1.广东省工程勘察院 广东省广州市 510520；
2.广东省工程勘察院 广东省广州市 510520
摘要：自动化监测技术日臻成熟，本文针对基坑水位自动化监测问题，进行相应实验，分析总结出外界条件对水位监测精度的影响规律，并提出一些切实可行的解决方法，对提高水位自动化变形监测测量成果的精度具有一定的实用价值。
关键词：渗压计；自动化监测
Research on Application of Automatic Monitoring of Water Level in Foundation ditch
ZHUANG Bingjie，YU Qinhe
一、引言
随着城市建设的发展，基坑也向着大深度发展，基坑周边环境也更加复杂，面临的地下水位问题也越来越严重，据不完全统计，基坑事故中，75%是由于地下水引发的，地下水位监测是深基坑监测中不可缺少的重要内容。目前深基坑监测指导性文件相对滞后，导致监测工作不能完全满足现代超大型基坑的要求，人工监测的缺点也是显而易见，如周期长而不能实时反映实际工况；恶劣天气最需要及时监测但人工监测工作却不具备条件。而此同时，水位自动化监测技术日趋成熟，并取得良好效果。
用于基坑自动化监测的水位传感器主要为渗压计，根据输出信号的不同，渗压计可以分为振弦式、差动电阻式、光纤式等不同种类。本文主要研究振弦式渗压计在水位自动化监测中的应用。
二、渗压计原理及计算公式
1.振弦式渗压计原理
振弦式渗压计由透水板、感应膜、密封壳体，信号传输电缆、振弦及激振电磁圈等组成。当被测水压荷载作用在渗压计上，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力变化，从而改变振弦的震动频率。电磁线圈激振振弦并测量其震动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值，同时可同步测出埋设点的温度值。
2.地下水位计算公式
当外界温度恒定，渗压计仅受到渗透水压力时，其压力值P与输出的频率模数△F具有如下线性关系：
P=k△F（1）
△F=F0-F（2）
式中：
k-渗压计测量压力值的最小度数，单位kPa/F；
△F-渗压计基准值相对实时测量值的变化量，单位为F；
F-渗压计的实时测量值，单位为F；
F0-渗压计的基准值，单位为F。
在标准大气压下，1m水柱≈9.8kPa，由公式（1）（2），求得：
根据公式（3）即可求得测量水位，该公式也是目前广州地区水位监测的主要计算公式。但是，在实际的水位自动化监测应用过程中，利用以上计算公式得出的测量水位与人工钢尺水位计的测量水位存在较大偏差。为系统研究渗压计在实际工程应用中的精度问题，对其进行理论分析和试验。
三、渗压计误差来源分析
为了分析渗压计应用时的主要误差来源，进行室内人工试验，试验使用的是国内知名厂家的振弦式渗压计，渗压计在室内率定时，表现出了很好的线性和重复性，性能可靠。
在室内安装8根2米长，直径80mm的透明管，管的外侧标有刻度线（管口为0刻度，管底为2米刻度），可以直接读取水位深度。将8个渗压计分别放入管内，测量点深度均为1.8米，测得初始模数F0，再往管内注入清水到刻度0.8米，静置1小时后，由自动化采集模块测得稳定的测试模数Fi，代入公式（3），通过计算，得出表1结果。
由表1可以看出，水位差值最大为-0.36m，最小为-0.07m，误差大大超出了传感器的标称精度，更是超出了规范要求的测量精度0.01m约30倍之多，平均差值为-0.185m。根据渗压计测的温度，采集初始模数时的室内温度约为22℃，采集测试模数时的温度约为19℃，温差约为3℃。所以，考虑误差受温度影响。
当作用在渗压计上的水压力恒定时，温度增加△T，此时渗压计有1个输出量△F′，这个输出量是由温度变化造成的，在实际计算是应给予扣除，实验可知△F′与△T具有如下线性关系：
k△F′=-b△T（4）
式中：b-渗压计的温度修正系数（kPa/℃）
根据公式（3）（4），求得：
（5）
渗压计的温度修正系数约为0.7 kPa/℃，修正值约为0.214m。将每个渗压计出厂时的温度修正系数代入公式（5），通过计算，得出表2修正后结果。
添加温度修正后的水位差值最大为0.15m，最小为-0.01m，平均差值为0.023m，由此可见温度对测量精度的影响较大，利用公式（3）进行水位计算存在明显缺陷，建议采用公式（5）做为水位自动化监测的计算公式。
由表2可以看出，修正后的水位差值呈随机跳动的特征，无明显规律，且最大的达到0.15m，不容忽视。这部分误差有可能是渗压计的应用环境与标定时的实验室环境不同引起的，也有可能是标定的系数不精确和传感器本身的精度引起的。
为了确定引起该部分误差的主要原因，将两个差值最大的和最小的传感器（编号3、5、7、8）进行同样的升降水试验，以当前0.8m水位深度测得的模数作为基准模数F0，每次固定加入0.2m高的水量（水位深度从0.8米升高至0米），再每次固定抽取掉0.2m高的水量（水位深度从0米降至1.6m），并分别测得每次的测试模数Fi，且测试过程水温基本不变。通过公式
（6）计算水位的变化高度，得出表3结果。
由表3可以看出，水位变化差值主要集中在-0.03m～0.03m之间，与渗压计的标称精度接近（量程250kPa，标称精度为0.1%F·S，约在0.025m以内），远远小于表2的最大水位差值0.15m，且水位变化越大，差值越大，呈明显规律。因此，由公式（5）计算出来的水位误差主要是由应用环境不同所引起（如：温度、湿度、气压等）。
根据以上试验结果，在水位自动化监测实际应用中，可以结合人工测量初始水位深度，对公式（5）进行优化，提高水位监测的精度，计算公式如下：
四、工程应用实例
为进一步验证上述计算结果的可行性，将公式（6）的水位深度计算方式应用于工程实际。工程位于佛山市禅城区，基坑开挖深度为13.0m，设三层地下室，基坑侧壁安全等级为一级。基坑北侧靠近汾江，基坑顶边线距离汾江约31.0米。选择4个水位孔埋设振弦式渗压计，为了防止管内气压对渗压计的影响，在水位管侧壁留有通气孔，保持管内气压与外部大气压接近，用自动化采集模块进行数据采集，同时人工用钢尺水位计测量水位作为实际水位，进行长期的比对。初始值的采集时间是在上午10点，比测结果具有如下规律：
1）两个渗压计的误差变化类似，具有同步性；
2）气温上升时，渗压计计算水位低于实际水位，气温下降时，渗压计计算水位高于实际水位，与气温影响气压的规律类似；每天变化幅度主要处于-0.03m～0.03m之间，说明是地下水位管内温度小幅度变化导致管内气压变化所引起的，管内气压变化是主要误差源；
3）长时间监测，随着时间的推移，渗压计计算水位与实际水位差值增大，但无明显规律，差值最大有时可达到0.3m，这主要是气候的影响导致的。气候变化引起大气压的变化是由高气压、低气压系统的移动和发展而引起的气压的非周期变化。
五、结论与建议
综上所述，在工程的实际应用中，可以通过采取以下措施，提高水位自动化监测的精度：
1）应用本文公式（6）的作为水位自动化监测的计算公式，减小应用环境的突变，如环境温度、湿度、气压等对渗压计读数的影响；
2）渗压计的埋设，应在水位管上预留适当大小的通气口，消除管内局部气压的影响，特别是在夏天日照强度较大的情况下，应采取遮阳措施，避免阳光直射管顶造成管内温度和气压的大幅变化，保持管内环境的相对稳定；
3）自动化监测不能完全取代人工监测，建议每隔半个月或者1个月，人工用钢尺水位计测量水位，对自动化监测数据进行修正，降低季节性气候变化引起的大气压变化对监测数据的影响。
参考文献：
[1]建筑基坑工程监测技术规范.中华人民共和国国家标准GB50497-2009[S].北京：中国计划出版社，2009：16-18.
[2]工程测量规范.中华人民共和国国家标准GB50026-2007[S].北京：中国计划出版社，2008：104-109.
[3]李刚，宋先海.渗压计在渗流监测中的误差分析及对策，2010：59-62.
论文作者:庄炳杰1,余钦河2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/23
标签：水位论文; 基坑论文; 测量论文; 差值论文; 温度论文; 公式论文; 气压论文; 《基层建设》2018年第15期论文;