液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

楊　宏　張獻(xiàn)州　張　拯　邱穎新　張正國(guó)　羅　毅(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都　61001；2.高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都　61001；.成都鐵路局高鐵段，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

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

楊宏1，2張獻(xiàn)州1，2張拯1,2邱穎新1，2張正國(guó)3羅毅3(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031；2.高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；3.成都鐵路局高鐵段，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

摘要介紹液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理，分析總結(jié)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中影響系統(tǒng)精度的主要因素及削弱這些因素的方法。通過(guò)對(duì)液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在某高速鐵路運(yùn)營(yíng)期沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的監(jiān)測(cè)成果與工人周期監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析，表明液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法能夠滿足運(yùn)營(yíng)期高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)精度要求。

關(guān)鍵詞高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)精密液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)精度分析

高速鐵路建設(shè)期沉降監(jiān)測(cè)研究較多[1-5]，運(yùn)行期沉降監(jiān)測(cè)尚沒(méi)有好的方法。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)因其具有精度高、自動(dòng)化性能好、實(shí)時(shí)測(cè)量等特點(diǎn)，應(yīng)用于高速鐵路運(yùn)營(yíng)期沉降監(jiān)測(cè)中，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)的不足。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大壩、隧道變形等監(jiān)測(cè)工作中[6-9]，但是利用液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)期高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)的研究較少。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用于高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，采集、傳輸過(guò)程無(wú)人值守，僅數(shù)據(jù)處理時(shí)需人機(jī)交互作業(yè)。但是，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中粗差探測(cè)、剔除和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)濾波等數(shù)據(jù)處理方法需要進(jìn)一步研究。

1液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

1.1　系統(tǒng)工作原理

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)利用連通器原理，多個(gè)通過(guò)連通管連接在一起的儲(chǔ)液容器的液面靜止后處在同一水平面，通過(guò)測(cè)量不同儲(chǔ)液容器的液面高度，經(jīng)計(jì)算可以得出各個(gè)液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量。

假設(shè)有1、2、…、n觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)上安裝的靜力水準(zhǔn)儀通過(guò)連通管連通。假設(shè)安裝完成后，初始狀態(tài)各測(cè)點(diǎn)的安裝高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，各測(cè)點(diǎn)的液面高度分別為h01…h(huán)0i…h(huán)0j…h(huán)0n，如圖1所示。

對(duì)于初始狀態(tài)，顯然有

(1)

當(dāng)j時(shí)刻發(fā)生沉降后，各測(cè)點(diǎn)由于沉降而引起的變化量分別為：Δhj1，Δhj2，…，Δhji，…，Δhjn，各測(cè)點(diǎn)的液面高度變化為hj1，hj2，…，hji，…，hjn，如圖2所示。

根據(jù)連通管原理，液面高度是相同的，因此有

(2)

第i個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)1的相對(duì)沉降量為

(3)

由式(2)可以得出

(4)

由式(1)可以得出

(5)

將式(5)代入式(4)，即可得出第i個(gè)測(cè)點(diǎn)j時(shí)刻相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)1的相對(duì)沉降量

(6)

由式(6)可知，只要測(cè)出各測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的液面高度值，即可計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的相對(duì)差異沉降值。

待液面穩(wěn)定后，可以先對(duì)傳感器調(diào)零，此時(shí)各個(gè)液面的初始高度值均為零，式(6)可以簡(jiǎn)化為

(7)

由(7)可知，獲得各個(gè)液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的液面變化值，與基準(zhǔn)點(diǎn)液面變化值之差即為各測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)變化量。

1.2　液體靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)影響因素分析

(1)壓強(qiáng)影響

液體靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)不同儲(chǔ)液容器中壓強(qiáng)差對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度影響較大，且很多因素可能影響儲(chǔ)液容器中壓力，如儲(chǔ)液容器周邊的氣流、氣候變化等。由于儲(chǔ)液容器里壓強(qiáng)不同而對(duì)液面高度的影響，由式(8)可以求得

(8)

式中：p1為儲(chǔ)液容器1壓強(qiáng)值；p2為儲(chǔ)液容器2壓強(qiáng)值；ρ為儲(chǔ)容器里液體密度；g為重力加速度。

為削弱儲(chǔ)液容器中壓強(qiáng)不等對(duì)測(cè)量精度的影響，通常采用的方法是利用導(dǎo)氣管將系統(tǒng)中的每個(gè)儲(chǔ)液容器串聯(lián)，保持整個(gè)液體靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)在相同的壓強(qiáng)下工作，達(dá)到削弱不同壓強(qiáng)對(duì)液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。

(2)溫度不均勻的影響

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)安裝在外界環(huán)境中，一些儲(chǔ)液容器位置處于向陽(yáng)面，而另一些儲(chǔ)液容器位置處于背陰面，導(dǎo)致各個(gè)儲(chǔ)液容器里液體的溫度不同。溫度變化導(dǎo)致儲(chǔ)液容器里的液體密度發(fā)生變化，引起液面高度發(fā)生變化[10]。

正常情況下，系統(tǒng)的所有儲(chǔ)液容器裝有相同的液體，由于儲(chǔ)液容器和連通管里液體溫度不均勻，使得各處液體的膨脹情況不一樣，造成密度不均勻，在連通管中形成密度梯度。可以使用離散值相加的方法削弱溫度的影響：沿垂直方向每隔一定高度放置一個(gè)溫度傳感器，測(cè)出每一個(gè)高度的溫度，利用式(9)可求出溫度改正數(shù)

(9)

式中：n1為儲(chǔ)液容器1的傳感器個(gè)數(shù)；n2為儲(chǔ)液容器2里的傳感器個(gè)數(shù)；γ為液體膨脹系數(shù)；T(H)為溫度隨高程H變化的梯度函數(shù)；H2i為儲(chǔ)液容器2里第i個(gè)傳感器高程；H1j為儲(chǔ)液容器1里第j個(gè)傳感器高程。

采用離散值相加方法求得的高差改正數(shù)若不能滿足精度要求，可以采用兩套液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，利用差分的方法消除溫度不均勻?qū)鹊挠绊?，獲取更高的測(cè)量精度，如公式(10)

(10)

式中：γ1為液體1的膨脹系數(shù)；γ2為液體2的膨脹系數(shù)；h1為液體1液面高差；h2為液體2的液面高差。

(3)液管的影響

聯(lián)通管將儲(chǔ)液容器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)液面在同一高度。聯(lián)通管內(nèi)壁與液體之間存在黏著力，影響液體流動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮聯(lián)通管長(zhǎng)度最短，可以減弱液管與液體之間黏著力的影響。

(4)液體蒸發(fā)和污染的影響

由于局部溫度變化，會(huì)引起系統(tǒng)液體蒸發(fā)不均衡，封閉儲(chǔ)液容器或在液面加入少量硅油可減弱液體蒸發(fā)的影響。

液體污染是由于液體變質(zhì)或出現(xiàn)浮游植物，影響測(cè)量精度，可以通過(guò)改變測(cè)點(diǎn)環(huán)境，或在液體中加入少量防腐劑防止液體變質(zhì)[8]。

2工程實(shí)例

2.1　工程概況

某工程場(chǎng)地位于某市國(guó)道聯(lián)網(wǎng)暢通工程城區(qū)段。根據(jù)設(shè)計(jì)，國(guó)道從某高速鐵路7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)橋墩之間船槽下穿通過(guò)。船槽基坑開(kāi)挖施工期間，由于船槽結(jié)構(gòu)邊線距離橋墩較近，基坑邊坡可能失穩(wěn)，導(dǎo)致邊坡滑坡，產(chǎn)生局部位移，引起既有軌面高程發(fā)生變化，影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。按照《高速鐵路運(yùn)營(yíng)沉降監(jiān)測(cè)管理辦法》(2010)標(biāo)準(zhǔn)，工程施工期間，需對(duì)高速鐵路橋墩“健康”狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)高鐵橋墩離施工區(qū)較近，容易受到施工影響。為監(jiān)測(cè)高速鐵路橋墩垂直方向位移，沿著高速鐵路走向布設(shè)一條液體靜力水準(zhǔn)路線。該水準(zhǔn)系統(tǒng)共7個(gè)測(cè)點(diǎn)(其中，每個(gè)監(jiān)測(cè)橋墩左右各1個(gè)測(cè)點(diǎn)，在離施工區(qū)較遠(yuǎn)的4號(hào)橋墩布設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn))，共7套靜力水準(zhǔn)儀，編號(hào)分別為J4、J7-L、J7-R、J8-L、J8-R、J9-L、J9-R，可實(shí)現(xiàn)高速鐵路橋墩垂直方向位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化采集系統(tǒng)的采樣間隔時(shí)間為1 h。

2.2　數(shù)據(jù)分析

(1)數(shù)據(jù)分析

圖3為高速鐵路橋墩各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)J4點(diǎn)的垂直位移變化曲線。從圖3中可以看出：相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)J4而言，J7-L的最終相對(duì)沉降為-0.27 mm；J7-R的最終相對(duì)沉降為-0.33 mm；J8-L的最終相對(duì)沉降為-0.39 mm；J8-R的最終相對(duì)沉降為-0.42 mm；J9-L的最終相對(duì)沉降為-0.36 mm；J9-R的最終相對(duì)沉降為-0.43 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終沉降量均較小。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，下穿道路施工未對(duì)高速鐵路橋墩造成顯著影響，橋墩未發(fā)生明顯沉降。

圖4為高速鐵路橋墩各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)J4點(diǎn)的垂直位移變化微觀曲線。從圖3與圖4中可以看出：(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移曲線具有明顯的周期變化特征。白天，環(huán)境溫度較高，液體蒸發(fā)為水汽，儲(chǔ)液容器內(nèi)液體減少，儀器探測(cè)到液面下降，相對(duì)位移曲線呈現(xiàn)下沉；夜晚，環(huán)境溫度降低，水汽液化為液體，儲(chǔ)液容器內(nèi)液體增多，儀器探測(cè)到液面上升，相對(duì)位移變化曲線呈現(xiàn)隆起。(2)每天，周圍環(huán)境的最高溫度與最低溫度時(shí)刻不同，引起周期變化的峰值出現(xiàn)時(shí)間不同。這說(shuō)明，相對(duì)位移曲線變化規(guī)律與溫度變化規(guī)律有密切聯(lián)系，但二者之間更具體、更內(nèi)在的聯(lián)系還有待進(jìn)一步的研究。

從圖4中可以看出，J9-L和J9-R出現(xiàn)峰值的時(shí)間比其他點(diǎn)出現(xiàn)峰值時(shí)刻滯后，經(jīng)分析，這是由于J9-L和J9-R距離基準(zhǔn)點(diǎn)J4較遠(yuǎn)的原因引起。這說(shuō)明，液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)受距離影響，隨著測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間距離變長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)靈敏度會(huì)變下降。

(2)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果與人工監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析

在橋墩上每套液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)下方埋設(shè)二等水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)志，使用Trimble DiNi03精密電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行周期人工沉降觀測(cè)，人工周期沉降監(jiān)測(cè)成果如表1所示。

注：2015/4/21人工沉降監(jiān)測(cè)成果作為首期數(shù)據(jù)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)變化量為0。

表2是人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)成果的對(duì)比分析統(tǒng)計(jì)。從表2中可以看出：兩種監(jiān)測(cè)方法所獲得的變形相對(duì)沉降量均小于1 mm，均值均小于1 mm。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)受外界因素影響，其相對(duì)沉降量較人工監(jiān)測(cè)相對(duì)沉降大，監(jiān)測(cè)成果精度稍微低于人工監(jiān)測(cè)成果精度。但是，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果精度滿足高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)精度要求。因此，本次靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)期高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)工程中的應(yīng)用是可行的。

3結(jié)束語(yǔ)

(1)液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其精度穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)測(cè)量等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，采集、傳輸過(guò)程無(wú)人值守，僅數(shù)據(jù)處理時(shí)需人機(jī)交互作業(yè)，能夠科學(xué)地反應(yīng)運(yùn)營(yíng)期高速鐵路的實(shí)時(shí)“健康”信息，為建設(shè)施工提供指導(dǎo)。

(2)與傳統(tǒng)人工二等水準(zhǔn)周期沉降監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)相比，液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能提供更加豐富的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波處理后，能夠更全面地反應(yīng)高速鐵路的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

(3)從監(jiān)測(cè)成果可以看出：J7-L點(diǎn)自動(dòng)化和人工最終相對(duì)沉降分別為-0.27 mm和-0.25 mm；J7-R點(diǎn)自動(dòng)化和人工最終相對(duì)沉降分別為-0.33 mm和-0.25 mm；J8-L點(diǎn)自動(dòng)化和人工最終相對(duì)沉降分別為-0.39 mm和-0.17 mm；J8-R點(diǎn)自動(dòng)化和人工最終相對(duì)沉降分別為-0.42 mm和-0.22 mm；J9-L點(diǎn)自動(dòng)化和人工最終相對(duì)沉降分別為-0.36 mm和-0.15 mm；J9-R點(diǎn)自動(dòng)化和人工最終相對(duì)沉降分別為-0.43 mm和-0.08 mm。以上數(shù)據(jù)反映出：液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工周期監(jiān)測(cè)成果反映的高速鐵路變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可行。

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中圖分類號(hào)：TU433

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)06-0028-04

作者簡(jiǎn)介：第一楊宏(1991—)，男，在讀碩士研究生。

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT13092);高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室;成都鐵路局成綿樂(lè)客運(yùn)專線運(yùn)行期沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(2015G002-C)；企業(yè)項(xiàng)目(VR01HX1135 Y14005)。

收稿日期：2015-09-06