CN105606069A - 一种柔性管水准标结构 - Google Patents

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彭浩
蒋剑
周以林
江志红
易伟
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01C5/00Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels

Abstract

本发明公开了一种柔性管水准标结构,包括钻孔及安装在钻孔内的钢保护管,所述钻孔的孔底深入基岩内,所述钢保护管通过水泥砂浆固定在钻孔内,所述钢保护管内还安装有柔性管,所述柔性管的顶端与液体箱的底部出流管固定连接,所述柔性管的底部还固结有底座,在底座内侧安装有液位传感器,所述柔性管采用分段式安装,且每段柔性管之间通过密封接头连接,所述密封接头内部均设置有可自由伸缩的波纹管。本发明采用柔性管作为测管,因此可自由伸缩,可实时跟随地面发生垂直位移而位移,从而通过测量传感器上部垂直液柱高度变化来确定绝对垂直位移值,而且不受温度等外在因素的影响,可以有效保证测量的高精度。

Description

一种柔性管水准标结构
技术领域
[0001]本发明属于水电水利工程安全监测领域,具体是涉及一种柔性管水准标结构。
背景技术
[0002]目前,大坝垂直位移监测广泛采用的主要技术手段有:精密水准法、静力水准法、真空激光准直法和三角高程法。
[0003]通常,现场测得的垂直位移都是某个测点相对于工作基点的位移,即相对位移,然而,为求得该测点的绝对位移,需要校测工作基点自身的位移,此时通常需要由水准基点来检测。因此,水准基点是否稳定将直接影响垂直位移监测成果的准确性。
[0004]为保证水准基点的稳定性,通常是将水准基点布设在不受库水压力影响的区域或深度,同时根据现场地形、地质、水库库容等实际情况选用不同类型的结构型式,如采用基岩标、深埋测温钢管标、双金属标,或上述几种结构组合而成的水准基点组。
[0005]基岩标需要埋设在稳定的完整基岩上,对于覆盖层较厚时则无法布设,同时当要监测混凝土坝基础垂直位移时,由于难以布置基岩标,使得日常观测时需要从坝顶或其他部位对高程进行引测,导致测量线路远,引测高差大,工作任务繁重,测量精度难以保证。
[0006]深埋测温钢管标稳定性好,但温度变化对钢管自身长度的影响较大,因此管内每隔一定深度需要布置测温仪器,每次观测均需要对其进行温度修正,而采用不同深度测出的温度来计算钢管内部的平均温度值与管身实际温度仍然具有较大差距,特别是对于地温梯度大的地区,其影响将更为显著,也就很难保证测量结果精度满足要求。
[0007]双金属标因稳定性好、测量精度高、可对温度影响进行修正等优点而在实际工程中被广泛作为水准基点或工作基点。但在实际工程中其使用效果并不理想,主要存在以下几个缺点:双金属标对埋设安装的要求较高,每段钢管(铝管)连接端头要有足够的刚度和强度,同时管与管之间要用隔离环进行支撑,防止管与管之间直接接触,同时防止测管在孔内发生挠曲,另外双金属标安装所要求的钻孔孔径较大,使得其造价较其它监测手段高得多;双金属标主要利用钢管与铝管的线膨胀系数存在明显差异这一特性,可消除温度对管自身变形的影响,从而精确确定测点处的真实垂直位移值,但是由于钢管和铝管不可能做到均质各向同性,其线膨胀系数也非定值,因此理论计算值与真实情况仍会有一定差距,例如三峡工程中使用的双金属标,如果采用理论线胀系数对垂直位移进行计算,当钢管、铝管长度变化的差值达到3mm时,理论计算结果将与真实情况偏差超过0.5_,即计算结果精度将不满足要求。
发明内容
[0008]为解决上述问题,本发明提供了一种柔性管水准标结构。通过采用该柔性管式水准标作为水准基点或水准工作基点,从而实现对绝对垂直位移进行观测。
[0009]本发明是通过如下技术方案予以实现的。
[0010] —种柔性管水准标结构,包括钻孔及安装在钻孔内的钢保护管,所述钻孔的孔底深入基岩内,所述钢保护管通过水泥砂浆固定在钻孔内,所述钢保护管内还安装有柔性管,所述柔性管的顶端与液体箱的底部出流管固定连接,所述柔性管的底部还固结有底座,在底座内侧安装有液位传感器。
[0011]所述柔性管采用分段式安装,且每段柔性管之间通过密封接头连接。
[0012]所述密封接头内部均设置有可自由伸缩的波纹管。
[0013]所述底座通过水泥砂浆固定在钢保护管的底部。
[0014]所述液位传感器的电缆沿柔性管外侧一直牵引至钻孔顶部之外。
[0015]所述液体箱顶部设置有可开合的加液口。
[0016]所述液体箱整体固定安装在混凝土保护墩内。
[0017]所述混凝土保护墩上安装有钢盖板。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]与现有技术相比,本发明采用柔性管作为测管,因此可自由伸缩,可实时跟随地面发生垂直位移而位移,从而通过测量传感器上部垂直液柱高度变化来确定绝对垂直位移值,而且不受温度等外在因素的影响,可以有效保证测量的高精度。
[0020]由于液位测量采用传感器进行,因此测量稳定性好,测量精度高,目前液位传感器可测出的最小液位变化为0.02mm左右,而且可实现自动化连续观测。
[0021]其次,钻孔孔径要明显小于传统金属标钻孔,所采用的材料均较为常见,因此具有施工简易、适用性强、经济性好的特点。
附图说明
[0022]图1为本发明的结构不意图;
[0023]图2为本发明中柔性管的连接示意图;
[0024]图3为采用本发明所述的水准标测量位液计算示意图。
[0025]图中:1-钻孔,2-钢保护管,3-水泥砂浆,4-柔性管,5-液位传感器,6_底座,7_电缆,8-密封接头,9-液体箱,10-混凝土保护墩,11-钢盖板,81-波纹管,91-底部出流管,92-加液口。
具体实施方式
[0026]下面结合附图进一步描述本发明的技术方案,但要求保护的范围并不局限于所述。
[0027]如图1、图2所示,本发明所述的一种柔性管水准标结构,包括钻孔I及安装在钻孔I内的钢保护管2,所述钻孔I的孔底深入基岩内,所述钢保护管2通过水泥砂浆3固定在钻孔I内,对钻孔I的孔壁进行保护,避免钻孔发生较大的侧向位移,所述钢保护管2内还安装有柔性管4,所述柔性管4采用分段式安装,所述每段柔性管4之间通过密封接头8连接,所述密封接头8内部均设置有可自由伸缩的波纹管81,所述柔性管4的最底部固结有底座6,所述底座6通过水泥砂浆3固定在钢保护管2的底部,所述底座6内侧安装液位传感器5,所述液位传感器5的电缆7沿柔性管4外侧一直牵引至钻孔I顶部之外,所述传感器5的电缆7在柔性管4内处于松弛状态。
[0028]所述柔性管4的顶端与液体箱9的底部出流管91固定连接,所述液体箱9顶部设置有可开合的加液口 92,所述液体箱9内装有稳定性和流动性均很好的液体,所述液体箱9整体固定安装在混凝土保护墩10内,所述混凝土保护墩10上安装有钢盖板11,所述钢盖板11可自由开合。
[0029]下面结合附图1、图2进一步说明本发明的施工方法步骤如下:
[0030]第一步:钻孔完成后,在孔内安装若干根钢保护管2,直到钢保护管2全部安装完成后,接着在钢保护管2外侧进行固结灌浆,使得钢保护管2固定于钻孔内,孔内钢保护管2安装时,依次按照第I根、第2根……第η根进行进行安装;
[0031]第二步:为保证柔性管在钢保护管2内处于松弛状态,以利于其自由伸缩,柔性管4连接密封接头8后的总长要大于钻孔I的孔深,比例按1: 1.2〜1: 1.5来确定,由此计算出所需柔性管4的段数和所需密封接头8的数量。在地面将液位传感器5安装于底座6上,并将底座6安装在第I根柔性管4上,然后依次连接第2根、第3根……第η根柔性管4,至此安装前工作完成;
[0032]第三步:将连接好的完整柔性管4及液位传感器5的电缆7匀速缓慢的下放到钻孔I的孔底,然后下放一根灌浆管,将底座6固结安装在钻孔I的孔底即可,注意要保证液位传感器5的电缆7及柔性管4在钢保护管2内均处于松弛状态,至此孔内安装工作完成;
[0033]第四步:在钻孔I顶部地面施做一个混凝土保护墩10,混凝土保护墩10的长、宽、高分别为1.0m、l.0m、0.5m,混凝土保护墩10内部预留有凹槽,使得液体箱9能够稳定放置于凹槽内。接着在柔性管4内充满稳定性和流动性均很好的液体,然后将柔性管4的顶端与液体箱9固定连接,将液体箱9稳定安装在混凝土保护墩1的凹槽内,通过液体箱9上端的加液口92向液体箱9内注入与柔性管4内相同的性质的液体,直至液体液位到达液体箱9内部所设的液位线处,最后在混凝土保护墩10安装一可自由开合的钢盖板11,至此整个安装工作完成;
[0034]第五步:通过二次仪表测读液位传感器5的输出值,采用连续观测3次测值的均值作为计算的基准值Ho。在每次观测前,首先检查液体箱9内液位是否处于液位线处,如果低于液位线则要注入新的液体直至液位重新处于液位线处,如果高于液位线则要排出液体直至液位重新处于液位线处,然后通过二次仪表测读液位传感器的输出值,可计算出此时的液位高Hi ο将当次计算液位高Hi减去初始液位高Ho,即为水准标处的绝对垂直位移值。
[0035]本发明充分利用同一液体的任意深度处的压力只与其上部垂直液柱高度有关这一原理,通过布置于钻孔I孔底的液位传感器5来实时监测液位传感器5上部垂直液柱高度,同时孔底可视作不动点(位移为零),由此即可计算出液位传感器5上部垂直液柱高度的变化值,从而得到绝对垂直位移。
[0036]下面结合附图进一步说明本发明液位传感器5上部垂直液柱高度的变化值计算方法如下:
[0037]如图1至图3,在安装前测读液位传感器5空载时的测值为F空、T空,采用本发明所述的水准标整体安装完成后,测读液位传感器5的初始测值为Fo、To,根据传感器参数k、b可计算出其初始液位Ho。
[0038] Ho = kX (Fo-Fs)+bX (T0-Ts) =Hlo+H20........................(I)
[0039]在第i次测量时,如果地面发生垂直位移,则顶部的混凝土保护墩10会随着地面的位移而发生相应的位移,由于管道为柔性管,因此柔性管将自由伸缩,此时测读液位传感器测值为F1、Ti,此时可计算出第i次测量时的液位Hi。
[0040] Hi = kX (F1-Fo)+b X (T1-To)+Ho = Hli+H21........................(2)
[0041]假设柔性管4自身长度及内径均不受温度影响而保持不变,则柔性管4内液体总体积将不变,加上整套装置内液体总体积一定,因此上部液体箱9内液体体积也不变,液位深度将不变,如图3所示,S卩H2i = H2q,液位传感器所测出的仅是其上部的垂直液柱高度,由此可直接由式(I)和式(2)求出地面的垂直位移ΛΗ(底部为不动点,位移为零)。
[0042] AH=Hl1-Hlo= (H1-H2i)-(Ho-H2o) =H1-H0...................(3)
[0043]但是,对于柔性管4,温度对其自身尺寸的影响不可忽略,当期自身尺寸受温度等外界因素影响而发生改变时,管内液体总体积将发生改变,如果整套装置内液体总体积仍一定,那么液体箱9内液位将发生变化,此部分变化并非地面所真实发生的垂直位移,因此必须予以消除。
[0044] 通过式(3)不难看出,AH=Hl1-Hlo13为消除温度对柔性管自身尺寸的影响,保证测量的精度,只需要保证液体箱内液位一直不变,即Η〗, = !!〗。。因此,每次观测时需要根据液体箱内液位是否处于箱内划定的液位线处,对实际液位进行调整即可。地面实际垂直位移ΛΗ最终按下式求解。
[0045] AH=kX(F1-Fo)+bX (T1-TO).................................(4)。

Claims (8)

1.一种柔性管水准标结构,其特征在于:包括钻孔(I)及安装在钻孔(I)内的钢保护管(2),所述钻孔(I)的孔底深入基岩内,所述钢保护管(2)通过水泥砂浆(3)固定在钻孔(I)内,所述钢保护管(2)内还安装有柔性管(4),所述柔性管(4)的顶端与液体箱(9)的底部出流管(91)固定连接,所述柔性管(4)的底部还固结有底座(6),在底座(6)内侧安装有液位传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述柔性管(4)采用分段式安装,且每段柔性管(4)之间通过密封接头(8)连接。
3.根据权利要求2所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述密封接头(8)内部均设置有可自由伸缩的波纹管(81)。
4.根据权利要求1所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述底座(6)通过水泥砂浆(3)固定在钢保护管(2)的底部。
5.根据权利要求1所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述液位传感器(5)的电缆(7)沿柔性管(4)外侧一直牵引至钻孔(I)顶部之外。
6.根据权利要求1所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述液体箱(9)顶部设置有可开合的加液口(92)。
7.根据权利要求1所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述液体箱(9)整体固定安装在混凝土保护墩(10)内。
8.根据权利要求7所述的一种柔性管水准标结构,其特征在于:所述混凝土保护墩(10)上安装有钢盖板(11)。
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