压差式静力水准仪技术详解

压差式静力水准仪是一种基于连通器原理的精密测量仪器，广泛应用于轨道交通、地铁、隧道、高速公路、桥墩、核电站、大坝及高层建筑等领域的沉降监测。本文将详细介绍压差式静力水准仪的设备原理、安装方法以及注意事项，以期为相关领域的专业人员提供参考。

一、设备原理
压差式静力水准仪通过测量若干个相互联通的安装于被测量点的储液罐液面高度与测量基点（不动点）液罐液面高度的相对变化，反推出各个测点位置相对基准点的沉降变化量。其工作原理基于连通器原理，即在同一水平面上的连通液体，其液面高度是相同的。

连通器原理
连通器原理是物理学中的一个基本原理，指的是在同一水平面上的连通液体，其液面高度是相同的。当液体在连通器中流动时，由于重力作用，液面会趋于同一水平面。

测量原理
压差式静力水准仪通过测量各个测点储液罐液面高度与基准点储液罐液面高度的相对变化，计算出各个测点的沉降变化量。当某个测点发生沉降时，其储液罐的液面高度会发生变化，通过测量这一变化量，可以推算出沉降量。

系统组成
压差式静力水准系统包含压差式静力水准仪、储液罐、底板、管接头、干燥管、通气管、通液管、接长管接头、生胶带等组件。这些组件共同构成了一个完整的沉降监测系统。

二、安装方法
压差式静力水准仪的安装过程需要严格按照规范进行，以确保系统的准确性和稳定性。以下是详细的安装步骤：

开箱检查
打开包装后，先收集文件资料，再清点数量，分类摆放便于安装。安装附件分为测墩安装附件和墙面安装附件两类，出厂配货是根据用户要求选配，开箱时请检查核对是否有误。

预埋底板组件
预埋底板组件包括钢底板和三根不锈钢螺杆。此组件应在建立静力水准测点仪器墩时埋入仪器墩的混凝土中。预埋底板面与仪器墩混凝土面平，插入预埋底板组件后用水平尺找平，保持三根定位螺杆与仪器墩面垂直。

如果有些场合不便或不需要建混凝土仪器墩（如廊道内墙上安装），可以采用角钢制作的悬臂式三角支架与被测点位刚性耦合。

安装静力水准仪
根据测点分布图，将静力水准仪安装固定在被测的结构物上。常用的安装固定方式有以下两种：

支架通过强力胶粘在测点位置：等待完全干固后，通过M4的螺丝把水准仪安装在支架上。
支架通过膨胀螺丝固定在测点位置：通过M4螺孔，把水准仪安装在支架上。有些型号的静力水准仪上自带螺丝孔，也可以直接把水准仪通过螺丝直接固定在结构物上。
连接管道
采用PU管将各个静力水准仪串联起来，并连接到储液罐。为最大限度的利用量程，静力水准仪的安装位置尽量保持在同一个水平面，且低于储液罐，储液罐位置一般处于基准点水准仪的上方二十公分左右。

连通管为透明PU软管，按各水准仪之间的管线路径顺序铺放，理顺并拉直，再将各静力水准仪连接，中间尽量不要让管路过于曲折，固定时要防止损伤管道，保证水能顺畅流动。

通气系统
通气的作用是使所有测点的气压保持一致，整个气压平衡系统应相互连通并仅在一端（两端选其一）与大气相通。静力水准系统一端储液罐的气管采用三通与干燥管连接，另一端用直角弯通连接。

加液与排气
加液前应用酒精浸泡、清洗液位管和储液罐。把首尾两端静力水准仪的气口打开，将其形成高低差。加液时应注意缓慢加入，不间断，压力足够大。不断观察系统内的液位高度，当液位达到储液罐标线时停止充液。

本静力水准仪自带排气阀，当液位管里出现气泡时，可摁住排气阀，将气泡排出。

线路保护
管线用开口的保温管包裹住所有裸露在地面的PU管，然后用警示胶带缠绕密封布于管槽内或是埋入土内。PU管接头与保护罩连接好，仪器盖上保护罩。具体保护措施应根据项目现场环境而定。

三、注意事项
在安装和使用压差式静力水准仪时，需要注意以下几点，以确保系统的准确性和稳定性：

选定基准点位置
基准点需安装在被测结构物周边结构稳定的位置。以储液罐的液面为准，基准点和各测点的水平位置不得低于静力水准仪的最大量程。

管道长度与布局
管道长度：如果管道过长，水流在管道内流动的阻力较大，需要较长时间液位才能平稳，因此测量的时间周期较长。一般来说，每个静力水准测量系统的管道长度不宜超过300米，且线路尽量平直，非要拐弯的地方，适用较大的转弯角度，尽量减少水头损失。
管道布局：按各水准仪之间的管线路径顺序铺放连通管，理顺并拉直，再将各静力水准仪连接，中间尽量不要让管路过于曲折，固定时要防止损伤管道，保证水能顺畅流动。
保温措施
静力水准仪一般使用水来做介质，管道较长时，管道中的水温受环境影响较大，温度的变化会导致水的密度的变化，产生对流，导致测量误差增大。因此在户外使用时，需要使用保温材料对管道及传感器进行保温，防止温差过大。保温材料选择常见的冬季自来水管防冻保温泡沫管即可。如果是压差式的静力水准仪，可以使用保护水表的泡沫保温套进行包裹保护。

液体选择
纯净水：静力水准仪一般使用纯净水来做介质，若无条件可选择静置后的自来水。
防冻液：考虑到低温环境，液体可以以1:1比例加入防冻液，防止液体低温结冻。防冻液还可以起到避免水中微生物滋长的作用。防冻液可使用汽车水箱的防冻液，选择有色的防冻液，可直观看到管道中是否有气泡。
水箱的使用
无论是否使用气管来联通水箱，都必须让水箱与大气相通，否则水箱内的水不能自由流动，会导致数据误差。联通大气的水箱内的水容易蒸发，可以在水面上滴上数滴硅油，隔绝水与空气的接触，可防止水分蒸发。硅油可使用液态机油，或普通的矿物润滑油即可。

加水与排气
加水：加水时应避免水流入气管，气管的起点和终点位置需要做好防雨保护措施。
排气：当液位管里出现气泡时，需及时排出，以确保测量准确性。
系统检查与维护
系统连接：系统连接完毕后，先检查线缆的供电和通讯是否正常，线路正常后再给系统上电。
监测期间：需要定期排查储液罐内的液位、是否有漏水、人为破坏等影响系统正常运行的因素。
保护措施：被测结构物周边有施工时，静力水准仪需加保护罩，并做一些警示标志。
故障排查
系统供电：当整套系统中各测点都没有数据时，应先排查系统供电和网关内流量卡的流量。
水准仪检查：如果是个别测点的水准仪没数据时，可先直接排查该测点的静力水准仪是否完好。
四、应用领域
压差式静力水准仪以其高精度和长期稳定性，在多个领域得到了广泛应用：

轨道交通：用于路基沉降监测，确保轨道的平稳和安全。
地铁：用于支撑墙沉降监测，保障地铁结构的稳定性。
隧道：用于隧道上部山体及建筑物的沉降监测，预防地质灾害。
高速公路：用于路基、边坡沉降检测，确保道路的安全和畅通。
桥墩：用于桥墩沉降检测，保障桥梁结构的稳定性。
核电站：用于核电站的沉降监测，确保核设施的安全运行。
大坝及水利枢纽：用于大坝及水利枢纽的沉降监测，预防溃坝等灾害。
高层建筑：用于高层建筑的基础沉降监测，确保建筑物的安全。
五、总结
压差式静力水准仪是一种基于连通器原理的精密测量仪器，通过测量储液罐液面高度的相对变化，反推出各个测点位置相对基准点的沉降变化量。其安装过程需要严格按照规范进行，以确保系统的准确性和稳定性。在使用过程中，需要注意管道长度与布局、保温措施、液体选择、水箱的使用、加水与排气、系统检查与维护以及故障排查等方面的问题。压差式静力水准仪以其高精度和长期稳定性，在轨道交通、地铁、隧道、高速公路、桥墩、核电站、大坝及高层建筑等领域得到了广泛应用，为保障工程结构的安全和稳定发挥了重要作用。