三、沉陷觀測點標誌的結構和埋設
沉陷觀測點應布設在監測對象上最有代表性的地方。對於建築物沉陷觀測點的布設，要考慮建築物基礎的地質條件、建築結構、內部應力的分布情況，以及便於觀測等。埋設時要注意觀測點與建築物聯結牢靠，使得觀測點的變化能真正反映建築物的沉陷情況。對於工業與民用建築物的沉陷觀測，觀測點的設置有以下形式：圖16-5（a）為設在牆上的觀測點，圖16-5（b）為設在柱上的觀測點，其標誌一般設在高出室外地坪0.5m處較為適宜；圖16-6為設在基礎麵上的觀測點。考慮到觀測點的美觀和長期保存，也有采用隱蔽式標誌，這種觀測點標誌的結構形式如圖16-7（a）所示，標誌的標身為螺旋結構，平時旋進螺蓋以保護標誌；使用時先旋出螺蓋，再旋進標身。
對於混凝土壩，為了測定基礎沉陷和壩體本身在垂直方向的伸縮，必須在基礎岩石和壩體上埋設沉陷觀測點。基礎沉陷觀測一般在基礎廊道內進行。根據廊道底麵澆築的混凝土板厚薄不同，以及廊道斷麵尺寸大小，可選擇不同的標誌點。如圖16-8所示為埋設在廊道側牆上的標誌，標點高出廊道底板1.4m。鋼筋混凝土大壩，大型橋梁的橋墩和橋麵，以及某些大型重要的建（構）築物基礎和結構體內，按設計要求有的還要埋設應力—應變儀、傾斜儀、長度變化測量儀等自動化的測量儀表和電子測量器件，自動監測局部的沉降、傾斜、水平位移、應力、應變量，而且還能進行動態變化監測。
礦區地表沉陷的觀測點可采用預製混凝土樁或在現場挖坑澆築混凝土樁。測點的標誌可用直徑16～20mm的鋼筋製成，頂麵磨成半球形，底端製成燕尾形。測點底麵的埋設深度，在非凍土地區，應在地表以下0.6m；在凍土地區，應埋設在凍結線0.5m以下。為了便於觀測，測點的頂端一般應高出地麵0.1～0.5m。
第三節 垂直位移觀測
目前垂直位移觀測最常用的是水準測量方法，有時也應用液體靜力水準測量方法。
沉陷觀測是定期測量建（構）築物（或地表）埋設的沉降觀測點與基準點之間的高差變化，得到其沉陷量。對於中、小型廠房、民用建築物和礦區地表的沉陷觀測可采用三等或三等以下的普通水準測量方法；而對於大型重要的混凝土建（構）築物，如大型工業廠房、高層建築物、大型橋梁、混凝土大壩以及城市地麵的沉降等沉陷觀測，則采用二等或二等以上的精密水準測量方法。
對於建築工程施工及運營階段沉降觀測周期的安排一般為：（1）標誌埋設並穩定之後就開始第一次觀測。（2）施工期間每增加二層到五層，電視塔及煙囪等高度每增加15m左右觀測一次。（3）施工中當增加較大荷載的前後應進行觀測。（4）發生特殊情況時應進行觀測，如暴雨大量積水等情況。（5）停止增加荷載期間，一般要求三個月內平均月沉降量不超過1mm時，每季度觀測一次；季平均沉降量不超過2mm時，每半年觀測一次；交工前應觀測一次。（6）在運行期間重複觀測的周期可根據沉陷速度而定，一般每季、每半年或每年觀測1次，一直到沉陷完全停止為止。
由於工業與民用建築物的範圍不很大，所以施測的水準路線往往不是很長，並且路線的高程閉合差一般不會超過1～2mm，因此閉合差可按測站平均分配。如果觀測點之間的距離相差很大，則閉合差可以按距離成比例分配。
為了測定混凝土壩的基礎沉陷和壩體本身在垂直方向的變化，在基礎與壩頂麵埋設沉陷觀測點，在靠近壩的下遊兩岸設置工作基點。工作基點是否穩定，要由離壩較遠的水準基點來檢驗。前一種觀測稱為觀測點觀測，後一種觀測稱為基準點觀測。下麵分別敘述這兩種觀測在線路形狀、精度要求、儀器設備、操作方法、觀測周期、成果檢查計算等方麵的要求。
一、基準點觀測
大壩下遊工作基點與水準基點間所布設的水準環線（左、右岸水準路線連成一片，可使整個壩區的高程成果資料統一），一般要求每千米水準測量高差中數的中誤差不大於0.5mm，作業方法基本上按一等水準測量規定進行。由於工作條件的不同，操作方法上也有其特點，例如，由於沉陷觀測是固定路線重複進行，為便於觀測，消除一些係統誤差的影響，通常在轉點處埋設簡便的金屬標頭作為立尺點。
水準環線是分段（例如每段1km左右）進行觀測，往、返觀測的高差加標尺長度改正後計算往返測高差較差，各段往、返測高差較差不得超過2mm（R為測段水準路線長度，km）。高差較差合格後，根據加標尺長度改正後的往返測高差計算高差中數，再由高差中數計算環線閉合差。將環線閉合差按各測段線路長度進行分配。然後，由水準基點的高程推算工作基點和沿線各水準點的高程，再與各點的首次觀測高程比較，可得到工作基點和沿線各水準點高程的變化值。從這些水準點高程的變化，可以了解壩址下遊地麵的沉陷情況。
由水準基點到工作基點的聯測，每年進行1次（或2次），盡可能固定觀測的月份，即選擇外界條件相近的情況進行觀測，以減少外界條件對觀測成果的影響。
二、觀測點觀測
混凝土壩觀測點的沉陷是根據兩岸的工作基點來測定的，沉陷觀測中誤差要求不超過±1mm。一般采用精密水準儀，按二等水準測量方法進行。由於沉陷觀測在施工過程中就開始，因此受施工幹擾大，而且大部分觀測是在廊道內進行，有的廊道高度不夠，有的廊道底麵呈梯狀等，使得立尺、架設儀器和觀測都受到一定限製。尤其是基礎廊道，高低不平，坡度起伏變化大，視線很短（有的短到3m），使得每千米的測站數很多。因此，根據實踐經驗，對觀測工作作如下補充規定：（1）設置固定的安置儀器點與立尺點，使往、返測或複測在同一路線上的固定點進行。（2）每次觀測使用固定的儀器和標尺。（3）儀器至標尺的距離，最長不得超過40m，每站的前後視距差不得大於0.3m，前後視距累積差不得大於1m。（4）每次觀測進出廊道前後，儀器、標尺均需涼置半小時以後再進行觀測。
測定觀測點沉陷的水準路線大多敷設成兩工作基點之間的附合路線。每次觀測值均要加標尺長度改正。根據視線短、每千米線路測站數多的特點，對附合線路閉合差按測段的測站數進行分配。然後，根據工作基點的高程推算各沉陷觀測點的高程，最後計算各觀測點的沉陷量。附合水準路線上一測站高差中數的中誤差可按下式計算（16-1）
式中，p為各測段的權值，Ni為各測段的測站數；di為各測段往返測高差較差，mm；n為附合水準路線的測段數。
按式（16-1）也可計算每千米水準測量高差中數的中誤差，此時，各測段的權值為，Ri為各測段的水準線路長度。
離工作基點最遠的觀測點，其高程的精度最低。最弱點相對於工作基點的高程中誤差按下式計算：
（16-2）
式中，K1、K2為由兩工作基點分別測到最弱點的測站數或路線長度。
沉陷量是兩次觀測高程之差，因此，最弱點沉陷量的測定中誤差為。
第四節 地麵傾斜測量
傾斜測量有相對於水平麵的傾斜測量和相對於垂直麵的傾斜測量兩類。本節介紹相對於水平麵的地麵傾斜和建築物基礎傾斜測量。相對於水平麵的傾斜可通過測定兩點間的相對沉陷的方法來確定，如用水準測量方法、液體靜力測量方法和傾斜儀測量方法測定。
一、水準測量方法
該方法的原理是用水準儀測出兩個觀測點之間的相對沉陷，由相對沉陷與兩點間距離之比計算出兩點間的平均傾斜值。例如，測出A、B兩點的沉陷值分別為WA、WB，A、B兩點間的距離為LAB，則其平均傾斜值為（16-3）
二、傾斜儀測量方法
傾斜儀的應用範圍很廣泛，如用傾斜儀監測地麵、建（構）築物基礎的傾斜，以及用於斜坡穩定性研究和水庫大壩監測等。常見的傾斜儀有氣泡式傾斜儀和電子傾斜儀。
（一）氣泡式傾斜儀
氣泡式傾斜儀由一個高靈敏度的氣泡水準管e和一套精密測微器組件構成。如圖16-10所示，q為測微杆，h為讀數盤，k為指標。氣泡式水準管e固定在支架上，支架a可繞c點轉動，支架a下裝有彈簧片d，在底板b下裝有置放裝置m，s為測微杆連接器，s與底板b緊固在一起。通過m將傾斜儀安置在需要測量的位置上以後，轉動讀數盤h，使測微杆q上下移動，壓動支架a，使氣泡水準管e的氣泡居中。此時在讀數盤上讀出初始讀數h0；若基礎發生傾斜變形，儀器氣泡會發生偏移；為求取傾斜值需重新轉動讀數盤h使氣泡居中，讀出讀數hj，j=l，2，3，…，n，n為觀測周期數；將初始讀數h0與周期讀數hj相減，即可求得傾斜值。
（二）電子傾斜儀
電子傾斜儀可以實現傾斜觀測的自動化，如圖16-11所示，電子傾斜儀是在普通玻璃管水準器（內裝酒精和乙醚的混合液，並留有空氣泡）的上、下麵裝有3個電極，形成差動電容器的一種裝置，包括此電容器的差動橋式電路。電子傾斜儀的工作原理：當玻璃管水準器傾斜時，氣泡向一旁偏移了量x，使電容的介電常數發生變化，引起電橋兩臂阻抗發生變化，因而使橋接電路失去平衡，其變化被測量裝置及時記錄下來。
電子傾斜儀可固定安置在建築物和設備的適當位置上，能自動、連續地進行傾斜觀測，因而適用於動態變化觀測。測量範圍為200〞的電子傾斜儀，測定傾斜角值的中誤差可達±0.2〞以內。
三、液體靜力水準測量
（一）液體靜力水準測量的基本原理
如圖16-12，相聯結的兩容器1、2分別安置在欲測的平麵A與B上。當兩個容器中裝有同類均勻液體時，兩液麵將處在同一水平麵上。高差Δh可用液麵的高度H1與H2求得：
（16-4）
式中，a1、a2分別為容器1、2的高度或讀數零點相對於欲測平麵A、B的高度；b1、b2分別為容器1、2中液麵位置的讀數值。
由於容器的零點具有製造誤差，所以由直接讀取的液麵讀數算得的高差不是兩平麵的絕對高差。將兩容器互換位置，則有（16-5）
聯合解算式（16-4）與式（16-5），得
（16-6）
兩個液體靜力容器的讀數零點的差數稱為儀器常數c，它取決於製造誤差。
（16-7）
液體靜力水準儀是用其觀測頭來測量的，觀測頭既包括盛有液體的容器，還包括了讀數設備和其他一些輔助的部件。觀測頭零點差可以用觀測頭互換位置，並進行兩次讀數的方法求得。對於固定設置的液體靜力儀器，一般不需要測c值。
（二）液體靜力水準儀器的結構與讀數
各種不同結構的液體靜力水準儀，實際上隻是定位和測定液麵位置的方法有所不同。確定液麵位置的方法有目視法、目視接觸法等。對於固定設置的精密靜力水準測量儀器，可用電感傳感器或光電傳感器來確定液麵位置的變化，以達到遙測的目的。
1.目視法
如圖16-13所示，觀測頭的玻璃管固定在木夾板上，兩玻璃管用軟管聯結起來。通常用水作為充填液體。在玻璃管上刻有分劃，可直接根據彎月形液麵進行讀數。玻璃管的下麵有底座，可放到觀測點上，並根據圓水準器安置到工作位置。這種類型的儀器進行水準測量的精度為±1mm，僅用於較低精度的測量。
2.目視接觸法
目視接觸法確定液麵位置的精度要比目視法高得多。圖16-14是我國南京水利電力儀表廠生產的液體靜力水準儀，它是采用目視接觸法來測定液麵位置的。該儀器的連接軟管分上、下兩根，其中主管（下管）用作連通兩水管間的水位，而上管則用作連通兩管頂部的通氣孔，使兩管內的壓力平衡。其觀測頭的下半部有水位指示裝置，水位指示裝置由水位指針和測微圓環組成，水位指針的下半部刻有間隔為1mm的兩排分劃（稱為粗分劃），上、下互相錯開0.5mm，粗分劃的量測範圍為25mm。測微圓環上刻有50個分劃（稱細分劃），每一分劃相應於水位指針移動0.01mm，測微圓環轉動一周則表示水位指針在豎直方向上移動0.5mm。觀測頭外壁上安裝有直徑為4cm的水位觀測窗。儀器上還有觀測顯微鏡，其作用是提高觀測精度，其放大率一般為5倍。大多數目視接觸法的儀器能高精度地確定液麵位置，中誤差可達±0.01mm。
（三）液體靜力水準測量的誤差來源
液體靜力水準測量中對於確定液麵位置精度有影響的誤差主要來自儀器誤差和外界條件的影響，而後者是其主要誤差來源。
1.儀器誤差
（1）儀器安置誤差
可移動的液體靜力水準儀根據其安置在觀測點上的方式不同可分為兩類：懸掛式儀器和置放式儀器。儀器安置誤差取決於觀測點表麵和儀器著落麵的質量，以及它們的清潔程度。在工作前要仔細清除儀器著落麵和觀測點表麵的灰塵和水汽，並在兩次測量的間隙期塗以潤滑油。經驗表明，儀器安置誤差很小，不超過±0.01mm。
（2）液體靜力水準儀觀測頭傾斜所引起的誤差現代的液體靜力水準儀多采用中心懸掛式，即懸掛點與測量杆的移動軸線在同一鉛垂線上，測量杆安置在容器的對稱軸上且垂直於儀器底部。對於這種結構的儀器，由於觀測頭傾斜而引起的誤差是很小的。
置放在觀測點上的儀器，由於觀測頭的偏心安置可能產生的誤差可用下式計算：
（16-8）
式中，LOA為偏心值，為傾斜角。
當LOA=3mm，=8′時，LAB=0.007mm。為使觀測頭傾斜引起的誤差變得很小，現代的液體靜力水準儀上裝有圓水準器，而懸掛式儀器不允許偏心懸掛。
（3）量測設備的誤差
對於用目視接觸法確定液麵位置的儀器，誤差主要來自測微圓環分劃值誤差和測量杆尖端與液麵接觸的誤差。這些誤差的數值都很小。
（4）觀測頭的組合部件由於溫度變化而產生的誤差通常測量杆固定在觀測頭的外殼上，如觀測頭外殼是用鋁製造，而測量杆用鋼製造，溫度變化將使外殼和測量杆變形而產生誤差。鋁的線脹係數為0.000024/℃，鋼的線脹係數為0.000012/℃。設測量杆長為，溫度變化為Δt，由於溫度變化所產生的誤差為：
（16-9）
為減弱該項誤差，在設計儀器時，一是要縮短測量杆的長度，二是盡量采用線脹係數接近的金屬來製造觀測頭的主要部件。
（5）液體漏損帶來的誤差
各種液體靜力水準儀的結構均包括有各種密封墊圈、水龍頭和軟管接頭，隨時間的推移密封性可能會逐漸遭到破壞，液體會緩慢地從儀器中漏掉，使得觀測頭中液麵產生不均勻的變化，而給觀測帶來誤差。因此，一旦發現液體漏損，應及時采取措施，加以解決。
2.外界條件的影響
（1）溫度對液體靜力水準測量精度的影響
當整個液體靜力水準儀產生共同的、均勻的溫度變化時，各個觀測頭的液麵產生均勻的變化，此時隻在各觀測頭不同時讀數才產生測量誤差。液體靜力觀測頭溫度的局部變化，實際上會經常遇到。如在車間內當觀測點附近有熱輻射源時，或者在長距離傳遞高程時，液體靜力儀器個別觀測頭的局部受熱或冷卻，就會引起液體密度的改變，使測量產生誤差。
實際上，用液體靜力水準儀作業時，可以計算由於溫度變化所引起的液麵位置的差數。
（16-10）
式中，h20為標準溫度t=20℃時的液柱高度，20為溫度為20℃時的液體密度，1為作業溫度時的液體密度。
為了減弱溫度的影響，應使連接軟管下垂量為最小；觀測頭中液柱的高度為最小；儀器盡量遠離強大的熱輻射源；露天作業盡量在夜間進行，白天則選在陰天進行觀測；如用水作為充填液體時，當溫度接近4℃時觀測的精度最高，因為這時水的密度隨溫度的變化不顯著。在高精度液體靜力水準測量中往往采用恒溫係統。
（2）氣壓變化對液麵位置的影響
對於敞口式液體靜力水準儀（特別是對長距離連通的儀器），局部壓力變化引起各容器間液體的再分配，壓力差Δp被容器中液柱的壓力所均衡，而引起液麵位置的變化為（16-11）
式中，r為液體的比重。
為避免氣壓差異的影響，容器需嚴格密封，使不同容器的壓力通過空氣連通管得到平衡。
（3）液體靜力水準儀容器中液體蒸發的影響
液體的蒸發是溫度愈高蒸發愈快，液麵上的蒸汽排除愈快蒸發也愈快。敞口式靜力水準儀，在各種條件下測得水的蒸發速度是0.03～0.17mm/h。當靜力水準儀各部分液體蒸發不均衡時，會使測量產生誤差。對於封閉式液體靜力儀器，容器中水的蒸發影響就不用考慮。
（4）液體汙染的影響
敞口式液體靜力水準儀，液體很容易被汙染，而引起液體密度的改變，使得溫度影響的計算發生困難。因此，要求用具有防蝕層的金屬來製造儀器的各種部件，並建議在水裏加入0.1%的福爾馬林或者石碳酸作為防腐劑。
（四）液體靜力水準儀的應用
液體靜力水準測量是測定觀測點高程的一種方法，但一般不用來建立等級高程控製，而大多是用來在特殊條件下進行工程水準測量。例如在車間內受條件的限製，應用此法就比較合適。兩個觀測頭的液體靜力水準儀可用來測定機組和大型設備的傾斜和隆起。安裝汽輪機時，常要求兩點之間高差的測量精度達±10～15m，此時利用精密液體靜力水準儀要比精密水準儀有效得多。車間中橋式吊車軌道的檢查，利用普通水準儀是十分困難的，而采用多個容器相聯結的液體靜力水準儀就能同時對若幹點進行水準測量，這樣就顯得比較方便。
在有輻射危險、爆炸危險或有蒸汽、塵埃等汙染的情況下監視設備的穩定性，用一般水準測量方法有諸多不便，而用液體靜力水準測量方法就非常合適。液體靜力水準測量還適用於敷設電纜和各種自流下水管道高程測量，以及堤壩、橋梁、各種建築物基礎的沉陷與傾斜測量等。此外，用水準法測定各點之間的高差時，不可能完全自動化，而應用液體靜力水準測量時，不僅能對設備位置進行遙測，而且還能實現自動的連續監測。當需要對建築物上觀測點的垂直位移進行長期監測時，應用固定設置的液體靜力水準儀。
第五節 水平位移觀測網及觀測技術
一、水平位移測量控製網
為了測定監測對象的水平位移，需在變形特征處設置一些點，稱為水平位移觀測點或目標點。為了測出觀測點的水平位移值，需要有穩定的基準點。有時，為了方便觀測，在離觀測點較近的地方設置比較穩定的點，稱為工作基點，在工作基點上直接對觀測點進行觀測。基準點與工作基點要定期聯測，當基準點不能直接測定工作基點時可通過聯測點進行坐標的傳遞。由基準點形成的測量網稱為基準網。基準網也需要定期重複觀測，其目的是檢查基準網點的穩定性。所有觀測點形成的測量網，稱為變形網；當變形網不與基準點聯係時，稱為相對網；當與基準點聯係時，可稱為絕對網。基準點、聯測點、工作基點或觀測點構成的網稱為擴展網，工作基點的位移量由此網獲得，然後修正觀測點位移值。
用於水平位移測量的觀測標誌，除要求加工簡單，便於埋設，使用和保存方便、外形美觀等外，還要求標誌有較高的複位精度，基準點標誌還需要較高的穩定性。
二、對中裝置和照準標誌
（一）對中裝置
在平麵標誌上，不僅要安放供瞄準用的目標，而且還要安放經緯儀、測距儀及其反光鏡等。所謂較高的平麵複位精度，是指這些儀器和工具在互換位置過程中不應產生顯著的對中誤差。在對中方法中，強製對中是一種更精密的對中方法。強製對中裝置實際上是一些機械接插件，其中一部分固定在標誌頂部，其對稱中心即作為平麵標誌的中心，另一部分（可能就是儀器的部件）與經緯儀或其他測量儀器連接，通過接插件使儀器的旋轉中心精確地安置在平麵標誌的中心上。標誌上有強製對中裝置時，就不再使用三腳架了，因此標誌體應高出地麵1.2m左右，便於觀測員操作。標誌體一般用混凝土或磚石砌成墩子形狀，也可以用鋼材製成，這時的標誌體常稱為觀測墩。對中裝置安置在觀測墩頂上，其上表麵應水平。