北京地面沉降Js型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)量程調(diào)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(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2. 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

北京地面沉降Js型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)量程調(diào)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(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2. 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

本文介紹了Js型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成。在多年監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)在地面沉降監(jiān)測中量程的調(diào)節(jié)量、調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)量程調(diào)節(jié)后的修正值添加原理、時(shí)機(jī)選擇和方法進(jìn)行了探討。

JS型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)；量程調(diào)節(jié)；修正值添加

在國內(nèi)外的地面沉降監(jiān)測中，分層標(biāo)監(jiān)測大多作為一種重要方法。JS型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛采用，使分層標(biāo)監(jiān)測變得簡便、精確可靠。JS型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在相同環(huán)境條件下，連通容器內(nèi)液體液面保持同一水平面的連通管原理，多個(gè)測點(diǎn)連通，由Js型靜力水準(zhǔn)儀檢測各個(gè)測點(diǎn)容器中的液位變化和各個(gè)測點(diǎn)的垂直位移變化。這種測量方法，在北京市多個(gè)地面沉降監(jiān)測站分層標(biāo) 基巖標(biāo)監(jiān)測中使用，取得了非常好的監(jiān)測效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

北京地面沉降Js型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)由測點(diǎn)、測量控制單元（MCU）、功控機(jī)（監(jiān)測軟件，自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端軟件）、通訊控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。監(jiān)測軟件和通訊控制軟件之間采用INTERNET聯(lián)結(jié)，以保證監(jiān)測人員隨時(shí)隨地讀取和下載監(jiān)測數(shù)據(jù)。

每臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀為一個(gè)測點(diǎn)，均配有一個(gè)獨(dú)立的編碼地址，MCU依靠編碼地址對(duì)各臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行識(shí)別。系統(tǒng)采用了工業(yè)控制測量中廣泛應(yīng)用的主從分布式結(jié)構(gòu)，由一臺(tái)測量控制單元(MCU)在現(xiàn)場對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行測量、存儲(chǔ)觀測數(shù)據(jù)，功控機(jī)中監(jiān)測軟件從MCU獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成文本格式存儲(chǔ)在功控機(jī)硬盤上，通訊控制軟件通過INTERNET在任何一個(gè)有網(wǎng)絡(luò)的地方從功控機(jī)中讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)（密碼保護(hù)），然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行計(jì)算和分析。監(jiān)測系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 Js型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 量程調(diào)節(jié)

北京地面沉降JS型靜力水準(zhǔn)儀量程為50mm，而在分層標(biāo)布設(shè)的地區(qū)地面沉降速率都較大，各地層對(duì)沉降的貢獻(xiàn)差異也比較大。根據(jù)連通器原理，這個(gè)貢獻(xiàn)差直接反映到分層標(biāo)原始值的變化上，沉降量相對(duì)較小的地層分層標(biāo)原始值增加快，容易接近量程值。通常情況下，基巖標(biāo)原始值率先接近量程值。目前，北京各地面沉降監(jiān)測站每年進(jìn)行量程調(diào)節(jié)2～3次。

在北京地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站正常運(yùn)行期間，監(jiān)測人員每天都對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算和存儲(chǔ)，每周對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一次集中檢查，填寫 監(jiān)測數(shù)據(jù)檢查表 。其中，監(jiān)測原始數(shù)據(jù)是否超過量程是數(shù)據(jù)檢查中最重要的內(nèi)容之一，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過40mm，馬上安排量程調(diào)節(jié)。

（1）調(diào)節(jié)量和調(diào)節(jié)方向的確定

量程調(diào)節(jié)前，首先用監(jiān)測軟件 在線測量 工具測量出調(diào)節(jié)前各標(biāo)原始值，分析各標(biāo)原始數(shù)據(jù)的具體情況，以算術(shù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)比較各標(biāo)原始值偏離程度，計(jì)算調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)量。例如，甲監(jiān)測站設(shè)分層標(biāo)5座（編號(hào)分別為：F1、F2、F3、F4、F5），在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，監(jiān)測原始值分別為：40mm、18mm、30mm、23mm和27mm，算術(shù)平均值為27.6mm，各標(biāo)相對(duì)于算術(shù)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(diào)節(jié)量 ，其中負(fù)值表示需要向下調(diào)，正值表示上調(diào)。詳見表1。

表1 某時(shí)點(diǎn)甲監(jiān)測站分層標(biāo)原始值表

(2)調(diào)節(jié)方法

關(guān)閉電源，用水準(zhǔn)儀測量出各監(jiān)測點(diǎn)（分層標(biāo)和基巖標(biāo)頂）容器托盤下螺帽距離地面的高度，根據(jù)(1)計(jì)算出的調(diào)節(jié)值上下擰動(dòng)螺帽，調(diào)節(jié)到合適高度后，將3個(gè)螺帽調(diào)平。在調(diào)平容器托盤的過程中，可以將羅盤放置在容器帽上，邊調(diào)邊觀察羅盤氣泡，氣泡居中即可。

當(dāng)所有的分層標(biāo)均按上述步驟調(diào)節(jié)好后，開啟電源，等待10分鐘后再次進(jìn)行 在線測量 。觀察測量值，若測量值均接近27.6mm，量程調(diào)節(jié)結(jié)束。若某測量值偏離27.6mm太遠(yuǎn)，分析原因，重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到測量值均接近平均值27.6mm為止。

(3)注意事項(xiàng)

量程調(diào)節(jié)時(shí)，三個(gè)螺帽的調(diào)節(jié)應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，避免容器傾斜過大而導(dǎo)致浮子桿被卡住；盡量避免大幅度擺動(dòng)容器連接的液管和氣管，避免連接管脫落而漏液進(jìn)氣。

3 修正值添加

量程調(diào)節(jié)完成后，必須添加修正值。修正值填加在數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行。

(1)修正值添加原理

量程調(diào)節(jié)后，容器中的液面將重新形成一個(gè)水平面，其后的分層標(biāo)沉降數(shù)據(jù)將以這個(gè)新的水平面為計(jì)算基準(zhǔn)。但是，地面沉降是持續(xù)發(fā)展的，與量程調(diào)節(jié)沒有關(guān)系。所以，量程調(diào)節(jié)前后兩個(gè)水平面必須重合。將這兩個(gè)水平面重合的方法即為 修正值添加 ，在數(shù)學(xué)意義上則為在監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算前賦予計(jì)算公式一個(gè)修正值參數(shù)，讓公式計(jì)算出的量程調(diào)節(jié)前后的監(jiān)測成果數(shù)據(jù)相等。假設(shè)某分層標(biāo)編號(hào)為F1，對(duì)應(yīng)的基巖標(biāo)編號(hào)為J1，則分層標(biāo)計(jì)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(biāo)F1的成果值、初始值和原始值；Modify(F1)即為F1標(biāo)修正值；YSZ(J1)和Modify(J1)則分別表示對(duì)應(yīng)基巖標(biāo)J1的原始值和修正值。

(2)添加修正值時(shí)機(jī)的選擇

通常情況下，工作人員會(huì)認(rèn)為：量程調(diào)節(jié)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(shí)，往往在調(diào)節(jié)前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)（一般都大于10分鐘）上直接添加修正值。

但是，筆者通過長時(shí)間對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：容器中的液面在量程調(diào)節(jié)后重新平衡的時(shí)間實(shí)際上常常達(dá)到數(shù)小時(shí)，甚至更久，具體時(shí)間與容器中液體的粘稠程度和一個(gè)監(jiān)測站中液體實(shí)際可流動(dòng)的距離密切相關(guān)。

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

確定最佳時(shí)間的步驟：

①繪制量程調(diào)節(jié)前后各標(biāo)在一定時(shí)間內(nèi)（時(shí)間長短根據(jù)具體情況而定）沉降曲線；

②對(duì)比調(diào)節(jié)前后各標(biāo)沉降曲線斜率。

③找出量程調(diào)節(jié)后各標(biāo)與調(diào)節(jié)前沉降趨勢一致的曲線起點(diǎn)(曲線斜率大致相同點(diǎn))；

這一點(diǎn)便可視為液面重新平衡的時(shí)間點(diǎn)，一般可直接作為添加修正值的最佳時(shí)點(diǎn)。但是，如果液面平衡所需的時(shí)間較長，加之地面沉降在這段時(shí)間的沉降速率較大，則必須考慮液面平衡時(shí)間范圍內(nèi)的地面沉降量，可根據(jù)沉降趨勢對(duì)這一時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

如圖2所示，首先繪制監(jiān)測站內(nèi)各標(biāo)量程調(diào)節(jié)前后沉降曲線。然后對(duì)比曲線斜率，找出液面重新平衡的時(shí)間點(diǎn)。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：各標(biāo)沉降曲線回歸到量程調(diào)節(jié)前的時(shí)間不同，沉降量大的分層標(biāo)所需時(shí)間少，而沉降量小的所需時(shí)間多。如圖3所示，調(diào)標(biāo)時(shí)間統(tǒng)一發(fā)生在第二個(gè)11:00至12:00之間，沉降量大的F4于15:00左右平衡，所需時(shí)間不到4小時(shí)；沉降量小的F1于19:00左右平衡，所需時(shí)間超過7小時(shí)。選擇該監(jiān)測站中最大時(shí)間點(diǎn)為修正值添加點(diǎn)，即在第二個(gè)11:00和第二個(gè)19:00上添加修正值，該站量程調(diào)節(jié)后添加修正值的最佳時(shí)間為調(diào)節(jié)8小時(shí)后。

圖2 某監(jiān)測站量程調(diào)節(jié)前后沉降曲線

圖3 量程調(diào)節(jié)后沉降曲線恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)示意圖（圖中雙圈為恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)）

(3)添加方法

利用軟件或其他數(shù)學(xué)方法添加修正值，以下介紹北京地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的修正值添加方法。首先刪除數(shù)據(jù)庫中12:00～18:00的原始值和成果值，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（見圖4）；選擇 錄入初始值或修正值 ，進(jìn)入到圖5界面；選擇 輸入測點(diǎn)修正值 ，錄入 調(diào)整前日期、時(shí)間 和 調(diào)整后日期、時(shí)間后點(diǎn)擊 錄入 按扭即可。添加完成后，重新計(jì)算監(jiān)測數(shù)據(jù)，便能得到新的沉降曲線（見圖6）。

圖4 北京地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)修正值添加界面

圖5 北京地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(jié)

由于JS型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并能夠勝任連續(xù)監(jiān)測的需要，所以該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于地面沉降分層標(biāo) 基巖標(biāo)監(jiān)測中。北京市地面沉降監(jiān)測研究中心于2002年 地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)一期工程 項(xiàng)目開始使用JS型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，截止目前，已經(jīng)使用了8年。在長期使用中我們發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，操作簡便，監(jiān)測精度達(dá)到要求，調(diào)試完成后自動(dòng)運(yùn)行，基本上只有在監(jiān)測數(shù)據(jù)接近量程值時(shí)需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后添加修正值。量程調(diào)節(jié)和修正值添加作為人工干預(yù)該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)引起監(jiān)測人員的高度重視。尤其考慮到地面沉降具有累進(jìn)性的特點(diǎn)，任何一次在 量程調(diào)節(jié)和修正值添加 過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作均會(huì)造成測量偏差的累加，給地面沉降監(jiān)測帶來不可挽回的錯(cuò)誤。

[1] 賈三滿等．北京市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)（一期）工程竣工報(bào)告.

[2] 蔣林根等．活動(dòng)斷裂帶區(qū)內(nèi)建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測．災(zāi)害學(xué)，第18卷第4期.

[3] 何慶成、葉曉濱.2006年 DD2006-02 中國地質(zhì)調(diào)查局《地面沉降監(jiān)測技術(shù)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(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)，主要從事地面沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與研究。E-mail：luoyonghl@126.com.