CN101787712B - 一种沉井倾斜测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的沉井倾斜测量装置是一种用于沉井施工期快速监测其倾斜的测量系统，主要由矩型的环状连通水管、四角立管、液体介质、安装在立管中的高精度水位计构成。将其安装埋设在沉井井壁(四周)混凝土内，通过监测位于沉井四角立管中液体的相对液位及变化量，确定沉井下沉施工前后和过程中井体的倾斜，为沉井设计和沉井法施工研究，以及控制和指导沉井的下沉施工提供必要的实测数据。沉井倾斜快速测量采用自动化连续检测方式，通过监测位于沉井周边四角立管的液位变化，自动推算出沉井的倾斜角度和倾斜方向。

Description

一种沉井倾斜测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维倾斜测量装置，它用于沉井法施工过程中对其进行倾斜度和倾斜方向的监测，是一种埋入被测物体的内部进行快速测量其整体倾斜的装置和技术，因此本发明还涉及利用该装置测量混凝土结构物倾斜变形的方法。

背景技术

水利水电工程有时需要采用沉井的方法进行临时挡土墙的施工，其中沉井倾斜是一个重要的影响沉井下沉施工的因素之一。准确地了解沉井倾斜的角度和方向，是正确指导沉井下沉施工的要素，特别是需要准确计算井壁摩阻力的竖直分量时，必须取得沉井的倾斜角度和方向。

目前工程上观测沉井倾斜的方法一般有两种：

1)人工采用倾斜尺(或倾斜仪)测量井壁内侧的垂直倾斜角度，忽略倾斜方向偏差的影响。显然，这种方法是不够准确的，而且需要人员下到井下作业，费工，费时，安全性较差。

2)人工采用精密水准法或电子水平尺测量井壁顶部在每一次下沉前后的水平倾斜度。由于沉井是分段浇筑后依次下沉，只能在浇筑层顶面进行该次下沉时的测量，为不同位置的不连续测量，因此不能准确的测量井体下部的垂直倾斜度。

发明内容

为准确测量沉井的倾斜角度和方向，本发明提供了一种新的沉井倾斜测量装置，同时本发明还提供了建立于该装置上的测量和计算方法。

本发明提供的沉井倾斜测量装置由环状连通管、四根立管、安装在立管中的水位计构成，立管的一端与大气相通，水位计的电缆从立管口引出。

本发明还提供通过测量四根立管中液位的相对变化量计算沉井的倾斜度和倾斜方向的方法，该方法包括如下步骤：

1)将本发明提供的倾斜测量装置安装埋设在沉井四周井壁混凝土中，其4根连通立管分别位于沉井的4角，在立管和环状连通管中注入液体；

2)采用测量仪表分别检测出4个立管中水位计在井体倾斜前后的读数，从而求得4个立管中水位的相对变化量；

3)4个立管中液位的相对变化量即是沉井4个角的相对垂直变化量，再采用解析几何的有关计算方法求得沉井的倾斜角度和倾斜方向。

现代解析几何的计算方法是多样的，除了坐标法还有向量法等，是本领域普通技术人员具备的常识，甚至可以采用立体几何的方法来计算。本发明实施例中给出的方法是先用平移变换得到相对于一个角点(设为倾斜计算的坐标原点)变化量，再利用空间向量的夹角公式和方向角的推导公式计算出沉井的倾斜角度和倾斜方向。

一般来说，沉井的截面是矩形的，因此，四根立管可以设置在沉井截面的四个角的位置。对于非矩形截面的沉井，也可以在其井壁中设置环状连通水管，其4根立管构成的平面形状为矩形即可。

根据本发明的实施例，在4个立管的上端各设一个弯头向井壁内侧引出，使管内与大气连通。

将液体介质灌入上述立管中时，应当注意使液体介质处于合适的液位，避免在沉井发生倾斜时液体从立管上端溢出，或者，另一个极端的情况是，使一侧或一个立管中的液面低于环状管与立管的接口面。

沉井下沉施工的过程主要表现为：静态(沉井停止下沉施工)时沉井底口反力较大，井壁摩阻力较小，此时沉井底口反力与井壁摩阻力之和等于沉井自重。沉井下沉施工时，沉井底口反力迅速减小，井壁摩阻力逐渐增大到极大值，当沉井底口反力与井壁摩阻力之和小于沉井自重时，沉井开始下沉。如果井体产生了较大的倾斜，其井体的下沉将受到影响，甚至不能靠自重下沉。

沉井倾斜监测是在上述沉井下沉施工过程中进行的，按需要进行测试，为技术研究、控制和指导沉井的下沉施工提供必要的实测数据。

在现有技术中，为了能够快速进行检测提供了自动化检测单元设备。例如，在沉井群施工中对沉井进行了结构施工下沉期观测，其主要观测项目有：沉井底部(刃口)反力、井壁外侧土压力、井壁外侧摩阻力、沉井结构钢筋应力和混凝土应力、以及沉降施工过程中沉井的整体倾斜等。自动化检测单元设备由计算机、分布式测量单元和网络通信电缆组成，可完成自动测量、数据处理、图表制作、异常测值报警等工作。因此，本发明提供的沉井倾斜测量装置可与上述现有技术中的自动化检测单元设备匹配，嵌入到该单元设备中，将水位计的电缆接入分布式测量单元，实现自动化巡测。

本发明提供的三维倾斜测量装置可以应用于各种混凝土结构、地面及基岩的三维倾斜测量。

附图说明

图1是本发明实施例中倾斜测量装置布置在沉井井壁内的平面图；

图2是图1中A-A向的剖面图；

图3是图1中B-B向的剖面图。

其中：1-沉井，2-四周环状连通水管，3-四角连通立管，4-立管顶部弯头出口，5-液体，6-水位计，7-电缆。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供的沉井倾斜快速测量装置是一种用于沉井施工期监测其倾斜的测量系统，由矩型的环状连通水管、四角立管、液体介质、安装在立管中的高精度水位计构成。在浇筑第一节沉井混凝土时，将矩型环状连通水管2和四角立管3埋设在沉井井壁中，4个立管的上端各设一个弯头4向井壁内侧引出，使管内与大气连通。在4个立管的底部各安装1支高精度水位计6，其电缆7从立管顶部出口引至沉井顶部观测站。向环状连通水管2和四角立管3内注入液体介质5，并控制液面在合适的高度。

实际上沉井下沉施工是一个动态过程，高度49m的沉井，共分7次浇筑井体混凝土(每次浇筑7m高)并进行一次下沉7m的施工，最终使49m高的井体顶部与地面平齐。通过对布置在沉井结构中各传感器(包括布置在四角立管中的水位计)的实时监测，可以了解和控制沉井的下沉施工，同时也为沉井设计提供了可靠的技术资料。

本发明提出的沉井倾斜快速测量装置首次在向家坝水电站沉井施工中应用，包括倾斜测量装置的制作、埋设、自动化监测系统的建立、以及建立计算模型和数据分析等工作，取得了成果资料。沉井截面尺寸23x17m(长x宽)，矩型环状连通水管19x13m(长x宽)，4角立管长3m，具体的沉井倾斜监测、倾角和方向的计算叙述如下：

1)以矩形环状连通水管所在的平面为xy平面，短边为x轴，长边为y轴，井高方向为z轴，构成三维坐标体系，则4个角点的坐标分别为a₁(0，0，0)；a₂(13，0，0)；a₃(13，19，0)；a₄(0，19，0)。

2)设沉井初始状态为垂直，测得4个角点立管的液位分别为z₁′，z₂′，z₃′，z₄′；沉井下沉后产生了倾斜，测得4个角点立管的液位分别为z₁″，z₂″，z₃″，z₄″；得到4个角点立管液位的变化量分别为Δz₁＝z₁″-z₁′，Δz₂＝z₂″-z₂′，Δz₃＝z₃″-z₃′，Δz₄＝z₄″-z₄′；再经过平移变换得到z₁＝Δz₁-Δz₁＝0，z₂＝-(Δz₂-Δz₁)，z₃＝-(Δz₃-Δz₁)，z₄＝-(Δz₄-Δz₁)。

3)因4个角点均在同一个平面内，可以分别采用包含a₁的任意3个角点求得沉井的倾斜角度和方向。现以a₁、a₂、a₄三个角点为例，采用向量法导出的计算公式如下：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{{\left({\mathrm{bz}}_2\right)}^2+{\left({\mathrm{az}}_4\right)}^2+{\left(\mathrm{ab}\right)}^2}}\right)$ (公式1)

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{|-{\mathrm{bz}}_2|}{\sqrt{{\left({\mathrm{bz}}_2\right)}^2+{\left({\mathrm{az}}_4\right)}^2}}\right)$ (公式2)

其中：

α-倾斜平面的法向量与Z轴正方向的夹角，即沉井倾斜角度。

β-倾斜平面的法向量在xy平面的投影与X轴的夹角，即沉井倾斜的方向角。

设X轴的正方向为正东方向，则：当z₂＜0，z₄＜0，倾斜方向为东偏北β；

当z₂＞0，z₄＜0，倾斜方向为西偏北β；当z₂＞0，z₄＞0，倾斜方向为西偏南β；当z₂＜0，z₄＞0，倾斜方向为东偏南β。

a-角点a₁至a₂的长度。

b-角点a₁至a₄的长度。

4)沉井初始状态时，测得4个角点立管的液位分别为：z₁′＝2m，z₂′＝2m，z₃′＝2m，z₄′＝2m；沉井产生倾斜后测得4个角点立管的液位分别为z₁″＝2.3m，z₂″＝2.1m，z₃″＝1.7m，z₄″＝1.9m；4个角点经坐标平移变化后得到z₁＝0m，z₂＝0.2m，z₃＝0.6m，z₄＝0.4m，则沉井的倾斜角度和方向为：

α＝arccos(0.99966)≈1.494°

β＝arccos(0.59002)≈53.84°

所以，此时沉井倾斜角度为1.494°，倾向西偏南53.84°。

Claims (4)

1.一种包括矩型环状连通水管、四角立管、液体介质、安装在立管中的水位计构成的沉井倾斜测量装置，其特征在于矩型环状连通水管与四角立管连通，且四角立管顶部开口与大气连通，管内装入液体介质，四角立管底部各安装一支水位计；矩型环状连通水管、四角立管和液体介质为静力平衡装置，水位计为倾斜测量传感器。

2.根据权利要求1所述的沉井倾斜测量装置，其特征在于矩型环状连通水管和四角立管随同井壁混凝土浇筑水平埋设在沉井底部的井壁中，四个立管的上端各设一个弯头向井壁内侧引出，使管内与大气连通。

3.根据权利要求1或2所述的沉井倾斜测量装置，其特征在于将液体介质灌入上述连通水管中，使其处于合适的液位，并将水位计安装固定在立管的底部。

4.权利要求1至3任意一项所述沉井倾斜测量装置对沉井倾斜角度和方向进行测量的方法，包括如下步骤：

1)权利要求1至3任意一项所述沉井倾斜测量装置水平埋设在沉井底部的井壁中，使立管内液位为合适的高度。

2)采用测量仪表分别检测出各立管中水位计在沉井倾斜前后的液位高度，求得各立管中液位的变化量，再经过平移变换得到相对于一个角点变化量，其中将该角点设为倾斜计算的坐标原点。

3)采用解析几何的计算方法确定沉井的倾斜角度和倾斜方向。 

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