CN104748660A - 一种岩土工程内部水平位移监测系统 - Google Patents

Abstract

一种岩土工程特别是大坝内部水平位移测量系统，由测量小车、小车运行通道、动力控制设备、测量信号源、信号处理器及配套软件组成。测量小车由信号源感应器和位移传感器耦合组成；测量信号源为永磁铁，由模具内置化学材料填充与外界隔绝；小车运行通道由高分子塑料管和相同直径的圆形钢管法兰止水密封连接，可随大坝协同变形；动力控制设备为双动力联动装置，双动力各设牵引线一条，上部动力的牵引线长度大约是下部动力的两倍；系统信号处理器可实时确定水平位移和实现图形绘制，配套软件子系统收集了同类型大坝测量资料，结合其它观测项目资料，利用经验判别法、速率比较法和权重法自动对大坝安全进行评价与预警。系统成套的完整设备可实现大坝内部水平位移的监测，信号耦合能保证测量精度，施工方便，成套系统成本低。

Description

一种岩土工程内部水平位移监测系统

技术领域

本发明涉及一种岩土工程内部水平位移监测系统，特别是一种服务于土石坝和面板堆石坝的水平位移测量系统，也可用于岩土工程中的深层地基、边坡等位移监测。

背景技术

在岩土工程中，内部水平位移的监测是一个难题，特别在深厚覆盖层、高陡边坡及200米级以上土石坝中。引张线水平位移计是内部水平位移土工观测中的主要设备，由美国垦务局推荐和推广应用。它是通过由重力锤拉紧的铟钢丝绳将岩土内部水平位移传递到观测站内，经测量重力锤的垂直位移间接实现水平位移的监测，在大坝工程中一般设观测房。在借鉴国外经验的基础上，国内一些单位开展了内部水平位移观测设备的研发改进，如“一种杆式水平位移计”(专利申请号：03259623.5)利用滑动电阻器作为水平位移传感器，位移传递杆代替了铟钢丝，可以不用加张力的情况下进行观测。

这类依靠线式或杆式传感观测内部水平位移的装置，需要从监测点拉一条杆或线连接到观测房固定，因此对传递的载体要求很高，且要对它进行严格保护，造价高；但即便如此，岩土或堆石沉降是无法避免的，沉降的发生必将严重影响此类线式或杆式传感器的测量和精度。

针对上述方法中的许多不足，随着新技术的不断发展，光纤传感技术也应用在大坝水平位移的监测中，如“坝体面板挠度或坝体内部水平及垂直变形的测量系统  ”（专利申请号：200410012677.3）公开了一种光纤陀螺技术测量坝体内部水平及垂直变形装置，但光纤传感技术的应用中假定仪器是在管道中匀速运动，且管道过于刚性，牵引设备置使用一台卷扬机存在不妥，光纤陀螺造价太高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种新的观测方法及完整成套技术观测岩土工程的水平位移，特别测量是土石坝和面板堆石坝内部水平位移。该系统的技术方案是基于高斯定律监测岩土内部水平位移——种大坝内部水平位移测量系统，由测量小车、小车运行通道、动力控制设备、测量信号源、信号处理器及配套软件组成。测量小车由信号源感应器和位移传感器耦合组成；测量信号源为永磁铁，由模具内置化学材料填充与外界隔绝；小车运行通道由高分子塑料管和相同直径的圆形钢管法兰止水密封连接，可随大坝协同变形；动力控制设备为双动力联动装置，双动力各设牵引线一条，上部动力的牵引线总长度大约是下部动力的两倍；系统信号处理器可实时确定水平位移和实现图形绘制，配套软件子系统收集了同类型大坝测量资料，结合其它观测项目资料，利用经验判别法、速率比较法和权重法自动对大坝安全进行评价与预警。系统成套的完整设备可实现大坝内部水平位移的监测，信号耦合能保证测量精度，施工方便，成套系统成本低。

所述的监测系统，其信号采集为存储方式或在线显示方式；当采取存储方式时，每次测量数据保存在自动创建的文档里，测量完后可以直接拷贝查看；当采取在线显示方式时，牵引线采用聚氨脂材料电缆作为牵引线，牵引线联接小车与上位机实现在线显示。

所述的测量小车，其特征在于重心在截面底部，为高度的1/4~1/3，设计考虑防水要求，具有故障报警提示功能；小车装备有磁感应器、里程计、电源、电源转换模块、信号采集器、数据存储器、电源开关等，根据需要可以添加摄像系统检查运行通道和大坝内部情况。

所述的测量信号源，采用灌装环氧树脂填充，使永磁铁密封，灌装信号源可布置在高分子塑料管底部或管道四周，可每根塑料管布置一个，测量间距为1~10米，通道半径20~40厘米周围用细沙料填充覆盖。

所述的信号处理器及配套软件分别是下位机和上位机，下位机采集和处理测量信号并计算测量结果，传输给存储器或上位机；上位机拥有大坝变形测量数据库资料，根据测量结果，结合其它观测项目，对大坝安全进行评价与预警。

信号感应器由高斯计或霍尔传感器或磁传感器与里程计的耦合器，高斯计用于感应信号源强弱大小，里程计用于记录小车运行所在的位置，保证水平位移的测量精度；当里程计集成于动力牵引设备上时，不进行耦合，即两个器件同步不同机。

本发明系统具有以下优点：

1、信号传感器与里程计耦合系统对水平位移测量精度准确，岩土沉降对系统的测量几乎没有影响，仪器使用简单；

2、动力控制系统采用双动力源，每个动力源有三个档位，使得小车动态测量平稳，牵引线收缩自如；

3、 监测通道可以多种用途，通道刚度小，通道周围按要求回填细砂料可以改善通道受力条件，起保护通道的作用；通道所以管道有专门的工业成品，不需另外设计加工，经济，安装简便。

附图说明

图1为系统在大坝中的布置图。

图2 为测量系统的结构示意图（存储式）。

图3为测量系统的结构示意图（在线式）。

图4为测量小车结构图。

图5为在线测量系统牵引线剖面图。

图6为通道底部结构示意图。

图7为存储式系统工作流程图。

图8为在线式系统工作流程图。

图9为软件系统评价预警方式图。

图10为信号源灌装结构图。

图11为灌装信号源正截面示意图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图1、图2、图4、图6、图7、图9、图10和实施例1对本发明进行详细说明。

本发明基于电磁感应原理测量岩土工程特别是大坝工程的内部水平位移，采用存储式观测时，流程如图7所示，具体包括如下步骤：

1：将监测仪器19连接钢丝绳11，外端用牵引线11连接动力12，顶部钢丝绳11连接动力13，检查设备连接的可靠性。

2：打开仪器19的电源开关，此仪器19已通电，启动动力控制开关，使卷扬机12逆时旋转，此时小车在通道2内开始运动，经过预埋灌装信号源3的位置，高斯计20可测量到一个电势，同时仪器19中的里程计21记录了相应的位置信号。

3：当小车运行到标定位置时，此时已到达通道最里面，如图6位置，断开动力控制开关，检查设备的运行状况。

4：打开控制开关，使卷扬机12顺时旋转，此时小车从里往外运动，经过预埋灌装磁铁3的位置，高斯计20可测量到一个电势，同时仪器19中的里程计21记录了相应的位置信号，到出口处断开控制开关，随后断开仪器19的电源。

5：每次重复测量三次，将仪器19自动生成的数据文件导入配套软件中，可以计算出监测点的位置，并绘制图像和保存结果文档。

所述的通道2包含了4~6米防腐耐压高分子塑料圆管6和4~6米钢管5，统称为管4和管6自带连接法兰7中间设止水，用高强螺栓连接密封。每根钢管两端焊接导线环8，从尾部到头部依次串上钢丝绳11，最后钢丝绳头尾都迁到外端，塑料管不焊接导线环。

所述的通道底部为钢管5，用圆形密封般29焊接，焊接前安装定滑轮18引导牵引线11在此处转弯，在定滑轮18前部焊接有弹性栏杆18，防止小车定位不准确撞到底部。

所述的动力控制设备由2个卷扬机组成，分别为12和13，12在低位，13在高位，待通道2埋设完成后，固定安装在观测房4中，卷扬机12有3个档位，一个停止档位，一个逆时针档和顺时针档位。

所述的仪器19是设备的中心处理器，由前后2个扣环25，接插件15，电源16、感应器20，里程计21，电源转换模块22，采集板23，外壳24等组成。

所述的灌装信号源3由永久磁铁28用聚乙烯塑料模具30密封，中间用环氧树脂29填充；如图10、图11所示，信号源可以至于通道2底部，也可环形布置。

系统的主要技术指标为：

Ⅰ.坝体内部预埋水平变形测量永久信号源；

Ⅱ.外置高斯测量传感器，实现仪器的可维修可更新性能；

Ⅲ.磁场测量范围-4gass～4gass,分辨率为<2.5mgass；

Ⅳ.测量带宽50HZ；Ⅴ.供电电压3.2～5.0V；Ⅵ.输出接口USB；

Ⅶ.工作温度-25℃～85℃；

Ⅷ.仪器设计考虑防水要求，封装后的防水等级为IP65；

Ⅸ.测量数据采取边测量边读取的方式，测量结束后通过USB接口直接拷贝；

Ⅹ.系统具有故障报警提示功能；

Ⅺ.每次监测可自动创建数据存储文件，自动命名；

Ⅻ.量程范围0～6000mm(根据要求可定制范围)，精度1mm。

所述的观测结果评价与预警方法根据本岩土工程历史变形测量数据，结合本次测量的单项结果及其它分项结果，参考同类型工程资料，利用三种方法综合对大坝安全进行评价与预警。

实施例2

下面结合附图1、图3、图4、图5、图6、图8、图9、图10和实施例2对本发明进行详细说明。

本发明采用在线演示观测内部水平位移时，流程如图8所示，具体包括如下步骤：

1：将监测仪器19连接钢丝绳11，外端用牵引线14连接动力12，顶部钢丝绳11连接动力13，检查设备连接的可靠性。

2：打开仪器19的电源开关16，此仪器19已通电，启动动力控制开关，使卷扬机12逆时旋转，此时小车19在通道2内开始运动，经过预埋灌装信号源3的位置，高斯计20可测量到一个电势，同时仪器19中的里程计21显示相应的位置信号，结果通过牵引通讯线14传输到上位机17中，并显示测量结果及小车19所在位置。

3：当小车运行到标定位置时，此时已到达通道最里面，如图6位置，断开动力控制开关，检查设备的运行状况。

4：打开控制开关，使卷扬机12顺时旋转，此时小车19从里往外运动，经过预埋灌装磁铁3的位置，高斯计20可测量到一个电势，同时仪器19中的里程计21显示相应的位置信号，到出口处断开控制开关，停止上位机，随后断开仪器19的电源16。

5：将观测结果保存在一个文档中，生成的图像等手工存储到一个文件中，每次重复测量三次，将平均结果和其它分项测量结果导入软件系统，可得到一个分值，系统根据分值进行评价与预警。

所述的通讯电缆14由4跟通讯线27外裹聚氨脂材料26，使电缆耐拉抗腐蚀；

系统的主要技术指标为：

Ⅰ.坝体内部预埋水平变形测量永久信号源；

Ⅱ.外置高斯测量传感器，实现仪器的可维修可更新性能；

Ⅲ.磁场测量范围-4gass～4gass,分辨率为<2.5mgass；

Ⅳ.测量带宽50HZ；Ⅴ.供电电压3.2～5.0V；Ⅵ.输出接口USB；

Ⅶ.工作温度-25℃～85℃；

Ⅷ.仪器设计考虑防水要求，封装后的防水等级为IP65；

Ⅸ.测量数据采取在线显示方式，测量结束后人工保存数据图像资料；

Ⅹ.系统具有故障报警提示功能；

Ⅺ.量程范围0～6000mm(根据要求可定制范围)，精度1mm。

Claims (5)

1.一种岩土工程特别是大坝内部水平位移监测系统，其特征在于：所述系统由测量小车、小车运行通道、动力控制设备、测量信号源、信号处理器及配套软件组成；测量小车由信号源感应器和位移传感器耦合组成；测量信号源为永磁铁，由模具内置化学材料填充与外界隔绝；小车运行通道由高分子塑料管和相同直径的圆形钢管法兰止水密封连接，可随大坝协同变形；动力控制设备为双动力联动装置，双动力各设牵引线一条，上部动力的牵引线长度大约是下部动力的两倍；系统信号处理器可实时确定水平位移和图形绘制，配套软件系统自带数据库，利用经验判别法、速率比较法和权重法自动对大坝安全进行评价与预警。

2.权利1所述的监测系统，其信号采集为存储方式或在线显示方式；当采取存储方式时，每次测量数据保存在自动创建的文档里，测量完后可以直接拷贝查看；当采取在线显示方式时，牵引线采用聚氨脂材料电缆作为牵引线，牵引线联接小车与上位机实现在线显示。

3.权利1所述的测量小车，其特征在于重心在截面底部，为高度的1/4~1/3，设计考虑防水要求，具有故障报警提示功能；小车装备有磁感应器、里程计、电源、电源转换模块、信号采集器、数据存储器、电源开关等，根据需要可以添加摄像系统检查运行通道和大坝内部情况。

4.权利1所述的测量信号源，采用灌装环氧树脂填充，使永磁铁密封，灌装信号源可布置在高分子塑料管底部或管道四周，可每根塑料管布置一个，测量间距为1~10米，通道半径20~40厘米周围用细沙料填充覆盖。

5.权利1所述的信号处理器及配套软件分别是下位机和上位机，下位机采集和处理测量信号并计算测量结果，传输给存储器或上位机；上位机拥有大坝变形测量数据库资料，根据测量结果，结合其它观测项目，对工程安全进行评价与预警。