韓文斌，于永堂，孫 茉，鄭建國(guó)，歐陽(yáng)山

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2. 中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 西安建筑科技大學(xué)交叉創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710055；4. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710021)

我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害較嚴(yán)重的國(guó)家，具有種類(lèi)多、分布廣、頻率高、危害重等特點(diǎn)，每年都因此遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，其中由于地下固體或流體開(kāi)采引起的地面沉降災(zāi)害較為頻發(fā)[1-2]。當(dāng)前對(duì)地質(zhì)體的沉降監(jiān)測(cè)大多重視地表沉降監(jiān)測(cè)而忽視地下沉降監(jiān)測(cè)，實(shí)際上在一些場(chǎng)地，地下深層沉降往往率先發(fā)生，而后才反映在地表沉降。因此僅通過(guò)地表沉降監(jiān)測(cè)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，若要全面反映地質(zhì)體的變形與穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)同時(shí)建立包括地表、地下一體式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從定性分析區(qū)域沉降特征到定量分析土層變形特征的轉(zhuǎn)變[3-5]。

目前，地表沉降監(jiān)測(cè)方法主要有幾何水準(zhǔn)測(cè)量法、全站儀法、合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR)測(cè)量法、靜力水準(zhǔn)測(cè)量法、衛(wèi)星定位測(cè)量法等[6-9]。上述方法中，幾何水準(zhǔn)測(cè)量法、全站儀法觀(guān)測(cè)不連續(xù)、人工臨時(shí)施測(cè)、受天氣影響大，難以及時(shí)分析沉降演化趨勢(shì)和發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患。InSAR測(cè)量法可觀(guān)測(cè)大面積地表變形數(shù)據(jù)，在掌握區(qū)域性場(chǎng)地的變形特征方面具有優(yōu)勢(shì)[10]，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、且受地形和大氣影響大，無(wú)法快速反應(yīng)地面沉降變形情況。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)(Hydrostatic leveling system，HLS)具有觀(guān)測(cè)精度高、自動(dòng)化性能好和實(shí)時(shí)測(cè)量功能強(qiáng)等特點(diǎn)[11]，已廣泛應(yīng)用于大型水利樞紐、高層建筑和高速軌道等工程，但測(cè)量時(shí)需要保證位于基準(zhǔn)點(diǎn)處的儲(chǔ)液罐不發(fā)生沉降或其發(fā)生沉降后可準(zhǔn)確測(cè)量，這樣才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。HLS在大范圍滑坡體、大規(guī)模地下采空區(qū)和大面積沉陷區(qū)等應(yīng)用時(shí)，常會(huì)面臨無(wú)穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生沉降后未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值不準(zhǔn)確等問(wèn)題，該方法以往只用于測(cè)量地表沉降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不良地質(zhì)體的深層沉降監(jiān)測(cè)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)可滿(mǎn)足大規(guī)模、區(qū)域性、危險(xiǎn)地段的沉降監(jiān)測(cè)需求，具有定位快、全天候、自動(dòng)化、連續(xù)性、測(cè)站間無(wú)須通視，適合大區(qū)域布測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[12]?，F(xiàn)有的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱(chēng)BDS)是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，國(guó)家正向各行業(yè)推廣和應(yīng)用[13]。利用BDS系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，需要運(yùn)用合理的數(shù)據(jù)組合策略、誤差改正模型、周跳探測(cè)與修復(fù)方法、參數(shù)估計(jì)方法和模糊度固定策略等數(shù)據(jù)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位[14]，實(shí)現(xiàn)事后處理靜態(tài)測(cè)量毫米級(jí)精度，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分厘米級(jí)精度，廣域雙頻接收機(jī)分米級(jí)精度，當(dāng)采用特殊的觀(guān)測(cè)措施、精密星歷、適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件降噪后，精度可以達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)[15]。目前BDS定位測(cè)量設(shè)備成本仍偏高，在監(jiān)測(cè)密度較高時(shí)，總體造價(jià)較高，限制了其規(guī)?；茝V應(yīng)用。因此，需要探索將BDS定位測(cè)量設(shè)備與其他傳感器組合、同其他觀(guān)測(cè)手段結(jié)合，降低監(jiān)測(cè)成本，以實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用效果。分層沉降標(biāo)法是通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)鉆探不同深度的鉆孔，在孔內(nèi)放入底端帶沉降板的測(cè)桿，測(cè)桿保持垂直，外部加護(hù)管保護(hù)，逐段逐節(jié)引出地面并回填鉆孔與護(hù)管之間的空隙，然后采用水準(zhǔn)儀觀(guān)測(cè)不同深度沉降標(biāo)的測(cè)桿高程變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是與監(jiān)測(cè)地層的結(jié)合性好，沉降傳遞直接可靠，但存在觀(guān)測(cè)工作量大，觀(guān)測(cè)時(shí)效性差、觀(guān)測(cè)頻次低等不足[16]。

本文利用BDS長(zhǎng)距離、全天候、高精度定位，HLS高精度、高頻率監(jiān)測(cè)，以及分層沉降標(biāo)與被測(cè)地層結(jié)合性好、可靠性高的特點(diǎn)，將BDS、HLS、分層沉降標(biāo)相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，研發(fā)了地表與地下一體式沉降監(jiān)測(cè)新方法，并通過(guò)性能測(cè)試、誤差分析，對(duì)該方法的測(cè)量效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。為北斗系統(tǒng)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了一條新思路。

1 測(cè)量原理

本文介紹的基于北斗系統(tǒng)的地表與地下一體式沉降監(jiān)測(cè)新方法的基本原理如圖1所示。在地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)固，地勢(shì)較高，無(wú)物體遮擋、無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)和微波電磁干擾的區(qū)域設(shè)置北斗基準(zhǔn)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置工作基點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)；工作基點(diǎn)處的北斗衛(wèi)星接收機(jī)與靜力水準(zhǔn)儀安裝至同一工作基點(diǎn)樁上，利用北斗衛(wèi)星接收機(jī)觀(guān)測(cè)工作基點(diǎn)處?kù)o力水準(zhǔn)儀(相當(dāng)于原靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的基準(zhǔn)站)的絕對(duì)沉降；監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的靜力水準(zhǔn)儀與地面標(biāo)或分層沉降標(biāo)同軸連接，測(cè)桿將深層沉降引至地面由靜力水準(zhǔn)儀觀(guān)測(cè)；北斗系統(tǒng)與靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)時(shí)間同步后得到工作基點(diǎn)的絕對(duì)沉降量，然后再由式(1)、式(2)計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)沉降，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地面標(biāo)及分層沉降標(biāo)所監(jiān)測(cè)地層的絕對(duì)沉降監(jiān)測(cè)。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的地表與地下一體式沉降監(jiān)測(cè)原理

Hic=Hi+Hig，

(1)

Hig=(hi0-hig)-(hf0-hfg)。

(2)

式中：hi0為初始時(shí)刻HLS第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的儲(chǔ)液罐液位高度(mm)；hig為測(cè)試時(shí)刻HLS第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的儲(chǔ)液罐液位高度(mm)；hf0為初始時(shí)刻HLS工作基點(diǎn)的儲(chǔ)液罐液位高度(mm)；hfg為測(cè)試時(shí)刻HLS工作基點(diǎn)的儲(chǔ)液罐液位高度(mm)；Hic為地面標(biāo)或分層沉降標(biāo)所監(jiān)測(cè)地層的絕對(duì)沉降(mm)；Hi為HLS工作基點(diǎn)的絕對(duì)沉降(mm)；Hig為測(cè)試時(shí)刻HLS第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于工作基點(diǎn)的沉降(mm)。

本沉降監(jiān)測(cè)新方法的實(shí)施方式如下：

1)監(jiān)測(cè)裝置組合與安裝。分層沉降標(biāo)與靜力水準(zhǔn)儀的組合方式見(jiàn)圖1。在基準(zhǔn)點(diǎn)處，將北斗衛(wèi)星接收機(jī)安裝在基準(zhǔn)樁上；在工作基點(diǎn)處，將北斗衛(wèi)星接收機(jī)和靜力水準(zhǔn)儀儲(chǔ)液罐安裝至同一工作基點(diǎn)樁上；在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，將靜力水準(zhǔn)儀的儲(chǔ)液罐與分層沉降標(biāo)的測(cè)桿同軸連接，置于扶正套筒內(nèi)；將工作基點(diǎn)處和監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的靜力水準(zhǔn)儀串聯(lián)，并將各儲(chǔ)液罐采用氣體和液體連通管相互連接。

2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸。BDS基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)處的衛(wèi)星接收機(jī)以3～5 s的采樣頻率持續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)，再由串行端口傳送至基準(zhǔn)點(diǎn)上的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，無(wú)線(xiàn)電臺(tái)將衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)時(shí)接收的衛(wèi)星信號(hào)同步傳送至工作基點(diǎn)處的接收電臺(tái)，電臺(tái)接收基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合工作基點(diǎn)處北斗衛(wèi)星接收機(jī)自身觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算，得到厘米級(jí)的定位結(jié)果，定位結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送至服務(wù)器端。與此同時(shí)，HLS以5～10 min的采樣間隔時(shí)間，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將HLS工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器存儲(chǔ)。

3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析。服務(wù)器根據(jù)BDS所接收的北斗衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)解算高精度定位結(jié)果，求解過(guò)程如下：首先，進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的周跳測(cè)探與修復(fù)，確保算法初始化解算時(shí)使用的載波相位數(shù)據(jù)為無(wú)周跳的數(shù)據(jù)；隨后，建立載波相位雙差觀(guān)測(cè)方程，求解基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)之間基線(xiàn)的雙差整周模糊度候選解；最后，使用ratio檢驗(yàn)法判斷整周模糊度是否可靠，將通過(guò)ratio檢驗(yàn)法的整周模糊度代回方程求解基線(xiàn)矢量，結(jié)合基準(zhǔn)點(diǎn)的已知坐標(biāo)，得到工作基點(diǎn)的高精度坐標(biāo)，完成靜態(tài)相對(duì)定位解算過(guò)程，得到工作基點(diǎn)高精度定位結(jié)果。將BDS和HLS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步處理，得到工作基點(diǎn)的絕對(duì)沉降量，然后再由式(1)、式(2)計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)沉降。

2 性能測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

BDS和HLS的精度測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 精度測(cè)試裝置

本次試驗(yàn)所用的BDS系統(tǒng)為自主集成開(kāi)發(fā)，主要設(shè)備配件包括：①接收機(jī)：采集北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，監(jiān)測(cè)位移和沉降；②北斗天線(xiàn)：用于接收北斗衛(wèi)星信號(hào)；③太陽(yáng)能控制器：控制蓄電池充、放電；④定時(shí)開(kāi)關(guān)：電源開(kāi)關(guān)控制裝置，用于定時(shí)重啟；⑤4G通信模塊：將北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。HLS系統(tǒng)采用長(zhǎng)沙億拓土木工程監(jiān)測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)YT-DG-0310型靜力水準(zhǔn)儀，位移測(cè)量傳感器為電感調(diào)頻式位移計(jì)，適用溫度范圍為-20℃～80℃，儀器量程為100 mm，分辨率為0.01 mm。

試驗(yàn)時(shí)，將BDS的北斗衛(wèi)星接收機(jī)的天線(xiàn)與靜力水準(zhǔn)儀的儲(chǔ)液罐連接成一體，通過(guò)高度游標(biāo)卡尺調(diào)整并測(cè)量靜力水準(zhǔn)儀儲(chǔ)液罐和北斗天線(xiàn)的高度變化。試驗(yàn)所用高度游標(biāo)卡尺量程為200 mm，測(cè)量精度為±0.02 mm，遠(yuǎn)高于BDS和HLS的觀(guān)測(cè)精度。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

鑒于高度游標(biāo)卡尺的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于BDS和HLS，為此假定高度游標(biāo)卡尺的觀(guān)測(cè)值為“真值”，則BDS、HLS的絕對(duì)誤差計(jì)算公式為：

(3)

式中：xi為BDS或HLS的觀(guān)測(cè)值，x′i為高度游標(biāo)卡尺觀(guān)測(cè)值。中誤差是衡量觀(guān)測(cè)精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，亦稱(chēng)“均方根差”。本次利用中誤差對(duì)BDS和HLS的觀(guān)測(cè)精度進(jìn)行直接評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

(4)

2.3 測(cè)試結(jié)果

HLS的觀(guān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果如表1所示，精度測(cè)試曲線(xiàn)如圖3所示。根據(jù)前文給出的絕對(duì)誤差、中誤差計(jì)算公式，得到HLS的絕對(duì)誤差范圍為0.16～0.42 mm，中誤差為0.28 mm。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》[17]中對(duì)變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)高程中誤差的要求，HLS的中誤差滿(mǎn)足二等以上的變形觀(guān)測(cè)要求。

表1 HLS觀(guān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

圖3 HLS精度測(cè)試曲線(xiàn)

BDS有兩種定位方法：當(dāng)需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK)方法，主要用于快速變形或緩慢變形中存在突變的變形體測(cè)量，觀(guān)測(cè)精度為±15 mm+1 ppm；當(dāng)需要進(jìn)行高精度變形監(jiān)測(cè)時(shí)，采用靜態(tài)相對(duì)定位方法，主要用于變形緩慢的長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)，觀(guān)測(cè)精度為毫米級(jí)。實(shí)際工程中，為判斷靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，需要采用高精度的靜態(tài)相對(duì)定位方法觀(guān)測(cè)工作基點(diǎn)的沉降變形情況。當(dāng)衛(wèi)星歷元數(shù)量為14 000組時(shí)，BDS的靜態(tài)相對(duì)定位觀(guān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果如表2所示，精度測(cè)試曲線(xiàn)如圖4所示，BDS靜態(tài)相對(duì)定位的絕對(duì)誤差范圍為0.39～2.74 mm，中誤差為1.57 mm。

表2 BDS觀(guān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

圖4 BDS精度測(cè)試曲線(xiàn)

3 誤差分析

3.1 北斗系統(tǒng)測(cè)量誤差

目前，對(duì)緩變型地面變形采用衛(wèi)星定位監(jiān)測(cè)時(shí)，大多采用載波相位靜態(tài)相對(duì)定位方法，在理想情況下可獲得較高的定位精度，然而受外部環(huán)境和儀器自身?xiàng)l件的限制，往往很多因素會(huì)引起定位誤差，例如：①衛(wèi)星載波相位整周跳變引起的誤差。由于衛(wèi)星信號(hào)暫時(shí)阻擋或受外界干擾，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤的暫時(shí)中斷，發(fā)生載波相位整周跳變(簡(jiǎn)稱(chēng)周跳)，引起后續(xù)一系列載波相位觀(guān)測(cè)值發(fā)生錯(cuò)誤，從而影響高精度定位結(jié)果。②定位數(shù)據(jù)后處理不當(dāng)引起的誤差。北斗監(jiān)測(cè)終端設(shè)備在不同時(shí)段接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量受衛(wèi)星幾何分布、高空大氣誤差和衛(wèi)星歷元數(shù)量等因素的影響，不同時(shí)段的定位結(jié)果時(shí)好時(shí)壞，籠統(tǒng)地采用整個(gè)時(shí)段所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)給出的一個(gè)定位結(jié)果，難以獲得高精度定位結(jié)果。對(duì)上述誤差若不采取一定措施，則無(wú)法得到穩(wěn)定的高精度定位結(jié)果。因此，將北斗系統(tǒng)用于高填方場(chǎng)地地表變形監(jiān)測(cè)時(shí)，需要降低定位誤差，提高定位穩(wěn)定性。在北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)，集成應(yīng)用了一系列消除定位誤差，提高定位精度及穩(wěn)定性的方法[18-19]。首先，采用貫序極限學(xué)習(xí)機(jī)算法，進(jìn)行載波相位周跳探測(cè)與修復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗數(shù)據(jù)的預(yù)處理，保證北斗信號(hào)質(zhì)量；然后，采用載波相位靜態(tài)相對(duì)定位方法，給出某一時(shí)段的高精度定位結(jié)果；最后，采用層次分析法對(duì)不同時(shí)段的定位結(jié)果加以分析，并運(yùn)用分時(shí)段加權(quán)組合定位的后處理方式，進(jìn)一步降低誤差，提高定位精度。

3.2 儲(chǔ)液罐傾斜引起的誤差

靜力水準(zhǔn)儀的浮體與導(dǎo)桿相連，導(dǎo)桿伸入電感式位移計(jì)內(nèi)隨浮體上下自由運(yùn)動(dòng)。當(dāng)儲(chǔ)液罐發(fā)生垂直位移時(shí)，浮體會(huì)帶動(dòng)導(dǎo)桿同步發(fā)生垂直位移。當(dāng)儲(chǔ)液罐傾斜發(fā)生時(shí)，其測(cè)量狀態(tài)如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)液罐傾斜時(shí)的測(cè)量狀態(tài)示意圖

若假定傾斜前后儲(chǔ)液罐內(nèi)的液體體積不變，則因儲(chǔ)液罐傾斜導(dǎo)致的測(cè)量誤差可由下式計(jì)算：

e=H×(secα- 1)。

(5)

式中：e為儲(chǔ)液罐傾斜導(dǎo)致的測(cè)量誤差(mm)；H為儲(chǔ)液罐豎直狀態(tài)時(shí)的液位高度(mm)；α為儲(chǔ)液罐的傾斜角度(°)。例如，若液位高度為200 mm，測(cè)桿傾斜角度為5°，則由儲(chǔ)液罐傾斜引起的傾斜誤差為e=200×(sec 5°- 1)=0.76 mm。

3.3 溫度引起的誤差

1)儀器構(gòu)件溫度變形誤差的影響。若導(dǎo)桿和儲(chǔ)液罐體分別由鋼和鋁合金制成，溫度膨脹系數(shù)分別為α鋼=12.0×10-6/℃、α鋁=23.6×10-6/℃，兩者的溫度膨脹系數(shù)相差較大，當(dāng)桿長(zhǎng)為0.2 m，溫差為10℃時(shí)，產(chǎn)生溫度變形差為l(α鋁-α鋼)Δt=0.023 2 mm。為減少該誤差影響，儀器應(yīng)采用膨脹系數(shù)相近的材料制成，以減小該項(xiàng)誤差的影響。

2)液體溫差的影響。儲(chǔ)液罐內(nèi)的液體存在一定的體膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度變化時(shí)，必將引起液面高度的變化，若這個(gè)變化是均勻的，采用自動(dòng)化觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)時(shí)間基本一致，此時(shí)誤差可以忽略，而對(duì)于儲(chǔ)液罐體之間的溫度差異的影響，則可在每個(gè)儲(chǔ)液罐體中安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)地測(cè)量?jī)?chǔ)液罐體的溫度，并和測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)采集。對(duì)于液體連通管中液體溫度梯度的影響，只要在安裝系統(tǒng)時(shí)保證水管的垂直高差足夠小，就可以忽略。若此變化是由于個(gè)別連通管局部受熱或遇冷引起的，那么液面將會(huì)出現(xiàn)不均勻變化的現(xiàn)象，影響觀(guān)測(cè)精度。此時(shí)，可在測(cè)量各容器液體的溫度后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。例如，當(dāng)儲(chǔ)液罐內(nèi)液體為水時(shí)，不同溫度下水的密度為：

ρT=ρ0[1-βw(T-T0)]。

(6)

式中：ρT表示溫度為T(mén)時(shí)水的密度(g/cm3)；T表示水的溫度(℃)；T0表示水的初始溫度(℃)；ρ0表示初始溫度T0時(shí)水的密度值，當(dāng)溫度為T(mén)0= 0 ℃時(shí)，ρ0=1.0 g/cm3；βw表示水的體膨脹系數(shù)，βw=2.2×10-3/°C。當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，儲(chǔ)液罐內(nèi)水柱高度為h20，水的密度為ρ20，由于溫度變化導(dǎo)致水的密度變?yōu)棣裈，此時(shí)引起的液面高度變化值為：

Δh=h20(ρ20-ρT)/ρT。

(7)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證本方法的實(shí)際應(yīng)用效果，本次在大面積黃土高填方場(chǎng)地內(nèi)采用本新方法進(jìn)行了分層沉降監(jiān)測(cè)，并與傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。本次共設(shè)置了88.4 m、66.1 m、1.0 m三種不同深度的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在溝谷填方區(qū)的中心位置，現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果顯示，試驗(yàn)點(diǎn)處的原場(chǎng)地上部土層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，下部為侏羅紀(jì)砂、泥巖；填筑體所用填充劑為全新世上、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土及殘積古土壤，其中黃土以粉土為主，古土壤以粉質(zhì)黏土為主。分層沉降標(biāo)的沉降板為直徑120 mm、厚度10 mm的鋼板，測(cè)桿為直徑32 mm的鍍鋅鋼管，采用直徑150 mm的鉆孔埋設(shè)，采用本新方法和水準(zhǔn)測(cè)量方法同時(shí)觀(guān)測(cè)各分層沉降標(biāo)測(cè)桿的沉降變形。兩種沉降監(jiān)測(cè)方法的沉降觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)如圖6所示，兩種觀(guān)測(cè)方法觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)的發(fā)展規(guī)律一致，相同觀(guān)測(cè)時(shí)刻的沉降量差異未超過(guò)2.0 mm，但新方法可以自動(dòng)連續(xù)觀(guān)測(cè)，在觀(guān)測(cè)頻率、時(shí)效性方面遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法。

圖6 兩種監(jiān)測(cè)方法的沉降觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)論與討論

1)本監(jiān)測(cè)方法集合了BDS長(zhǎng)距離、全天候、高精度定位，HLS高精度、高頻率監(jiān)測(cè)，以及分層沉降標(biāo)與被測(cè)地層結(jié)合性好、可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了地表和地下沉降的一體式監(jiān)測(cè)。

2)本監(jiān)測(cè)方法通過(guò)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)定靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)工作基點(diǎn)的高程變化，解決了大面積場(chǎng)地沉降監(jiān)測(cè)中面臨的工作基點(diǎn)校測(cè)問(wèn)題，保證了觀(guān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

3)本監(jiān)測(cè)方法的測(cè)量誤差來(lái)源于北斗系統(tǒng)誤差、儲(chǔ)液罐傾斜誤差、溫度變形誤差等，通過(guò)采用貫序極限學(xué)習(xí)機(jī)算法、分時(shí)段加權(quán)組合定位算法、幾何修正法、溫度修正法等，可降低綜合觀(guān)測(cè)誤差。

4)本監(jiān)測(cè)方法在某黃土高填方場(chǎng)地的沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用結(jié)果表明，在相同觀(guān)測(cè)時(shí)刻，與傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量值之差未超過(guò)2.0 mm，未來(lái)可推廣用于采空塌陷區(qū)、大面積沉降區(qū)等的沉降監(jiān)測(cè)。