地面倾斜测量

倾斜测量有相对于水平面的倾斜测量和相对于垂直面的倾斜测量两类。本节介绍相对于水平面的地面倾斜和建筑物基础倾斜测量。相对于水平面的倾斜可通过测定两点间的相对沉陷的方法来确定，如用水准测量方法、液体静力测量方法和倾斜仪测量方法测定。

一、水准测量方法

该方法的原理是用水准仪测出两个观测点之间的相对沉陷，由相对沉陷与两点间距离之比计算出两点间的平均倾斜值。例如，测出A、 B两点的沉陷值分别为WA、 WB， A、 B两点间的距离为LAB，则其平均倾斜值为

二、倾斜仪测量方法

倾斜仪的应用范围很广泛，如用倾斜仪监测地面、建（构）筑物基础的倾斜，以及用于斜坡稳定性研究和水库大坝监测等。常见的倾斜仪有气泡式倾斜仪和电子倾斜仪。

（一）气泡式倾斜仪

气泡式倾斜仪由一个高灵敏度的气泡水准管e和一套精密测微器组件构成。如图16-10所示，q为测微杆，h为读数盘，k为指标。气泡式水准管e固定在支架上，支架a可绕c点转动，支架a下装有弹簧片d，在底板b下装有置放装置m， s为测微杆连接器，s与底板b紧固在一起。通过m将倾斜仪安置在需要测量的位置上以后，转动读数盘h，使测微杆q上下移动，压动支架a，使气泡水准管e的气泡居中。此时在读数盘上读出初始读数h0；若基础发生倾斜变形，仪器气泡会发生偏移；为求取倾斜值需重新转动读数盘h使气泡居中，读出读数hj， j=1， 2， 3， …， n，n为观测周期数；将初始读数h0与周期读数hj相减，即可求得倾斜值。

图16-10 气泡式倾斜仪的结构

图16-11 电子倾斜仪的结构

（二）电子倾斜仪

电子倾斜仪可以实现倾斜观测的自动化，如图16-11所示，电子倾斜仪是在普通玻璃管水准器（内装酒精和乙醚的混合液，并留有空气泡）的上、下面装有3个电极，形成差动电容器的一种装置，包括此电容器的差动桥式电路。电子倾斜仪的工作原理：当玻璃管水准器倾斜时，气泡向一旁偏移了量x，使电容的介电常数发生变化，引起电桥两臂阻抗发生变化，因而使桥接电路失去平衡，其变化被测量装置及时记录下来。

电子倾斜仪可固定安置在建筑物和设备的适当位置上，能自动、连续地进行倾斜观测，因而适用于动态变化观测。测量范围为200″的电子倾斜仪，测定倾斜角值的中误差可达±0.2″以内。

三、液体静力水准测量

（一）液体静力水准测量的基本原理

如图16-12，相联结的两容器1、 2分别安置在欲测的平面A与B上。当两个容器中装有同类均匀液体时，两液面将处在同一水平面上。高差Δh可用液面的高度H1与H2求得：

图16-12 液体静力水准测量的原理

式中，a1、 a2分别为容器1、2的高度或读数零点相对于欲测平面A、 B的高度；b1、 b2分别为容器1、 2中液面位置的读数值。

由于容器的零点具有制造误差，所以由直接读取的液面读数算得的高差不是两平面的绝对高差。将两容器互换位置，则有

联合解算式（16-4）与式（16-5），得

两个液体静力容器的读数零点的差数称为仪器常数c，它取决于制造误差。

液体静力水准仪是用其观测头来测量的，观测头既包括盛有液体的容器，还包括了读数设备和其他一些辅助的部件。观测头零点差可以用观测头互换位置，并进行两次读数的方法求得。对于固定设置的液体静力仪器，一般不需要测c值。

（二）液体静力水准仪器的结构与读数

各种不同结构的液体静力水准仪，实际上只是定位和测定液面位置的方法有所不同。确定液面位置的方法有目视法、 目视接触法等。对于固定设置的精密静力水准测量仪器，可用电感传感器或光电传感器来确定液面位置的变化，以达到遥测的目的。

1.目视法

如图16-13所示，观测头的玻璃管固定在木夹板上，两玻璃管用软管联结起来。通常用水作为充填液体。在玻璃管上刻有分划，可直接根据弯月形液面进行读数。玻璃管的下面有底座，可放到观测点上，并根据圆水准器安置到工作位置。这种类型的仪器进行水准测量的精度为±1mm，仅用于较低精度的测量。

2.目视接触法

图16-13 用目视法读数的液体静力水准仪

图16-14 固定安置式液体静力水准仪

目视接触法确定液面位置的精度要比目视法高得多。图16-14是我国南京水利电力仪表厂生产的液体静力水准仪，它是采用目视接触法来测定液面位置的。该仪器的连接软管分上、下两根，其中主管（下管）用作连通两水管间的水位，而上管则用作连通两管顶部的通气孔，使两管内的压力平衡。其观测头的下半部有水位指示装置，水位指示装置由水位指针和测微圆环组成，水位指针的下半部刻有间隔为1mm的两排分划（称为粗分划），上、下互相错开0.5mm，粗分划的量测范围为25mm。测微圆环上刻有50个分划（称细分划），每一分划相应于水位指针移动0.01mm，测微圆环转动一周则表示水位指针在竖直方向上移动0.5mm。观测头外壁上安装有直径为4cm的水位观测窗。仪器上还有观测显微镜，其作用是提高观测精度，其放大率一般为5倍。大多数目视接触法的仪器能高精度地确定液面位置，中误差可达±0.01mm。

（三）液体静力水准测量的误差来源

液体静力水准测量中对于确定液面位置精度有影响的误差主要来自仪器误差和外界条件的影响，而后者是其主要误差来源。

1.仪器误差

（1）仪器安置误差

可移动的液体静力水准仪根据其安置在观测点上的方式不同可分为两类：悬挂式仪器和置放式仪器。仪器安置误差取决于观测点表面和仪器着落面的质量，以及它们的清洁程度。在工作前要仔细清除仪器着落面和观测点表面的灰尘和水汽，并在两次测量的间隙期涂以润滑油。经验表明，仪器安置误差很小，不超过±0.01mm。

（2）液体静力水准仪观测头倾斜所引起的误差

现代的液体静力水准仪多采用中心悬挂式，即悬挂点与测量杆的移动轴线在同一铅垂线上，测量杆安置在容器的对称轴上且垂直于仪器底部。对于这种结构的仪器，由于观测头倾斜而引起的误差是很小的。

置放在观测点上的仪器，由于观测头的偏心安置可能产生的误差（图16-15）可用下式计算：式中，LOA为偏心值，α为倾斜角。

当LOA=3mm， α=8′时，LAB=0.007mm。为使观测头倾斜引起的误差变得很小，现代的液体静力水准仪上装有圆水准器，而悬挂式仪器不允许偏心悬挂。

（3）量测设备的误差

图16-15 观测头倾斜所引起的误差

对于用目视接触法确定液面位置的仪器，误差主要来自测微圆环分划值误差和测量杆尖端与液面接触的误差。这些误差的数值都很小。

（4）观测头的组合部件由于温度变化而产生的误差

通常测量杆固定在观测头的外壳上，如观测头外壳是用铝制造，而测量杆用钢制造，温度变化将使外壳和测量杆变形而产生误差。铝的线胀系数为0.000024/℃，钢的线胀系数为0.000012/℃。设测量杆长为l，温度变化为Δt，由于温度变化所产生的误差为：

为减弱该项误差，在设计仪器时，一是要缩短测量杆的长度，二是尽量采用线胀系数接近的金属来制造观测头的主要部件。

（5）液体漏损带来的误差

各种液体静力水准仪的结构均包括有各种密封垫圈、水龙头和软管接头，随时间的推移密封性可能会逐渐遭到破坏，液体会缓慢地从仪器中漏掉，使得观测头中液面产生不均匀的变化，而给观测带来误差。因此，一旦发现液体漏损，应及时采取措施，加以解决。

2.外界条件的影响

（1）温度对液体静力水准测量精度的影响

当整个液体静力水准仪产生共同的、均匀的温度变化时，各个观测头的液面产生均匀的变化，此时只在各观测头不同时读数才产生测量误差。液体静力观测头温度的局部变化，实际上会经常遇到。如在车间内当观测点附近有热辐射源时，或者在长距离传递高程时，液体静力仪器个别观测头的局部受热或冷却，就会引起液体密度的改变，使测量产生误差。

实际上，用液体静力水准仪作业时，可以计算由于温度变化所引起的液面位置的差数。

式中，h20为标准温度t=20℃时的液柱高度，ρ20为温度为20℃时的液体密度，ρ1为作业温度时的液体密度。

为了减弱温度的影响，应使连接软管下垂量为最小；观测头中液柱的高度为最小；仪器尽量远离强大的热辐射源；露天作业尽量在夜间进行，白天则选在阴天进行观测；如用水作为充填液体时，当温度接近4℃时观测的精度最高，因为这时水的密度随温度的变化不显著。在高精度液体静力水准测量中往往采用恒温系统。

（2）气压变化对液面位置的影响

对于敞口式液体静力水准仪（特别是对长距离连通的仪器），局部压力变化引起各容器间液体的再分配，压力差Δp被容器中液柱的压力所均衡，而引起液面位置的变化为

式中，r为液体的比重。

为避免气压差异的影响，容器需严格密封，使不同容器的压力通过空气连通管得到平衡。

（3）液体静力水准仪容器中液体蒸发的影响

液体的蒸发是温度愈高蒸发愈快，液面上的蒸汽排除愈快蒸发也愈快。敞口式静力水准仪，在各种条件下测得水的蒸发速度是0.03～0.17mm/h。当静力水准仪各部分液体蒸发不均衡时，会使测量产生误差。对于封闭式液体静力仪器，容器中水的蒸发影响就不用考虑。

（4）液体污染的影响

敞口式液体静力水准仪，液体很容易被污染，而引起液体密度的改变，使得温度影响的计算发生困难。因此，要求用具有防蚀层的金属来制造仪器的各种部件，并建议在水里加入0.1%的福尔马林或者石碳酸作为防腐剂。

（四）液体静力水准仪的应用

液体静力水准测量是测定观测点高程的一种方法，但一般不用来建立等级高程控制，而大多是用来在特殊条件下进行工程水准测量。例如在车间内受条件的限制，应用此法就比较合适。两个观测头的液体静力水准仪可用来测定机组和大型设备的倾斜和隆起。安装汽轮机时，常要求两点之间高差的测量精度达±10～15μm，此时利用精密液体静力水准仪要比精密水准仪有效得多。车间中桥式吊车轨道的检查，利用普通水准仪是十分困难的，而采用多个容器相联结的液体静力水准仪就能同时对若干点进行水准测量，这样就显得比较方便。

在有辐射危险、爆炸危险或有蒸汽、尘埃等污染的情况下监视设备的稳定性，用一般水准测量方法有诸多不便，而用液体静力水准测量方法就非常合适。液体静力水准测量还适用于敷设电缆和各种自流下水管道高程测量，以及堤坝、桥梁、各种建筑物基础的沉陷与倾斜测量等。此外，用水准法测定各点之间的高差时，不可能完全自动化，而应用液体静力水准测量时，不仅能对设备位置进行遥测，而且还能实现自动的连续监测。当需要对建筑物上观测点的垂直位移进行长期监测时，应用固定设置的液体静力水准仪。