015-09-06