CN110207653A - 土体分层沉降和水平位移复合测量装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利水电安全监测技术领域，公开了一种土体分层沉降和水平位移复合测量装置、系统及观测方法，土体分层沉降和沿程倾斜度复合测量装置包括复合探头、复合读数仪及电缆；所述电缆的一端连接所述复合探头，另一端连接所述复合读数仪；所述复合探头具有探头腔，所述探头腔内设有沉降仪测头及获取沿程倾斜度数据的加速度传感器，所述沉降仪测头内设有受磁铁触发的磁感应元件。本发明的土体分层沉降和水平位移复合测量装置、系统及方法中，集合沉降仪和活动式测斜仪二者的测读功能，实现在测斜兼沉降管的一次观测工序中，同时获取土体分层沉降和水平位移数据，从而节省观测工作的人力投入、降低观测工作强度和提高观测工作效率。

Description

土体分层沉降和水平位移复合测量装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及水利水电安全监测技术领域，具体地指一种土体分层沉降和水平位移复合测量装置、系统及方法。

背景技术

在土石坝、堤防等由土石分层堆填形成的建筑物中，填筑体内部的分层沉降量和水平位移，是控制施工进度、改进施工方法的重要依据，对于评价填筑体安全性态、保证结构安全稳定性也具有重要意义。

通常，填筑体内部的分层沉降和水平位移监测，是预先在填筑体内部埋设测斜兼沉降管，分别用沉降仪观测管周土体的分层沉降情况；用活动式测斜仪观测管身沿程倾斜度，并换算出不同高程的水平位移情况。

观测时，需在测斜兼沉降管内分开放入沉降仪测头和测斜仪测头，进行前后各一次的独立测读。采用以上传统的观测仪器及方法，意味着对测斜兼沉降管的同一次观测中，观测人员需同时携带沉降仪和活动式测斜仪，这两种设备均不轻便，难以由单人携带至现场。

另外，同一次观测中，观测人员需前后在管内放入沉降仪测头和测斜仪测头，分别完成分层沉降和水平位移的数据采集，不仅工序繁琐，而且耗时较长。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种土体分层沉降和水平位移复合测量装置，实现在一次观测工序中同时获取土体分层沉降和水平位移数据。

为实现上述目的，本发明所设计的土体分层沉降和水平位移复合测量装置包括复合探头、复合读数仪及电缆；所述电缆的一端连接所述复合探头，另一端连接所述复合读数仪；所述复合探头具有探头腔，所述探头腔内设有沉降仪测头及获取沿程倾斜度数据的加速度传感器，所述沉降仪测头内设有受磁铁触发的磁感应元件。

作为优选方案，所述电缆上带有刻度。

作为优选方案，所述复合探头进一步包括设置在所述探头腔外围的滑轮组件。

作为优选方案，所述复合探头进一步包括设置在所述探头腔底部的缓冲垫。

本发明的目的在于，提供一种土体分层沉降和水平位移复合测量系统，实现在一次观测工序中同时获取土体分层沉降和沿程倾斜度数据。

为实现上述目的，本发明所设计的土体分层沉降和水平位移复合测量系统包括复合测量装置、测斜兼沉降管及沉降环，所述沉降环分层埋设在土体内，所述测斜兼沉降管设置在所述沉降环内；所述复合测量装置包括复合探头、复合读数仪及电缆，所述电缆连接所述复合探头与所述复合读数仪，所述复合探头包括探头腔以及设置在所述探头腔内的沉降仪测头和获取沿程倾斜度数据的加速度传感器，所述沉降仪测头内设有受所述沉降环的磁铁触发的磁感应元件。

作为优选方案，所述测斜兼沉降管内设有供所述复合探头沿轴向运动的导槽；所述复合探头进一步包括与所述导槽内壁滑动接触的滑轮组件，所述滑轮组件设置在所述探头腔的外围。

作为优选方案，所述复合探头进一步包括底部缓冲垫，所述沉降仪测头、所述加速度传感器和所述底部缓冲垫，分别位于所述探头腔内的顶部、中部和底部。

作为优选方案，所述沉降环内侧嵌有触发所述沉降仪探头内的磁感应元件的磁铁，所述感应元件受触发形成的电信号通过所述电缆传至所述复合读数仪并激发所述复合读数仪的蜂鸣器发出声响。

作为优选方案，所述电缆上带有测量所述复合探头在所述测斜兼沉降管中位置的刻度。

本发明的目的在于，提供一种土体分层沉降和水平位移复合测量方法，实现在一次观测工序中同时获取土体分层沉降和水平位移数据。

为实现上述目的，本发明所设计的土体分层沉降和水平位移复合测量方法，包括以下步骤：

步骤a)，在土体堆填过程中，选择合适位置在地表向下逐段埋设测斜兼沉降管，沿所述测斜兼沉降管的管周在不同高度分别埋入沉降环；

步骤b)，在所述测斜兼沉降管的导槽内放入带有沉降仪测头和获取沿程倾斜度数据的加速度传感器的复合探头，在所述复合探头从所述测斜兼沉降管的管底提升到管口的过程中记录每次感应到所述沉降环时的位置数据；

步骤c)，在所述复合探头从所述测斜兼沉降管的管底提升到管口的过程中，记录每移动单位距离的倾斜度数据；

步骤d)，提出所述复合探头，沿顺时针或逆时针方向旋转90°后放入导槽内，重复所述步骤b)和步骤c)，得到第2次测量的所述沉降环的位置数据和所述复合探头的倾斜度数据；

步骤e)，提出所述复合探头，沿同方向旋转90°后放入导槽中，重复所述步骤b)和步骤c)，得到第3次测量的所述沉降环的位置数据和所述复合探头的倾斜度数据；

步骤f)，提出所述复合探头，沿同方向旋转90°放入导槽中，重复所述步骤b)和步骤c)，得到第4次测量的所述沉降环的位置数据和所述复合探头的倾斜度数据；

步骤g)，取4次测量得到的所述沉降环位置数据的平均值作为所述沉降环的本次位置测值，通过对比不同深度处沉降环位置测值，得到两个所述沉降环之间土层沉降量；

步骤h)，将所述步骤c)和步骤e)得到的倾斜度数据求取平均值得到该方向的倾斜度数据，将所述步骤d)和步骤f)测得的倾斜度数据求取平均值得到另一方向的倾斜度数据，结合所述复合探头每次提升的高度，计算得到所述测斜兼沉降管的沿程水平位移。

作为优选方案，在所述步骤a)中，所述沉降环用锚固铁片固定在土层中，所述测斜兼沉降管的底端的开口用密封头封堵。

作为优选方案，在所述步骤b)中，当所述复合探头内的所述沉降仪测头到达某一所述沉降环埋设位置时，所述沉降环内侧嵌有的磁铁触发所述沉降仪探头内的磁感应元件，所述感应元件受触发形成的电信号通过电缆传至复合读数仪并激发所述复合读数仪的蜂鸣器发出声响，通过所述电缆上的对应刻度读出所述沉降仪测头的位置数据，记录为某一所述沉降环的位置数据。

作为优选方案，在所述步骤c)中，所述复合探头每次提起的单位距离为0.5m。

本发明的有益效果是：本发明的土体分层沉降和水平位移复合测量装置、系统及方法中，集合沉降仪和活动式测斜仪二者的测读功能，实现在测斜兼沉降管的一次观测工序中，同时获取土体分层沉降和水平位移数据，从而节省观测工作的人力投入、降低观测工作强度和提高观测工作效率。

附图说明

图1为本发明优选实施例的土体分层沉降和水平位移复合测量装置的结构示意图。

图2为图1中的土体分层沉降和水平位移复合测量装置的工作原理示意图。

图中各部件标号如下：复合测量装置10(其中，复合探头11、复合读数仪12、带刻度的电缆13)，复合探头11(其中，探头腔111、沉降仪测头112、加速度传感器113、滑轮组件114、底部缓冲垫115)；测斜兼沉降管20，沉降环30，锚固铁片40，密封头50，地表60。

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说明。

为克服传统技术的局限性，即采用沉降仪和活动式测斜仪二种设备对沉降和水平位移进行独立观测，引起的人力投入多、工作强度高、观测效率低等问题，本发明的土体分层沉降和水平位移复合测量装置及观测方法实现在测斜兼沉降管的一次观测工序中，实现土体分层沉降和水平位移两物理量的同时获取。

请参阅图1，其为本发明优选实施例的土体分层沉降和水平位移复合测量装置10的结构示意图。土体分层沉降和水平位移复合测量装置10包括带刻度的电缆13、复合读数仪12及复合探头11。带刻度的电缆13的一端连接复合探头11，另一端连接复合读数仪12，既用于电信号的传输，又作为深度测尺使用。复合测量装置10在埋入土体中的测斜兼沉降管20中沿轴向(上下方向)运行进行土体分层沉降和水平位移测量，如图2中所示。

复合探头11具有探头腔111，探头腔111内设有沉降仪测头112、加速度传感器113、底部缓冲垫115，探头腔111外及滑轮组件114。沉降仪测头112、加速度传感器113和底部缓冲垫115，分别位于复合探头11内的顶部、中部和底部。滑轮组件114设置在探头腔111的外围，与测斜兼沉降管20的内壁接触，辅助复合探头11的沿程运动。复合探头11在测斜兼沉降管20内十字形分布的导槽中运动，导槽作为探头腔111外的滑轮组件114的上下滑行轨道。

沉降仪测头112位于探头腔111的顶端。复合探头11在测斜兼沉降管20内沿导槽运动时，当沉降仪测头112到达到土层中的沉降环30埋设位置时，沉降环30内侧嵌有的磁铁触发沉降仪探头112内的磁感应元件，形成的电信号通过电缆13传至复合读数仪12，复合读数仪12的蜂鸣器发出声响，此时通过电缆13上的对应刻度可读出沉降仪测头112的位置数据，也是沉降环30本次观测的位置数据。

加速度传感器113位于复合探头11的中部。复合探头11在测斜兼沉降管20内沿导槽运动时，通过加速度传感器113获取测斜兼沉降管20的沿程倾斜度数据，结合复合探头11每次提升的高度，据此计算得出测斜兼沉降管20外围土体不同深度处的水平位移。加速度传感器113可感知复合探头11的倾斜角度，直接获取复合探头11的倾斜度数据，由于复合探头11与测斜兼沉降管20轴心平行，所以获取的也是测斜兼沉降管20的倾斜度数据。土体不同深度的水平位移，能够反映土体在水平方向的变形情况，借助该数据能够判断边坡(或堆积体)中土体沿深度变形情况、发生潜在错动变形的位置，从而判定边坡的安全性情况。沉降环30所在的位置数据和测斜兼沉降管20的沿程倾斜度数据，可在复合探头11在测斜兼沉降管20内沿导槽的同一次运动中进行同时测读。

底部缓冲垫115位于复合探头11的最底端，用于减缓复合探头11在下落接触底部密封头50受到的冲击。

复合探头11沿测斜兼沉降管20内十字形分布的导槽移动，当复合探头11内的沉降仪测头112到达沉降环30所在位置时，复合读数仪12自动发出报警声响，通过此时带刻度的电缆13上的对应刻度，可人工读取沉降环30的位置数据。同时，复合探头11沿测斜兼沉降管20内导槽移动时，借助加速度传感器113的姿态感应，复合读数仪12可同步记录下测斜兼沉降管20内沿程倾斜度数据，从而实现了在测斜兼沉降管20的一次观测中，同时取得测斜兼沉降管20外的沉降环30所在位置数据和测斜兼沉降管20内沿程倾斜度数据。

请结合参阅图2，本发明的土体分层沉降和沿程倾斜度复合测量装置的测量方法的具体步骤如下：

步骤a)，在土体中埋设测斜兼沉降管20及沉降环30。

具体地，在土石坝、堤防等建筑物堆填过程中，选择合适位置依据填筑高度在地表60向下逐段埋设测斜兼沉降管20，测斜兼沉降管20的各个管段通过导管连接环紧固在一起。沿测斜兼沉降管20的管周在不同高度埋入沉降环30，沉降环30用锚固铁片40固定在土层中。测斜兼沉降管20的底端的开口用密封头50封堵，防止导槽内进入异物。在埋设测斜兼沉降管20的过程中，检查测斜兼沉降管20的管内是否畅通。

步骤b)，在t时刻的第1次测量中，沿导槽将复合探头11插入到测斜兼沉降管20的管底，从管底缓慢提升到管口过程中，当复合探头11内的沉降仪测头112到达沉降环30埋设位置时，复合读数仪12自动发出报警声响，记录下第i(i＝1,2,…,N，N为沉降环30的总数目)个沉降环30的位置数据

步骤c)，与此同时，复合探头11从管底沿导槽向上移动第k(k＝1,2,…,K，K为复合探头11移动单位长度的总次数)个单位距离L(如L＝0.5m)时，记录一次倾斜度数据

步骤d)，提出复合探头11，沿顺时针或逆时针方向旋转90°放入导槽内，重复步骤b)和步骤c)进行第2次测量，得到t时刻第2次测量得到的沉降环30的位置数据和复合探头倾斜度数据

步骤e)，提出复合探头11，沿同方向旋转90°放入导槽内，重复步骤2)和3)进行第3次测量，得到t时刻第3次测量得到的沉降环30的位置数据和复合探头倾斜度数据

步骤f)，提出复合探头11，沿同方向旋转90°放入导槽内，重复步骤2)和3)进行第4次测量，得到t时刻第4次测量得到的沉降环30的位置数据和复合探头倾斜度数据

步骤g)，基于4组沉降环所在位置数据，计算t时刻土体不同深度处的累积沉降量、t-1(t大于等于2)至t时段内的沉降量及不同沉降环之间土体的分层沉降量。具体如下：

多次测量求均值具有一定的消除误差的作用。根据得到的4次位置数据(和)求取4次位置数据的平均值作为t时刻第i个沉降环30所在位置土体的累积沉降量

通过对t和t-1时刻第i个沉降环30的位置测值求差值，即得到土体第i个沉降环30所在深度处在t-1至t时段内的沉降量

在t-1至t时段内，第i和i-1个沉降环之间的土层分层沉降量为：

步骤h)，由步骤c)至步骤f)，得到4组倾斜度数据，将步骤c)和步骤e)得到的倾斜度数据求取平均值得到该方向的倾斜度数据，记为第I组数据；将步骤d)和步骤f)测得的倾斜度数据求取平均值得到另一方向的倾斜度数据，记为第II组数据。基于第I和II组数据，复合探头11提升第k(k＝1,2,…,K)次时，探头所在位置处土体水平位移分别是和

式中，且L为复合探头11每次提起的高度(一般为0.5m)。

本发明的土体分层沉降和沿程倾斜度复合测量装置、系统及方法中，结合了沉降仪测头遇沉降环报警以及活动测斜仪读取倾斜度数据的功能，对测斜兼沉降管进行日常观测。工作时，复合探头沿测斜兼沉降管中的导槽移动，当复合探头内的沉降仪测头到达沉降环埋设位置时，复合读数仪自动发出报警声响，此时人工读取沉降环位置数据；同时，复合探头沿导槽每移动单位长度记录一次倾斜度数据，能够在同一次观测中取得管外沉降环所在位置数据和管内沿程倾斜度数据，较传统的沉降仪和活动式测斜仪分别独立观测，可以减少人力投入、降低劳动强度和提高观测效率；可以在一次观测工序中同时实现土体分层沉降和沿程倾斜度两种物理量的数据读取，从而节省了人力投入、降低了工作强度和提高了观测效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种土体分层沉降和水平位移复合测量装置(10)，其特征在于：包括复合探头(11)、复合读数仪(12)及电缆(13)；所述电缆(13)的一端连接所述复合探头(11)，另一端连接所述复合读数仪(12)；所述复合探头(11)具有探头腔(111)，所述探头腔(111)内设有沉降仪测头(112)及获取沿程倾斜度数据的加速度传感器(113)，所述沉降仪测头(112)内设有受磁铁触发的磁感应元件。

2.根据权利要求1所述的土体分层沉降和水平位移复合测量装置，其特征在于：所述电缆(13)上带有刻度。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的土体分层沉降和水平位移复合测量装置，其特征在于：所述复合探头(11)进一步包括设置在所述探头腔(111)外围的滑轮组件(114)。

4.根据权利要求3所述的土体分层沉降和水平位移复合测量装置，其特征在于：所述复合探头(11)进一步包括设置在所述探头腔(111)底部的缓冲垫(115)。

5.一种土体分层沉降和水平位移复合测量系统，其特征在于：包括复合测量装置(10)、测斜兼沉降管(20)及沉降环(30)，所述沉降环(30)分层埋设在土体内，所述测斜兼沉降管(20)设置在所述沉降环(30)内；所述复合测量装置(10)包括复合探头(11)、复合读数仪(12)及电缆(13)，所述电缆(13)连接所述复合探头(11)与所述复合读数仪(12)，所述复合探头(11)包括探头腔(111)以及设置在所述探头腔内的沉降仪测头(112)和获取沿程倾斜度数据的加速度传感器(113)，所述沉降仪测头(112)内设有受所述沉降环(30)的磁铁触发的磁感应元件。

6.根据权利要求5所述的土体分层沉降和水平位移复合测量系统，其特征在于：所述测斜兼沉降管(20)内设有供所述复合探头(11)沿轴向运动的导槽；所述复合探头(11)进一步包括与所述导槽内壁滑动接触的滑轮组件(114)，所述滑轮组件(114)设置在所述探头腔(111)的外围。

7.根据权利要求6所述的土体分层沉降和水平位移复合测量系统，其特征在于：所述复合探头(11)进一步包括底部缓冲垫(115)，所述沉降仪测头(112)、所述加速度传感器(113)和所述底部缓冲垫(115)，分别位于所述探头腔(111)内的顶部、中部和底部。

8.根据权利要求6所述的土体分层沉降和水平位移复合测量系统，其特征在于：所述沉降环(30)内侧嵌有触发所述沉降仪探头(112)内的磁感应元件的磁铁，所述感应元件受触发形成的电信号通过所述电缆(13)传至所述复合读数仪(12)并激发所述复合读数仪(12)的蜂鸣器发出声响。

9.根据权利要求8所述的土体分层沉降和水平位移复合测量系统，其特征在于：所述电缆(13)上带有测量所述复合探头(11)在所述测斜兼沉降管(20)中位置的刻度。

10.一种土体分层沉降和水平位移复合测量方法，包括以下步骤：

步骤a)，在土体堆填过程中，选择合适位置在地表(60)向下逐段埋设测斜兼沉降管(20)，沿所述测斜兼沉降管(20)的管周在不同高度分别埋入沉降环(30)；

步骤b)，在所述测斜兼沉降管(20)的导槽内放入带有沉降仪测头(112)和获取沿程倾斜度数据的加速度传感器(113)的复合探头(11)，在所述复合探头(11)从所述测斜兼沉降管(20)的管底提升到管口的过程中记录每次感应到所述沉降环(30)时的位置数据；

步骤c)，在所述复合探头(11)从所述测斜兼沉降管(20)的管底提升到管口的过程中，记录每移动单位距离的倾斜度数据；

步骤d)，提出所述复合探头(11)，沿顺时针或逆时针方向旋转90°后放入导槽内，重复所述步骤b)和步骤c)，得到第2次测量的所述沉降环(30)的位置数据和所述复合探头(11)的倾斜度数据；

步骤e)，提出所述复合探头(11)，沿同方向旋转90°后放入导槽中，重复所述步骤b)和步骤c)，得到第3次测量的所述沉降环(30)的位置数据和所述复合探头(11)的倾斜度数据；

步骤f)，提出所述复合探头(11)，沿同方向旋转90°放入导槽中，重复所述步骤b)和步骤c)，得到第4次测量的所述沉降环(30)的位置数据和所述复合探头(11)的倾斜度数据；

步骤g)，取4次测量得到的所述沉降环(30)位置数据的平均值作为所述沉降环(30)的本次位置测值，通过对比不同深度处沉降环(30)位置测值，得到两个所述沉降环(30)之间土层沉降量；

步骤h)，将所述步骤c)和步骤e)得到的倾斜度数据求取平均值得到该方向的倾斜度数据，将所述步骤d)和步骤f)测得的倾斜度数据求取平均值得到另一方向的倾斜度数据，结合所述复合探头(11)每次提升的高度，计算得到所述测斜兼沉降管(20)的沿程水平位移。

11.根据权利要求10所述的土体分层沉降和水平位移复合测量方法，其特征在于：在所述步骤a)中，所述沉降环(30)用锚固铁片(40)固定在土层中，所述测斜兼沉降管(20)的底端的开口用密封头(50)封堵。

12.根据权利要求10所述的土体分层沉降和水平位移复合测量方法，其特征在于：在所述步骤b)中，当所述复合探头(11)内的所述沉降仪测头(112)到达某一所述沉降环(30)埋设位置时，所述沉降环(30)内侧嵌有的磁铁触发所述沉降仪探头(112)内的磁感应元件，所述感应元件受触发形成的电信号通过电缆(13)传至复合读数仪(12)并激发所述复合读数仪(12)的蜂鸣器发出声响，通过所述电缆(13)上的对应刻度读出所述沉降仪测头(112)的位置数据，记录为某一所述沉降环(30)的位置数据。

13.根据权利要求12所述的土体分层沉降和水平位移复合测量方法，其特征在于：在所述步骤c)中，所述复合探头(11)每次提起的单位距离为0.5m。