北京地面沉降Js型靜力水準自動化監測系統量程調整及修正值添加方法

羅 勇，賈三滿，趙 波，周 毅

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195）

北京地面沉降Js型靜力水準自動化監測系統量程調整及修正值添加方法

羅 勇1，賈三滿1，趙 波2，周 毅1

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195）

本文介紹了Js型靜力水準自動化監測系統構成。在多年監測的基礎上，對該系統在地面沉降監測中量程的調節量、調節方向和調節方法進行了總結，對量程調節后的修正值添加原理、時機選擇和方法進行了探討。

JS型靜力水準自動化監測系統；量程調節；修正值添加

在國內外的地面沉降監測中，分層標監測大多作為一種重要方法。JS型靜力水準自動化監測系統的廣泛采用，使分層標監測變得簡便、精確可靠。JS型靜力水準自動化監測系統應用在相同環境條件下，連通容器內液體液面保持同一水平面的連通管原理，多個測點連通，由Js型靜力水準儀檢測各個測點容器中的液位變化和各個測點的垂直位移變化。這種測量方法，在北京市多個地面沉降監測站分層標 基巖標監測中使用，取得了非常好的監測效果。

1 系統構成

北京地面沉降Js型靜力水準自動化監測系統由測點、測量控制單元（MCU）、功控機（監測軟件，自動化監測系統服務器端軟件）、通訊控制軟件和數據處理軟件構成。監測軟件和通訊控制軟件之間采用INTERNET聯結，以保證監測人員隨時隨地讀取和下載監測數據。

每臺靜力水準儀為一個測點，均配有一個獨立的編碼地址，MCU依靠編碼地址對各臺靜力水準儀進行識別。系統采用了工業控制測量中廣泛應用的主從分布式結構，由一臺測量控制單元(MCU)在現場對各測點進行測量、存儲觀測數據，功控機中監測軟件從MCU獲得監測數據，生成文本格式存儲在功控機硬盤上，通訊控制軟件通過INTERNET在任何一個有網絡的地方從功控機中讀取監測數據（密碼保護），然后將數據導入數據處理軟件，進行計算和分析。監測系統示意圖見圖1。

圖1 Js型靜力水準自動化監測系統構成圖

2 量程調節

北京地面沉降JS型靜力水準儀量程為50mm，而在分層標布設的地區地面沉降速率都較大，各地層對沉降的貢獻差異也比較大。根據連通器原理，這個貢獻差直接反映到分層標原始值的變化上，沉降量相對較小的地層分層標原始值增加快，容易接近量程值。通常情況下，基巖標原始值率先接近量程值。目前，北京各地面沉降監測站每年進行量程調節2～3次。

在北京地面沉降監測網站正常運行期間，監測人員每天都對監測數據進行采集、計算和存儲，每周對監測數據進行一次集中檢查，填寫 監測數據檢查表 。其中，監測原始數據是否超過量程是數據檢查中最重要的內容之一，一旦發現監測數據超過40mm，馬上安排量程調節。

（1）調節量和調節方向的確定

量程調節前，首先用監測軟件 在線測量 工具測量出調節前各標原始值，分析各標原始數據的具體情況，以算術平均值為標準比較各標原始值偏離程度，計算調節方向和調節量。例如，甲監測站設分層標5座（編號分別為：F1、F2、F3、F4、F5），在某個時間點上，監測原始值分別為：40mm、18mm、30mm、23mm和27mm，算術平均值為27.6mm，各標相對于算術平均值的偏離值分別為：-12.4mm、9.6mm、-2.4mm、4.6mm、0.6mm。上述偏離值，也就是 調節量 ，其中負值表示需要向下調，正值表示上調。詳見表1。

表1 某時點甲監測站分層標原始值表

(2)調節方法

關閉電源，用水準儀測量出各監測點（分層標和基巖標頂）容器托盤下螺帽距離地面的高度，根據(1)計算出的調節值上下擰動螺帽，調節到合適高度后，將3個螺帽調平。在調平容器托盤的過程中，可以將羅盤放置在容器帽上，邊調邊觀察羅盤氣泡，氣泡居中即可。

當所有的分層標均按上述步驟調節好后，開啟電源，等待10分鐘后再次進行 在線測量 。觀察測量值，若測量值均接近27.6mm，量程調節結束。若某測量值偏離27.6mm太遠，分析原因，重新進行調節，直到測量值均接近平均值27.6mm為止。

(3)注意事項

量程調節時，三個螺帽的調節應平穩進行，避免容器傾斜過大而導致浮子桿被卡住；盡量避免大幅度擺動容器連接的液管和氣管，避免連接管脫落而漏液進氣。

3 修正值添加

量程調節完成后，必須添加修正值。修正值填加在數據處理軟件中進行。

(1)修正值添加原理

量程調節后，容器中的液面將重新形成一個水平面，其后的分層標沉降數據將以這個新的水平面為計算基準。但是，地面沉降是持續發展的，與量程調節沒有關系。所以，量程調節前后兩個水平面必須重合。將這兩個水平面重合的方法即為 修正值添加 ，在數學意義上則為在監測數據計算前賦予計算公式一個修正值參數，讓公式計算出的量程調節前后的監測成果數據相等。假設某分層標編號為F1，對應的基巖標編號為J1，則分層標計算公式可表示為：

Result(F1)=StartValue(F1)+(YSZ(F1)-Modify(F1))-(YSZ(J1)-Modify(J1))

式中，Result(F1)、StartValue(F1)和YSZ(F1)表示該分層標F1的成果值、初始值和原始值；Modify(F1)即為F1標修正值；YSZ(J1)和Modify(J1)則分別表示對應基巖標J1的原始值和修正值。

(2)添加修正值時機的選擇

通常情況下，工作人員會認為：量程調節后10分鐘，容器中液面就能重新平衡，形成新的水平面，所以在添加修正值時，往往在調節前后兩個時間點（一般都大于10分鐘）上直接添加修正值。

但是，筆者通過長時間對比分析后發現：容器中的液面在量程調節后重新平衡的時間實際上常常達到數小時，甚至更久，具體時間與容器中液體的粘稠程度和一個監測站中液體實際可流動的距離密切相關。

如果量程調節前后不更換、不增減液體，可以假定液體的粘稠度不發生變化，而同一個監測站的容器數量和容器間距離是一定的，所以每個監測站液面在量程調節后重新平衡的時間基本為恒值。計算出某站在某次量程調節后液面重新平衡所需要的時間可在今后的每次量程調節后直接使用（前提是不增減液體，不換液），這個時間便是添加修正值的最佳時間。

確定最佳時間的步驟：

①繪制量程調節前后各標在一定時間內（時間長短根據具體情況而定）沉降曲線；

②對比調節前后各標沉降曲線斜率。

③找出量程調節后各標與調節前沉降趨勢一致的曲線起點(曲線斜率大致相同點)；

這一點便可視為液面重新平衡的時間點，一般可直接作為添加修正值的最佳時點。但是，如果液面平衡所需的時間較長，加之地面沉降在這段時間的沉降速率較大，則必須考慮液面平衡時間范圍內的地面沉降量，可根據沉降趨勢對這一時段內數據進行修正。

如圖2所示，首先繪制監測站內各標量程調節前后沉降曲線。然后對比曲線斜率，找出液面重新平衡的時間點。通過比較可以發現：各標沉降曲線回歸到量程調節前的時間不同，沉降量大的分層標所需時間少，而沉降量小的所需時間多。如圖3所示，調標時間統一發生在第二個11:00至12:00之間，沉降量大的F4于15:00左右平衡，所需時間不到4小時；沉降量小的F1于19:00左右平衡，所需時間超過7小時。選擇該監測站中最大時間點為修正值添加點，即在第二個11:00和第二個19:00上添加修正值，該站量程調節后添加修正值的最佳時間為調節8小時后。

圖2 某監測站量程調節前后沉降曲線

圖3 量程調節后沉降曲線恢復時間點示意圖（圖中雙圈為恢復時間點）

(3)添加方法

利用軟件或其他數學方法添加修正值，以下介紹北京地面沉降監測數據處理系統的修正值添加方法。首先刪除數據庫中12:00～18:00的原始值和成果值，然后進入數據處理系統（見圖4）；選擇 錄入初始值或修正值 ，進入到圖5界面；選擇 輸入測點修正值 ，錄入 調整前日期、時間 和 調整后日期、時間后點擊 錄入 按扭即可。添加完成后，重新計算監測數據，便能得到新的沉降曲線（見圖6）。

圖4 北京地面沉降監測數據處理系統修正值添加界面

圖5 北京地面沉降監測數據處理系統修正值錄入界面

圖6 添加修正值后沉降曲線示意圖

4 小結

由于JS型靜力水準自動化監測系統具有監測精度高和穩定性好等特點，并能夠勝任連續監測的需要，所以該系統已廣泛應用于地面沉降分層標 基巖標監測中。北京市地面沉降監測研究中心于2002年 地面沉降監測網站預警預報系統一期工程 項目開始使用JS型靜力水準自動化監測系統，截止目前，已經使用了8年。在長期使用中我們發現：該系統穩定性很好，操作簡便，監測精度達到要求，調試完成后自動運行，基本上只有在監測數據接近量程值時需要人工干預調節，調節后添加修正值。量程調節和修正值添加作為人工干預該系統的重要環節，應引起監測人員的高度重視。尤其考慮到地面沉降具有累進性的特點，任何一次在 量程調節和修正值添加 過程中出現的錯誤操作均會造成測量偏差的累加，給地面沉降監測帶來不可挽回的錯誤。

[1] 賈三滿等．北京市地面沉降監測網站預警預報系統（一期）工程竣工報告.

[2] 蔣林根等．活動斷裂帶區內建筑物基礎不均勻沉降監測．災害學，第18卷第4期.

[3] 何慶成、葉曉濱.2006年 DD2006-02 中國地質調查局《地面沉降監測技術要求》.

Standard Range Adjustment and Correction Value Adding Method for JS Static Water Level Automatic Monitoring System Used to Beijing Ground Subsidence

LUO Yong1, JIA Sanman1, Zhao Bo2, ZHOU Yi1

(1. Hydrogeology and Engineering Geological Team of Beijing, Beijing 100195; 2. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195)

This paper mainly introduces the constitution of JS st atic water level automatic monitoring system. On the basis of long-term monitoring, this paper summarizes the adjustment quantity, adjustment direction, and adjustment method of this monitoring system, and discusses its correction value adding principle, opportunity selection after the standard range being adjusted.

JS static water level automatic monitoring system; Standard range adjustment; Correction value adding method

TP272

A

1007-1903(2010)0036-04

羅 勇（1979- ），男，工程師，水文地質工程地質專業，主要從事地面沉降、地裂縫等地質災害評估與研究。E-mail：luoyonghl@126.com.