CN107131862A - 一种堆石坝面板变形监测装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆石坝面板变形监测装置及方法，包括位于堆石坝(1)上游侧的混凝土面板(2)，所述混凝土面板(2)内设置有管道(3)；所述管道(3)内安装有阵列式三维测量系统(6)；所述阵列式三维测量系统(6)与数据采集模块(7)连接，数据采集模块(7)置于保护墩(8)内；所述保护墩(8)同部位处设置有表面变形观测墩(9)。本发明在面板内布置阵列式三维测量系统对面板的变形进行监测，达到对面板的变形连续、全过程自动化监测的目的。

Description

一种堆石坝面板变形监测装置及施工方法

技术领域

本发明属于水利水电工程安全监测领域，特别涉及到一种对混凝土面板堆石坝的面板变形进行监测的装置及其施工方法。

背景技术

随着我国水利水电资源开发的蓬勃发展，面板堆石坝因其良好的工程适应性和经济性而被广泛采用。面板堆石坝主要由堆石体和防渗系统组成，包括:面板、趾板、垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区。其中，面板为堆石坝重要的防渗结构之一，其与堆石体之间变形的不协调，往往会引起面板开裂、脱空、挠度过大而断裂等不利情况发生，从而导致大坝的防渗体系出现问题，对大坝的安全构成威胁。因此，在大坝的整个生命周期内对面板的变形进行监测，掌握面板的工作状态，是一项必不可少的工作。

目前，堆石坝面板变形监测手段包括以下几种：

(1)活动式测斜仪：沿测斜管牵引探头即可进行观测，能够直接测到面板连续的挠度曲线。但是当变形较大时，测斜管弯曲较大，导致探头无法在管内自由通过，观测即无法进行。而且，测斜管需要一段一段接长，过程中必须保证导向槽对正，导向槽的最终安装方向要确保与所测方向平行或垂直。因此，施工繁琐、安装质量不易保证，且难以实现自动化观测，需要花费大量的人力物力。另外，用于面板监测的活动式测斜仪通常是经过改造的斜测斜仪，以适应斜坡面的倾角(即将其内置的加速度计旋转了一定角度)，这样就导致其在大角度测量时不能进行正反测自校，需要进一步通过现场标定消除误差，增加工作任务。采用高精度测斜仪低精度使用来代替斜测斜仪虽然可行，但在大角度工作时，受探头精度限制，亦存在上述同样问题。

(2)固定式测斜仪：较活动式测斜仪而言，易于实现自动化观测，而且可以根据计算成果，将传感器布置在预计变形位置，即能够用于活动式测斜仪难以观测的测点。但是由于测点固定，一套测斜管需要安装多个传感器才能够较为完整的反映被测结构的变形，造价高，而且无法实现挠度线的连续性监测，传感器损坏后难以维修。

(3)电平器：灵敏度高，仪器体积小，可通过支架直接固定在被测结构内部或表面，施工简单快捷，仪器不受角度限制，运行期易于实现全自动化监测，目前应用最为广泛，但是实际使用效果不佳。主要原因为电平器是反映角度点位移，是一种间接观测，通过对不连续的测点测值经过拟合曲线的积分值，测点间距过大，拟合效果就会很差。即整体精度很大程度上取决于仪器布置的疏密，成本高。而且蓄水后，铺盖以下测点极易损坏，损坏后相应的计算无法进行且测点仪器无法修复，导致整套系统作废。

(4)光纤陀螺仪：灵敏度高，受干扰小，可实现挠度线的连续性监测。但是该仪器可动部件多，每次测量时陀螺仪小车在圆形钢管通道中上下拖动距离长(水布垭拖动800余米，且小车轨道缺乏唯一性)，对测量精度的重复性-稳定性的不利影响因素较多，而且整套系统的成本较高，使用率低。另外，施工过程中需要在坝坡面上吊装钢管，存在一定安全隐患。

(5)其他：由四川大学开发的高土石坝变形监测的光纤传感技术与系统(公告号:CN105910545A,公告日:2016.08.31)，主要利用光纤传感技术，通过布设与面板正交的板形梁，并以两岸岩基为固端，沿程用钢构件夹牢板顶部，钢构件埋入面板砼中，使其顶面与面板砼连结一体，形成砼面板挠度-应变-接缝一体化监测。该系统可兼具面板挠度监测的作用。但是该系统构建复杂，且光纤技术应用于大坝监测虽说已经较为常见，但根据实际情况来看，光纤本身的稳定性不易保证，同时在土石坝施工过程中，对光缆的保护较为困难，易被破坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术手段存在的不足，提出在面板内布置阵列式三维测量系统对面板的变形进行监测，达到对面板的变形连续、全过程自动化监测的目的。

本发明的技术方案如下：

一种堆石坝面板变形监测装置，包括位于堆石坝上游侧的混凝土面板；

所述混凝土面板内设置有管道；

所述管道内安装有阵列式三维测量系统；

所述阵列式三维测量系统与数据采集模块连接，数据采集模块置于保护墩内；

所述保护墩同部位处设置有表面变形观测墩。

所述阵列式三维测量系统内置于PVC管中。

所述PVC管与管道之间填充有细砂。

所述管道由多段不锈钢管拼接而成，且通过管箍与混凝土面板的钢筋相连。

所述多段不锈钢管间通过螺纹连接。

上述方案中提及的阵列式三维测量系统包括但不限于加拿大Measurand公司生产的柔性测斜仪，该柔性测斜仪采用MEMS加速度传感器，阵列式形式，可自动校准，三维变形测量。

上述方案中提及的数据采集模块包括但不限于MEMS数据采集模块(例如基康LC-3)、移动GPRS无线通信的数据采集模块、RS485等。

一种堆石坝面板变形监测装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：在混凝土面板钢筋施工的同时，将管道分段连接，接头处做好防水密封处理，并用铁丝预固定在钢筋上，然后将管箍扣紧在不锈钢管外部，最后焊接固定在钢筋上；检验管道接头和管身的稳固性，循环上述步骤，分段连接固定管道，直至混凝土面板顶部；

步骤二：将阵列式三维测量系统穿入PVC管内，然后将整套系统放入管道内，在PVC管与管道之间的空隙内填充细砂，直至填充至管顶即停止；

步骤三：将阵列式三维测量系统接入外部数据采集模块，利用工程区外观控制网取得管道的管口初始坐标值，并检验数据采集和传输是否正常；

步骤四：在管道管口外部浇筑混凝土保护墩，在保护墩的同部位浇筑一个表面变形观测墩，利用工程区外观控制网取得表面变形观测墩的坐标值。

所述步骤二中，细砂的填充要缓慢匀速，每填充一段后注入适量的水，使细砂缓慢自密实。

上述施工方法中提及的同部位是指保护墩与表面变形观测墩紧靠布置，也就是保证二者的变形一样，同部位为业内常用术语。

上述施工方法中提及的外观控制网是指平面变形网和水准控制网，即工程区变形稳定的点，从而可定期利用控制网点来校核表面变形观测墩的坐标，术语业内常用术语。

一种阵列式三维测量系统的安装结构，包括管道和置于管道内的阵列式三维测量系统，管道与阵列式三维测量系统之间为非固定式连接。这里的非固定式连接即可拆卸连接(区别于现有技术中灌浆方式)，例如填充柔性材料或散粒状材料，但不包括胶凝材料(比如混凝土砂浆)，填充材料使得管道与阵列式三维测量系统之间被压紧，但仍可较方便的拆卸。

进一步，阵列式三维测量系统可预先装入PVC管中，再放入管道中。

本发明在堆石坝面板混凝土浇筑之前，在面板的钢筋上焊接固定管道，所述管道根据面板施工进度分段连接，所述管道之间采用螺纹连接，接头处做好防水密封，所述管道连接完成后，即可开始面板混凝土的浇筑施工。

在所述面板混凝土浇筑完成后，将阵列式三维测量系统传感器穿入PVC管内，然后从坝顶将穿管后的阵列式三维测量系统传感器下放至所述管道中，紧接着向所述管道中缓慢匀速填充细砂，填充过程中为保证细砂密实，每填充一段后注入适量的水，使细砂缓慢自密实。所述细砂填充至管顶即停止，然后将所述阵列式三维测量系统传感器电缆接入数据采集模块，并在外部浇筑混凝土保护墩，对管口进行保护。最后，在保护墩的同部位浇筑一个表面变形观测墩，所述表面变形观测墩可校核管口坐标。

本发明在混凝土面板内埋设安装阵列式三维测量系统对面板的变形进行监测，可实现对面板三维变形的连续性观测且可实现全过程的自动化监测。

本发明阵列式三维测量系统内置于预埋在面板内部的管道中，系统自身在安装过程中基本不受施工干扰影响，安装完成后亦得到很好的保护，可大大提高安装质量和仪器使用寿命。

本发明阵列式三维测量系统自身适应性强，维护成本低。同时由于其与不锈钢管之间空隙采用细砂填充，意味着其后期是可以轻易取出的，因此具有可重复利用，可维修的优点。

附图说明

图1为本发明的堆石坝面板变形监测装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明堆石坝1的上游侧有混凝土面板2，所述混凝土面板2内部有多段不锈钢管道3，所述不锈钢管道3的管与管之间采用螺纹连接，接头处做好防水密封，所述不锈钢管道3连接完成后形成一条整体的中空管道，不锈钢管道3利用管箍5焊接固定在所述面板2的钢筋上。所述不锈钢管3内部有阵列式三维测量系统6，所述阵列式三维测量系统6在放入所述不锈钢管道3之前均穿入PVC管内，所述阵列式三维测量系统6与所述不锈钢管道3之间的空隙填充细砂4，所述细砂4填充至所述不锈钢管道3的管顶即停止，所述阵列式三维测量系统6接入数据采集模块7，并在管口浇筑混凝土保护墩8。在所述保护墩8的同部位浇筑一个表面变形观测墩9，所述表面变形观测墩9可校核管口坐标。

本发明具体实施步骤如下：

步骤一：在混凝土面板钢筋施工的同时，将准备好的不锈钢管道3分段连接，接头处做好防水密封处理，并用铁丝预固定在钢筋上。然后将管箍5扣紧在不锈钢管道3外部，最后焊接固定在钢筋上。检验不锈钢管道3接头和管身的稳固性。循环上述步骤，分段连接固定不锈钢管道3，直至面板顶部。整个过程中，保证不锈钢管道3的连接固定工作与面板钢筋施工一直同步进行。

步骤二：将阵列式三维测量系统6穿入PVC管内，然后将整套系统放入不锈钢管道3内。紧接着，在阵列式三维测量系统6与不锈钢管道3之间的空隙填充细砂4，细砂4的粒径根据空隙实际大小确定。细砂4的填充要缓慢匀速，同时为保证填充后细砂密实，过程中每填充一段后注入适量的水，使细砂4缓慢自密实，直至填充至管顶即停止。

步骤三：将阵列式三维测量系统6接入外部数据采集模块7，利用工程区外观控制网取得不锈钢管道3的管口初始坐标值，并检验数据采集和传输是否正常。

步骤四：在管口外部浇筑混凝土保护墩8，确保外部杂物或雨水等不对仪器造成影响。最后，在保护墩8的同部位浇筑一个表面变形观测墩9，利用工程区外观控制网取得表面变形观测墩9的坐标值，后期利用表面变形观测墩9来校核不锈钢管道3的管口坐标值，取得准确的计算成果。

Claims (8)

1.一种堆石坝面板变形监测装置，包括位于堆石坝(1)上游侧的混凝土面板(2)，其特征在于：

所述混凝土面板(2)内设置有管道(3)；

所述管道(3)内安装有阵列式三维测量系统(6)；

所述阵列式三维测量系统(6)与数据采集模块(7)连接，数据采集模块(7)置于保护墩(8)内；

所述保护墩(8)同部位处设置有表面变形观测墩(9)。

2.根据权利要求1所述的一种堆石坝面板变形监测装置，其特征在于：所述阵列式三维测量系统(6)内置于PVC管中。

3.根据权利要求2所述的一种堆石坝面板变形监测装置，其特征在于：所述PVC管与管道(3)之间填充有细砂(4)。

4.根据权利要求1所述的一种堆石坝面板变形监测装置，其特征在于：所述管道(3)由多段不锈钢管拼接而成，且通过管箍(5)与混凝土面板(2)的钢筋相连。

5.根据权利要求4所述的一种堆石坝面板变形监测装置，其特征在于：所述多段不锈钢管间通过螺纹连接。

6.一种堆石坝面板变形监测装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在混凝土面板(2)钢筋施工的同时，将管道(3)分段连接，接头处做好防水密封处理，并用铁丝预固定在钢筋上，然后将管箍(5)扣紧在不锈钢管(3)外部，最后焊接固定在钢筋上；检验管道(3)接头和管身的稳固性，循环上述步骤，分段连接固定管道(3)，直至混凝土面板(2)顶部；

步骤二：将阵列式三维测量系统(6)穿入PVC管内，然后将整套系统放入管道(3)内，在PVC管与管道(3)之间的空隙内填充细砂(4)，直至填充至管顶即停止；

步骤三：将阵列式三维测量系统(6)接入外部数据采集模块(7)，利用工程区外观控制网取得管道(3)的管口初始坐标值，并检验数据采集和传输是否正常；

步骤四：在管道(3)管口外部浇筑混凝土保护墩(8)，在保护墩(8)的同部位浇筑一个表面变形观测墩(9)，利用工程区外观控制网取得表面变形观测墩(9)的坐标值。

7.根据权利要求6所述的一种堆石坝面板变形监测装置的施工方法，其特征在于：所述步骤二中，细砂(4)的填充要缓慢匀速，每填充一段后注入适量的水，使细砂(4)缓慢自密实。

8.一种阵列式三维测量系统的安装结构，其特征在于：包括管道和置于管道内的阵列式三维测量系统，管道与阵列式三维测量系统之间为非固定式连接。