CN108442330B - 一种混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土坝水平位移施工和运行全过程水平位移监测装置和方法，包括水平位移监测仪、管套、基准线和浮力装置，管套为分段可加长的管套，基准线垂直水平面设置，管套套于基准线外，以便基准线相对套管具有足够的相对活动空间。浮力装置包括浮筒保护罩、置于浮筒保护罩内的油槽和浮子，油槽内盛装有抗冻不挥发低粘性液体，浮子在液体浮力的作用下漂浮于液体上并不受其他部件的约束，套管、以及浮力装置均随大坝施工过程中坝体升高而同步加高，水平位移监测仪固定于坝体测点位置，用于监测仪器安装部位坝体与基准线的相对水平位移变化。本发明不影响混凝土坝施工，能实现大坝施工期和运行期整个过程的大坝水平位移的连续不间断监测。

Description

一种混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种监测装置，尤其涉及一种可对混凝土坝施工期-运行期水平位移进行监测的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置及该装置的使用方法。

背景技术

混凝土大坝从建基面开始浇筑开始，受坝体自重、地基及两岸变形，特别是受上游库水作用和自身徐变的影响，坝体在整个建设和运行全生命周期均在不停的变形之中。坝体变形是坝体结构、材料、施工资料在特定的地质条件和时间下，水位温度荷载综合作用的结果。根据混凝土以及基础的材料特征可知，其施工期变形占整个大坝建设-运行全周期变形的比例很大。更为重要的是，施工阶段的坝体变形监测对检验设计、指导施工、反演热学和力学参数，特别是了解蓄水期大坝安全具有十分重要的作用，尤其对混凝土高坝更是如此。变形监测方法的选择对测量基准值的获取、测量时空范围的确定、测量频次和测量精度都具有十分重要的影响。正因为如此，乌东德、白鹤滩等高混凝土均设立科研项目对施工期坝体变形水平位移监测方法进行研究。

当前的大坝变形测量方法都只能等大坝大部分甚至全部浇注完成后才能安装基准墩或正倒垂进行水平位移测量，但是大坝变形通常是开始变形速率较高、趋势性变形比较大，而随着时间推移趋势性变形逐渐减小。现有的变形测量方法丢失了施工期大部分变形数据，失去了许多研究大坝工作性态的宝贵信息。

发明内容

本发明为了解决现有水平位移监测装置仅能对施工完成后的大坝进行监测，无法做到施工期过程中监测的问题，提供了一种混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，该装置可实现对施工期和运行期过程中的全程监测，有效防止事故的发生。

本发明所采取的技术方案为：一种混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，包括管套、基准线、浮力装置和位移监测仪，所述管套为可加长管套，所述基准线垂直水平方向设置，所述管套套于所述基准线外，所述浮力装置包括浮子和液体，所述浮子在液体浮力的作用下漂浮于液体上，所述基准线一端固定于大坝基础上，一端连接所述浮子，所述浮力装置置于所述管套顶端，所述管套随大坝施工过程中大坝升高而加长，位移监测仪为水平位移监测仪与大坝一同变形，水平位移监测仪用于监测仪器安装部位与所述基准线的相对水平位移变化。

进一步的，所述浮力装置置于施工中大坝的上端。

进一步的，所述管套包括若干节拼装的C型管套，所述C型管套为侧壁设有开口的管体。

进一步的，所述管套包括C型管套和补充块，所述C型管套和补充块可拆卸安装，所述C型管套和补充块形成一完成的管体。

进一步的，所述管套外设有顶升装置，所述顶升装置用于顶升所述管套并加长管套。

进一步的，所述浮力装置包括浮筒保护罩、置于浮筒保护罩内的油槽和浮子，所述油槽内盛装有抗冻不挥发液体，如液体油，所述浮子漂浮于所述液体油上并不受其他部件的约束，所述浮子包括浮筒和支架，所述浮筒为环状，所述支架为圆盘状的放射形钢筋支架。

进一步的，所述基准线包括置于大坝基础和浮子之间的第一线体段和用于随大坝升高时延长基准线的第二线体段，所述第二线体段悬挂与所述浮子上端的环体上，所述第一线体段处于张紧状态，所述第二线体段处于松弛状态。

本发明还提供了一种混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置的使用方法，包括以下步骤

S01在大坝基础上钻孔锚固基准线底端，在基准线外围设置管套，管套顶端设置浮力装置，基准线通过夹子固定在所述浮子上；

S02打开夹子使所述大坝基础和所述浮子之间的基准线长度加长；

S03管套外设有用于顶升所述管套的顶升装置，所述管套包括若干节相互拼接的管套单元，所述顶升装置一端固定第一管套单元，另一端的勾爪扣住勾爪固定管套单元，中间套在第二管套单元上，所述顶升装置顶升所述第一管套单元使所述第一管套单元与所述第二管套单元分离；

S04安装第三管套单元；

S05闭合夹子使所述大坝基础和所述浮子之间的第一线体段基准线处于紧张状态，第二线体段处于松弛状态。

进一步的，所述大坝施工完成后将所述浮力装置固定于所述大坝顶部。

本发明所产生的有益效果包括：(1)不影响混凝土施工，本装置安装和升高过程中不影响大坝施工，能在大坝施工期和运行期连续进行监测。不仅保证监测资料的连续性，同时也能准确获得施工期大坝变形。

(2)管套采用C型管套，安装不影响线体正常工作，同时在安装完成后即用插销作为补充块封闭，既避免混凝土进入，又为水平位移监测仪电缆向上引入上层廊道或坝顶提供固定支架，每节管套之间采用橡胶柔性接头的法兰连接。同时C型管套根据情况可以选择带水平位移监测仪安装空腔的管套，该管套与已安装部位的下部管套采用橡胶柔性接头法兰连接，最后都采用带水平位移监测仪电缆固定环的插销封闭。保证混凝土砂浆不进入保护管，又能保证保护管不整体对混凝土坝的变形构成大尺度约束。

(3)能获得坝体相对大坝基础不动点的基本绝对水平位移，同时根据多个测点变形可以获得坝体挠度。

(4)可根据坝内廊道设置情况，本方法可以采用分段的方法适合各种坝高，只需要将高程较高的线体锚固端和高程较低的线体的浮筒锚固/安装在廊道内的同一部位即可。

(5)基准线采用高强低密度碳纤维材料(DPRP)，线体锚固端、升降支架采用不锈钢结构，管套采用镀锌钢管，浮筒盖板和浮筒油箱由玻璃纤维强化塑料(GFRP)构成，这种新型复合材料因具有重量轻、强度高、耐腐蚀、可透过电磁波等优点，使用这种材料，在保证强度的同时，可降低重量从而便于提升，同时确保内部微型化采集装置(采用低功耗设计、自带高能(锂)电池)及其通讯天线正常工作。将微型化低功耗监测仪器数据采集装置放置于包括盖下，给采集装置提供相对较好的工作环境，如果必要可以增加保温或通风孔，确保采集装置和通讯设施正常工作，该采集装置自动采集水平位移监测仪的监测数据。

(6)可以实现自动化测量，根据现场情况可选用Zigbee、GPRS、LaRa、NB-IoT等方式实现无线组网，变形监测数据可任意远传至大坝建设管理、设计、上级主管以及监督单位。

附图说明

图1本发明中监测装置的结构示意图；

图2本发明中管套的结构示意图；

图3本发明中安装位移监测仪管套的结构示意图；

图4本发明中浮力装置的立体结构示意图；

图5本发明中浮力装置的主视图；

图6本发明中浮力装置的剖面图；

图7本发明中管套加长过程示意图；

图8本发明中顶升装置两侧勾爪复位过程示意图；

图9本发明中顶升装置前后勾爪复位过程示意图；

图10本发明中顶升外架结构示意图；

图中1、浮力装置，1-1、浮筒保护罩，1-2、浮筒，1-3、钢筋支架，2、管套，2-1、c型管套，2-2、补充块，2-3、线圈，2-4、空腔，2-5、第一管套单元，2-6、第二管套单元，2-7、第三管套单元，2-8、勾爪固定管套单元，3、基准线，3-1、第一线体段，3-2、第二线体段，4、水平位移监测仪，5、大坝基础锚固端，6、顶升装置，6-1、顶升外架，6-2、顶升平台,6-3、顶升油缸，6-4、两侧勾爪，6-5、前后勾爪，6-6、上端固定箍，6-7、下端支撑箍，7、环体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明中的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置包括基准线3、置于基准线3外围用于保护基准线3的管套2、用于保证基准线3始终处于竖直方向的浮力装置1和用于监测大坝水平位移变化的水平位移监测仪4。如图4-6，浮力装置1包括浮筒保护罩1-1、置于浮筒保护罩1-1内的油缸和浮子，所述油缸内盛装有抗冻防挥发浮液，所述浮子漂浮于所述液体油上，所述浮子包括浮筒1-2和支架，所述浮筒1-2为环状，所述支架为圆盘状的放射形钢筋支架1-3。基准线3一端锚固在大坝基础岩石(或坝体)内，即大坝基础锚固端5，一端连接浮子，通过浮子张紧浮子与大坝基础之间的基准线3，在浮力的作用下基准线3可一直处于竖直状态，即垂直于水平方向的状态，水平位移监测仪4通过监测与基准线3之间水平位移的变化来监测大坝水平位移的变化。大坝施工过程中，随大坝的升高，增加基准线3和管套2的长度，同时升高浮力装置1，保证与大坝升高步调一致。

固定基准线3时，处于基准线3最低高程处的线体下端在大坝基础处理完毕后浇注大坝前钻孔锚固。如果后期需要灌浆，为避免后期可能的灌浆对钻孔内有效直径的影响，则必须在钻孔内安装管套2，所选取的管套2需保证灌浆压力不会引起管套2的挤压变形。为了便于管套2的加长，管套2采用分节拼装方式，每节管套2之间可采用橡胶柔性接头的法兰连接方式进行连接，该种连接方式可一定程度上减小大坝变形对钢管挤压造成的损坏，管套2的直径需确保大坝变形过程中基准线3在管内始终处于自由状态，自由状态要求管套2预留坝体变形导致的基准线3在管内活动的足够空间，即使考虑在整个大坝受到水压、渗流和温度荷载以及自身的徐变。基准线3上部采用可升降的浮子利用浮力予以张紧。

若大坝较高，本套装置可分段设置若干个，首尾相连，分段设置时，每段上端浮筒等安装在坝体廊道内或坝顶部位。

基准线3长度由大坝坝高和基岩的稳定性确定，具体长度由坝顶高程或廊道高程减去锚固端高程加上必要的浮筒1-2高度确定。为了保证大坝施工过程中，基准线3可随大坝升高而加长，基准线3需要预留一段备用的，处于大坝基础和浮子之间的线体为第一线体段3-1，第一线体段3-1需保证处于张紧状态，连接第一线体段3-1作为预留段的为第二线体段3-2，第一线体段3-1采用夹子固定在浮子上，当第一线体段3-1需要加长时，松开夹子延长第一线体段3-1后再次夹紧固定，相应的第二线体段3-2缩短，第二线体段3-2在浮子锚固孔的上部采用松结构悬挂于浮筒1-2顶部盖上，为减少第二线体段3-2缠绕对浮子的不必要约束，为此采用采用直径2mm高强低密度碳纤维材料(DPRP)线体作为基准线3。

浮子的作用是利用浮力张紧浮子以下线体，为大坝变形提供基准。线体穿过浮子顶部夹紧螺旋，随着坝体浇注的升高同步升高浮子位置，使得浮子除短暂竖直高度调整时段外始终保持对线体浮子下部的张紧状态。浮子包括环状浮筒1-2和放射性钢筋支架1-3，环状浮筒1-2浮于工作间内的油槽上，放射性钢筋支架1-3形成一个圆盘一端连接浮筒1-2，一端连接基准线3，从而保证浮力的合力向上，使得基准线3得以垂直。第二线体段3-2悬挂于浮筒保护罩1-1的上部的环体7上，为避免对浮筒1-2的影响，环体7与浮子之间的第二线体段3-2处于绝对松弛状态。

如图2、图3所示，本发明中的管套2包括c型管套2-1，c型管套2-1侧壁设有开口方便套于基准线3上，且安装过程中不会干扰到基准线3，管套2包括C型管套2-1和补充块2-2，所述C型管套2-1和补充块2-2可拆卸安装，所述C型管套2-1和补充块2-2形成一完成的管体，该补充块2-2作为插销来添堵c型管套2-1开口，保证大坝施工时的泥沙不会进入管道中，插销外壁带有线圈2-3，线圈2-3是固定测量装置所需的电缆用的。每一节管套2之间用带有橡胶柔性接头的法兰连接的方式连接，连接处还有四个定位孔方便每一节管道之间的连接、加固，加强上升过程中的稳定性。水平位移监测仪4可选择固定在选择带水平位移监测仪4安装空腔2-4的管套2中。

为了便于浮力装置1随大坝的升高而升高，管套2需随大坝的升高而加长，需要借助顶升装置6升高上部管套2和浮力装置1，顶升装置6包括顶升外架6-1、顶升平台6-2、顶升油缸6-3以及顶升固定勾爪。油缸在管套2侧壁四个方向都有放置，由一个总线装置统一控制，尽量保证管套2同轴上升。同时工作台放置水平气泡，在有问题的时候可以通过单个油缸的调节达到平衡状态。顶升装置6顶升管套2和浮力装置1的过程如下：

(1)松开固定在浮子上的基准线3，顶升装置6的上端固定箍6-6固定在第一管套单元2-5连接处，保证可以将第一管套单元2-5及其上面的浮力装置1顶起。下端支撑箍6-7套在第二管套单元2-6上，以保证顶升的稳定性，第一管套单元2-5置于第二管套单元2-6上部，该处的管套单元是指单节管套2，顶升装置6上四周的顶升油缸6-3连接的四个固定勾爪扣住勾爪固定管套单元2-7连接处，通过四个油泵伸缩将第一管套单元2-5及第一管套单元2-5以上的管套和浮力装置1一同升高一定距离，然后往中间间断区其中加入第三管套单元2-7，如图7所示。

(2)管套2安装完毕后，前后勾爪6-4保持不动，以保持整个顶升结构的稳定性，两侧勾爪6-3由油泵一处的侧向支撑顶起，自由状态下油泵收回到起始长度，然后勾爪下降扣在勾爪固定管套单元2-7上面一节管套连接处，如图8所示。

(3)两侧勾爪6-3扣牢固后，前后勾爪6-4由油泵一处的侧向支撑顶起，自由状态下油泵收回到起始长度，然后勾爪下降扣在勾爪固定管套单元2-7上面一节管套连接处，如图9所示。

循环此过程从而达到浮力装置1随大坝的浇筑升高而升高，方便了每一时刻大坝变形的测量。

如图10所示，本发明中的顶升外架6-1结构是长方体空心钢架结构，钢架通过钢筋连接上端固定箍6-5以及下端支撑箍6-6。

坝体新浇筑前，顶升装置6将浮力装置1提升到合适高度，然后补充相应节数的管套2，插上并固定插销。根据设计,在水平位移监测仪4安装位置选择带水平位移监测仪4安装空腔2-4的管套2，安装好后将仪器电缆引入浮力装置1内部的数据采集单元之中。水平位移监测仪4的电缆长度根据水平位移监测仪安装位置和最终浮力装置1的位置确定，电缆预留长度盘转挂在浮筒内，根据浮力装置1上升情况局部延长。如此周而复始，直到浮力装置1固定在坝内廊道或坝顶上。

Claims (9)

1.一种混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，包括位移监测仪，其特征在于：包括管套、基准线、浮力装置和位移监测仪，所述管套为可加长管套，所述基准线垂直水平方向设置，所述管套套于所述基准线外，所述浮力装置包括浮子和液体，所述浮子在液体浮力的作用下漂浮于液体上，所述基准线一端固定于大坝基础上，一端连接所述浮子，所述浮力装置置于所述管套顶端，所述管套随大坝施工过程中大坝升高而加长，位移监测仪为水平位移监测仪与大坝一同变形，水平位移监测仪用于监测仪器安装部位与所述基准线的相对水平位移变化。

2.根据权利要求1所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，其特征在于：所述浮力装置置于施工中大坝的上端。

3.根据权利要求1所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，其特征在于：所述管套包括若干节拼装的C型管套，所述C型管套为侧壁设有开口的管体。

4.根据权利要求3所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，其特征在于：所述管套包括C型管套和补充块，所述C型管套和补充块可拆卸安装，所述C型管套和补充块形成一完整的管体。

5.根据权利要求3所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，其特征在于：所述管套外设有顶升装置，所述顶升装置用于顶升所述管套并加长管套。

6.根据权利要求1所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，其特征在于：所述浮力装置包括浮筒保护罩、置于浮筒保护罩内的油槽和浮子，所述油槽内盛装有液体油，所述浮子漂浮于所述液体油上，所述浮子包括浮筒和支架，所述浮筒为环状，所述支架为圆盘状的放射形钢筋支架。

7.根据权利要求1所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置，其特征在于：所述基准线包括置于大坝基础和浮子之间的第一线体段和用于随大坝升高时延长基准线的第二线体段，所述第二线体段悬挂于所述浮子上端的环体上，所述第一线体段处于张紧状态，所述第二线体段处于松弛状态。

8.一种基于权利要求1所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01在大坝基础上钻孔锚固基准线底端，在基准线外围设置管套，管套顶端设置浮力装置，基准线通过夹子固定在所述浮子上；

S02打开夹子使所述大坝基础和所述浮子之间的基准线长度加长；

S03管套外设有用于顶升所述管套的顶升装置，所述顶升装置上设置有用于抓握管套的勾爪，所述管套包括若干节相互拼接的管套单元，所述顶升装置一端固定第一管套单元，另一端固定第二管套单元，顶升装置的勾爪扣住勾爪固定管套单元，所述勾爪固定管套单元置于第二管套单元下侧，所述第一管套单元置于所述第二管套单元上端，所述顶升装置顶升所述第一管套单元使所述第一管套单元与所述第二管套单元分离；

S04在所述第一管套单元和第二管套单元之间安装第三管套单元；

S05夹紧夹子，使大坝基础与浮子之间的基准线处于预紧状态。

9.根据权利要求8所述的混凝土坝建设运行全过程水平位移监测装置的方法，其特征在于：所述大坝施工完成后将所述浮力装置固定于所述大坝顶部。

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