CN109990938B - 一种测量冰层拉压力的装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量冰层拉压力的装置及其安装方法，装置包括固定设于大坝上的底座，所述底座与拉压力传感器一侧连接，拉压力传感器另一侧与受力盘连接，所述拉压力传感器外表面设有保护套管；另外本发明还公开装置的安装方法；本发明结合拉压力传感器进行结构设计，制作出一套可以实时测量冰层拉压力的装置，通过合理的布置和辅助设备，可对寒冷地区水利工程冬季受到的冰层拉压力进行测量，为准确研究冰的力学特性和变化情况，和对寒冷地区的农业生产、水利建设等具有积极的指导意义。

Description

一种测量冰层拉压力的装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及水利工程混凝土施工技术领域，具体地指一种测量冰层拉压力的装置及其安装方法。

背景技术

冰冻现象是低温条件下一种常见的自然现场，在我国西北地区的冬季冰冻现象更加普遍。在这些地区陆续建设了相当数量的水利工程（包括大坝、引水渠道、堤坝等），当冬季寒潮来临气温降低时，这些水工建筑物就会受到冰冻现象带来的危害。我国寒冷地区的水利工程冬季水库结冰后随着温度的波动会发生体积膨胀，产生的静冰压力对坝体及附属结构破坏十分严重；库区冰盖在产生静冰压力的同时，随着库区水位的升降可能会产生崩塌现象，紧贴坝体结构的冰层又会产生拉压破坏；而到了春季冰融化之后冰层破碎在库区来回漂流又会形成冻冰，不断撞击坝体产生另一种形式的破坏，这些外力作用轻则损伤坝体表层和其附属结构，重则造成结构破坏影响大坝安全。

由于环境变化的复杂性和冰的自身特性，冰层与约束条件的相互作用受到诸多条件如地域特性、边界条件的形状、温度、风速等的影响，且静冰压力的研究涉及热力学、动力学、材料力学等各个学科，因此对静冰压力的规律一直没有普便适用的方法。准确研究冰的力学特性和检测静冰压力的变化情况，对寒冷地区的农业生产、水利建设等具有积极的指导意义。

为了准确研究冰的拉压力，就首先要寻求一种准确测量冰层拉压力的方法和装置，实现对寒冷地区水利工程在冬季受冰层拉压力的实时检测。国外专家很早就进行了理论分析和实验测量，得到的成果包括静冰压力估算公式、相关规范和估计河流结冰厚度模型等。国内学者对冰层拉压力的测量研究开始的相对较晚，通过对国外专家开展冰拉压力研究理论和实验技术的借鉴，综合考虑了国内实际环境，从20世纪80 年代至今三十多年以来进行了大量研究工作，许多研究者也取得了各种成果，这些成果对水利设施的设计和建造具有极大的指导意义。

为了研究寒冷地区水利工程在冬季受冰层的影响程度，需要对冰层拉压力进行准确测量。目前研究冰层拉压力的方法主要有三种：

（1）表面直接测量法

由压力传感器和金属盒支撑固体面板做成冰荷载压力盒，安装在冰与结构的作用面上，通过人工进行长期的观测记录获取冰层内部力学强度变化的数值，该方法被认为是最合理的直接测定冰压力的方法。

该方法的主要不足：由于现场测试环境复杂恶劣，检测技术所限，导致数据匮乏，缺乏连续完整性，往往很难测试到冰力学强度值完整的变化过程。同时受冰本身性质影响，普通的压力传感器容易被冰包裹，致使测量值产生误差，或者得到错误的数据。

（2）冰力模型试验法

通过在室内建立低温实验室，通过对现场原型冰切割取样、人工降温冷冻生产、化学合成等途径获得实验用模型冰，在人造低温环境下对模型冰外施单轴方向机械力或模拟与结构物的碰撞，实现对冰力学强度的检测。

该方法存在的缺点一是投资高，检测方法陈旧，实时性差，二是与现场环境存在一定差别，因此所得数据较实际环境误差较大。

（3）光纤光栅传感器

目前主要以光纤光栅为代表，光纤光栅传感器具有精度高、重量轻、体积小、可靠性好、布点容量大等特点，利用光纤光栅制作冰压力传感器，能够实现超远距离的信号传输和高速的动态在线检测从而满足静冰压力现场在线检测的要求。

该方法的缺点是光纤光栅对温度和应变具有交叉敏感性，在测量冰压力时需要进行温度补偿，这在实际应用中要加以解决。其次该方法主要用来测量静冰压力，对于水利工程库区的冻冰压力缺乏有效的测量手段。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种测量冰层拉压力的装置及其安装方法，结合拉压力传感器进行结构设计，制作一套可以实时测量冰层拉压力的装置，通过合理的布置和辅助设备，可对寒冷地区水利工程冬季受到的冰层拉压力进行测量，为准确研究冰的力学特性和变化情况，和对寒冷地区的农业生产、水利建设等具有积极的指导意义。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种测量冰层拉压力的装置，它包括固定设于大坝上的底座，所述底座与拉压力传感器一侧连接，拉压力传感器另一侧与受力盘连接，所述拉压力传感器外表面设有保护套管。

优选地，所述拉压力传感器两侧各固定连接有一个测力杆，其中一个测力杆与底座固定连接，另一个测力杆与受力盘固定连接。

优选地，所述测力杆末端设有外螺纹，底座一侧通过锚固件固定于大坝上，底座另一侧固定设有螺纹套筒，螺纹套筒与其中一个测力杆末端螺纹连接，另一个测力杆末端与延伸套管一端螺纹连接，延伸套筒另一端与螺纹杆一端螺纹连接，螺纹杆另一端与受力盘固定连接。

优选地，所述保护套管为圆筒形结构，底座为圆柱形结构，保护套管一侧开放并套装于底座外表面，保护套管另一侧封闭并开设有用于穿装延伸套筒的通孔，通孔位置还设有橡胶密封圈。

优选地，所述保护套管靠近受力盘的区域还填充有封堵剂。

优选地，若大坝存在保温层，则受力盘贴近保温层与冰层交界区域；若大坝不存在保温层，则受力盘贴近大坝混凝土表面与冰层交界区域；受力盘与冰层接触的一面为粗糙毛面。

优选地，所述拉压力传感器通过数据线与无纸记录仪连接，无纸记录仪通过数据线与电脑连接。

本发明还提供上述装置的安装方法，如果大坝表面存在保温层，则包括以下步骤：

步骤1）：采用锚固件将底座固定在大坝混凝土表面；

步骤2）：将拉压力传感器一端和底座采用刚性连接，保证拉压力传感器垂直于大坝混凝土表面，将拉压力传感器另一端与延伸套筒一端连接；

步骤3）：选择长度和保温层厚度一致的保护套管，将保护套管套装在底座、拉压力传感器和延伸套筒表面；调整延伸套筒的长度，使得延伸套筒末端伸长到保护套管外；

步骤4）：将延伸套筒另一端伸出到保护套管外的部分安装好橡胶密封圈，然后将受力盘与延伸套筒末端刚性连接，使得受力盘能够贴近保温层与冰层交界区域；

步骤5）：采用封堵剂对受力盘与保护套管封闭端之间的孔隙进行涂抹灌注密封；

步骤6）：在观测室将拉压力传感器的数据线与无纸记录仪进行连接，同时将多台无纸记录仪和电脑连接。

另外本发明还提供上述装置的另一种安装方法，如果大坝表面不存在保温层，则包括以下步骤：

步骤1）：采用钻孔工具在大坝混凝土表面开孔，然后将底座固定在大坝内部孔洞中；

步骤2）：将拉压力传感器一端和底座采用刚性连接，保证拉压力传感器垂直于大坝混凝土表面，将拉压力传感器另一端与延伸套筒一端连接；

步骤3）：将保护套管套装在底座、拉压力传感器和延伸套筒表面；调整延伸套筒的长度，使得延伸套筒末端伸长到保护套管外；

步骤4）：将延伸套筒另一端伸出到保护套管外的部分安装好橡胶密封圈，然后将受力盘与延伸套筒末端刚性连接，使得受力盘能够贴近大坝混凝土表面与冰层交界区域；

步骤5）：采用封堵剂对受力盘与保护套管封闭端之间的孔隙进行涂抹灌注密封；

步骤6）：在观测室将拉压力传感器的数据线与无纸记录仪进行连接，同时将多台无纸记录仪和电脑连接。

本发明的有益效果：

1、本发明通过在待测物表面与冰层之间布置测量装置，可以直接观测记录冰层拉压力变化，采用的构造可以应对复杂的外界环境。

2、与冰力模型试验法相比，本发明装置不用破坏冰层的整体性，能够最大限度地测量静冰和冻冰对大坝混凝土的不同工况下的拉压力情况。

3、和基于光纤光栅的冰压力传感器相比，本发明采用的传感器结构具有精度高、可靠性好、体积和重量适宜，温度对测量值影响小等优点。

4、本发明采用特制的保护套管将拉压力传感器包裹其中，中间的空腔不会被进水，防止进水结冰影响传感器受力时正常的应变，保证测量数据的准确性。

5、本发明混凝土大坝表面、底座、拉压力传感器、受力盘之间采用刚性连接，自身不会发生形变和位移，不会影响拉压力传感器的箔式应变片的实际效果，保证数据的准确性。

6、本发明在保护套管尾端与受力盘之间采用封堵剂（黄油）进行填充，可以有效防止水进入这些缝隙而导致在低温下将受力盘与保护套管之间的水冻结成整体，导致无法测量正确的拉压力数据。

7、采用设备替换人工进行数据的读取，使数据采集更加精确，频次也更高（最低可以达到每秒一次），可以捕捉到自然界复杂多变环境下冰层拉压力瞬时的变化情况，这是人工无法做到的。

附图说明

图1 为一种测量冰层拉压力的装置的结构示意图；

图2为图1中拉压力传感器所在区域的放大结构示意图；

图3为图2中拉压力传感器的结构示意图；

图4为通过本发明装置在其中一个区域测得的冰层拉压力数据曲线图；

图5为通过本发明装置在另外一个区域测得的冰层拉压力数据曲线图；

图中，底座1、锚固件1.1、螺纹套筒1.2、拉压力传感器2、测力杆2.1、受力盘3、螺纹杆3.1、保护套管4、延伸套筒5、橡胶密封圈5.1、封堵剂6、保温层7、冰层8、无纸记录仪9、电脑10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至5所示，一种测量冰层拉压力的装置，它包括固定设于大坝上的底座1，所述底座1与拉压力传感器2一侧连接，拉压力传感器2另一侧与受力盘3连接，所述拉压力传感器2外表面设有保护套管4。本实施例中的保护套管4将拉压力传感器2包裹其中，中间的空腔不会被进水，防止进水结冰影响传感器受力时正常的应变，保证测量数据的准确性，另外保护套管4采用HDPE管，其具有良好的耐热性和耐寒性，当处于低温条件下自身物理性能不会发生较大的变化。

优选地，所述拉压力传感器2两侧各固定连接有一个测力杆2.1，其中一个测力杆2.1与底座1固定连接，另一个测力杆2.1与受力盘3固定连接。在本实施例中，拉压力传感器2量程可以根据测量冰层的需要进行选择，可在5-200kg，本实施例可以选用JLBM系列拉压力传感器，其采用箔式应变片贴在合金钢弹性体上，而测力杆2.1与箔式应变片连接。

优选地，所述测力杆2.1末端设有外螺纹，底座1一侧通过锚固件1.1固定于大坝上，底座1另一侧固定设有螺纹套筒1.2，螺纹套筒1.2与其中一个测力杆2.1末端螺纹连接，另一个测力杆2.1末端与延伸套管5一端螺纹连接，延伸套筒5另一端与螺纹杆3.1一端螺纹连接，螺纹杆3.1另一端与受力盘3固定连接。

优选地，所述保护套管4为圆筒形结构，底座1为圆柱形结构，保护套管4一侧开放并套装于底座1外表面，保护套管4另一侧封闭并开设有用于穿装延伸套筒5的通孔，通孔位置还设有橡胶密封圈5.1；本实施例中保护套管4直径略大于拉压力传感器2中间段直径，保护套管4采用中空结构，靠近底座1的一端为开放式，另一端为封闭式且其中间设置有一圆形通孔，通孔直径略大于延伸套筒5直径；橡胶密封圈5.1可以防止水从延伸套筒5与保护套管4之间的缝隙进入到拉压力传感器2所在的内部空腔。

优选地，所述保护套管4靠近受力盘3的区域还填充有封堵剂6。本实施例中，封堵剂6为黄油，黄油本身凝固点低，采用黄油涂抹灌注填充后，可以防止水进入这些缝隙而导致在低温下将受力盘与保护套管4之间的水冻结成整体，导致无法测量正确的拉压力数据。

优选地，若大坝存在保温层7，则受力盘3贴近保温层7与冰层8交界区域；若大坝不存在保温层7，则受力盘3贴近大坝混凝土表面与冰层8交界区域；受力盘3与冰层8接触的一面为粗糙毛面。本实施例中受力盘3采用刚性材料制作，可以做成圆形或者方形，接触面积可在4-25cm²，受力盘3与冰层8接触的一面为粗糙毛面，这样使得冰层8在受力盘3附着，可以结冰为一个整体。

优选地，所述拉压力传感器2通过数据线与无纸记录仪9连接，无纸记录仪9通过数据线与电脑10连接。

如果大坝表面存在保温层7，则安装方法包括以下步骤：

步骤1）：采用锚固件1.1将底座1固定在大坝混凝土表面；

步骤2）：将拉压力传感器2一端和底座1采用刚性连接，保证拉压力传感器2垂直于大坝混凝土表面，将拉压力传感器2另一端与延伸套筒5一端连接；

步骤3）：选择长度和保温层7厚度一致的保护套管4，将保护套管4套装在底座1、拉压力传感器2和延伸套筒5表面；调整延伸套筒5的长度，使得延伸套筒5末端伸长到保护套管4外；

步骤4）：将延伸套筒5另一端伸出到保护套管4外的部分安装好橡胶密封圈5.1，然后将受力盘3与延伸套筒5末端刚性连接，使得受力盘3能够贴近保温层7与冰层8交界区域；

步骤5）：采用封堵剂6对受力盘3与保护套管4封闭端之间的孔隙进行涂抹灌注密封；

步骤6）：在观测室将拉压力传感器2的数据线与无纸记录仪9进行连接，同时将多台无纸记录仪9和电脑10连接。

如果大坝表面不存在保温层7，则安装方法包括以下步骤：

步骤1）：采用钻孔工具在大坝混凝土表面开孔，然后将底座1固定在大坝内部孔洞中；本实施例可以直接采用电锤来对大坝混凝土表面进行开孔；

步骤2）：将拉压力传感器2一端和底座1采用刚性连接，保证拉压力传感器2垂直于大坝混凝土表面，将拉压力传感器2另一端与延伸套筒5一端连接；

步骤3）：将保护套管4套装在底座1、拉压力传感器2和延伸套筒5表面；调整延伸套筒5的长度，使得延伸套筒5末端伸长到保护套管4外；

步骤4）：将延伸套筒5另一端伸出到保护套管4外的部分安装好橡胶密封圈5.1，然后将受力盘3与延伸套筒5末端刚性连接，使得受力盘3能够贴近大坝混凝土表面与冰层8交界区域；

步骤5）：采用封堵剂6对受力盘3与保护套管4封闭端之间的孔隙进行涂抹灌注密封；

步骤6）：在观测室将拉压力传感器2的数据线与无纸记录仪9进行连接，同时将多台无纸记录仪9和电脑10连接。

本实施例，通过电脑可以实时监测冰层8与大坝混凝土表面或保温层7表面之间的拉压力，可以准确获得冰的力学特性和变化情况；以大坝表面存在保温层7为例，图4和5中所示为通过本发明装置获得的冰层拉压力数据曲线。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量冰层拉压力的装置，其特征在于：它包括固定设于大坝上的底座（1），所述底座（1）与拉压力传感器（2）一侧连接，拉压力传感器（2）另一侧与受力盘（3）连接，所述拉压力传感器（2）外表面设有保护套管（4）；所述拉压力传感器（2）两侧各固定连接有一个测力杆（2.1），其中一个测力杆（2.1）与底座（1）固定连接，另一个测力杆（2.1）与受力盘（3）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量冰层拉压力的装置，其特征在于：所述测力杆（2.1）末端设有外螺纹，底座（1）一侧通过锚固件（1.1）固定于大坝上，底座（1）另一侧固定设有螺纹套筒（1.2），螺纹套筒（1.2）与其中一个测力杆（2.1）末端螺纹连接，另一个测力杆（2.1）末端与延伸套管（5）一端螺纹连接，延伸套筒（5）另一端与螺纹杆（3.1）一端螺纹连接，螺纹杆（3.1）另一端与受力盘（3）固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种测量冰层拉压力的装置，其特征在于：所述保护套管（4）为圆筒形结构，底座（1）为圆柱形结构，保护套管（4）一侧开放并套装于底座（1）外表面，保护套管（4）另一侧封闭并开设有用于穿装延伸套筒（5）的通孔，通孔位置还设有橡胶密封圈（5.1）。

4.根据权利要求1所述的一种测量冰层拉压力的装置，其特征在于：所述保护套管（4）靠近受力盘（3）的区域还填充有封堵剂（6）。

5.根据权利要求1所述的一种测量冰层拉压力的装置，其特征在于：若大坝存在保温层（7），则受力盘（3）贴近保温层（7）与冰层（8）交界区域；若大坝不存在保温层（7），则受力盘（3）贴近大坝混凝土表面与冰层（8）交界区域；受力盘（3）与冰层（8）接触的一面为粗糙毛面。

6.根据权利要求1所述的一种测量冰层拉压力的装置，其特征在于：所述拉压力传感器（2）通过数据线与无纸记录仪（9）连接，无纸记录仪（9）通过数据线与电脑（10）连接。

7.一种权利要求1至6任一项所述测量冰层拉压力的装置在存在保温层的大坝表面上的安装方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1）：采用锚固件（1.1）将底座（1）固定在大坝混凝土表面；

步骤2）：将拉压力传感器（2）一端和底座（1）采用刚性连接，保证拉压力传感器（2）垂直于大坝混凝土表面，将拉压力传感器（2）另一端与延伸套筒（5）一端连接；

步骤3）：选择长度和保温层（7）厚度一致的保护套管（4），将保护套管（4）套装在底座（1）、拉压力传感器（2）和延伸套筒（5）表面；调整延伸套筒（5）的长度，使得延伸套筒（5）末端伸长到保护套管（4）外；

步骤4）：将延伸套筒（5）另一端伸出到保护套管（4）外的部分安装好橡胶密封圈（5.1），然后将受力盘（3）与延伸套筒（5）末端刚性连接，使得受力盘（3）能够贴近保温层（7）与冰层（8）交界区域；

步骤5）：采用封堵剂（6）对受力盘（3）与保护套管（4）封闭端之间的孔隙进行涂抹灌注密封；

步骤6）：在观测室将拉压力传感器（2）的数据线与无纸记录仪（9）进行连接，同时将多台无纸记录仪（9）和电脑（10）连接。

8.一种权利要求1至6任一项所述测量冰层拉压力的装置在没有保温层的大坝表面上的安装方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1）：采用钻孔工具在大坝混凝土表面开孔，然后将底座（1）固定在大坝内部孔洞中；

步骤2）：将拉压力传感器（2）一端和底座（1）采用刚性连接，保证拉压力传感器（2）垂直于大坝混凝土表面，将拉压力传感器（2）另一端与延伸套筒（5）一端连接；

步骤3）：将保护套管（4）套装在底座（1）、拉压力传感器（2）和延伸套筒（5）表面；调整延伸套筒（5）的长度，使得延伸套筒（5）末端伸长到保护套管（4）外；

步骤4）：将延伸套筒（5）另一端伸出到保护套管（4）外的部分安装好橡胶密封圈（5.1），然后将受力盘（3）与延伸套筒（5）末端刚性连接，使得受力盘（3）能够贴近大坝混凝土表面与冰层（8）交界区域；

步骤5）：采用封堵剂（6）对受力盘（3）与保护套管（4）封闭端之间的孔隙进行涂抹灌注密封；

步骤6）：在观测室将拉压力传感器（2）的数据线与无纸记录仪（9）进行连接，同时将多台无纸记录仪（9）和电脑（10）连接。

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