CN114923459A - 一种基于静力水准仪的沉降监测系统及测量和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静力水准仪的沉降监测系统及测量和标定方法，包括通过液路、气路连接在一起的若干测点传感器和至少3个基点传感器，所述测点传感器和基点传感器均包括静力水准仪传感器，储液罐通过液路、气路与所述测点传感器和基点传感器连接，监测平台通过电连接与所述测点传感器、基点传感器和储液罐连接。通过多基点联测和本发明所公开的一种测点沉降测量方法、一种沉降监测系统自标定方法，可以实现系统的自标定和提高测点沉降测量精度，从而既克服了基点变化带来的沉降测量不确定性，也有效提高了工程实际测量精度和系统自适应能力、降低了人工干预的工作量。

Description

一种基于静力水准仪的沉降监测系统及测量和标定方法

技术领域

本发明属于工地监测管理领域，具体涉及一种基于静力水准仪的沉降监测系统及测量和标定方法。

背景技术

诸多建筑物、主要支撑结构，特别是河道工地的大坝、围护桩、基坑周边、坑底隆起、局部地表等都需要进行沉降监测，大多需要长期沉降监测。目前用于沉降监测的主要有全站仪、静力水准仪、应力计等。全站仪的操作使用一般需要专业人员，主要适用于单次测量或临时测量，不适合长期、连续监测；应力计可以连续监测，但一般通过测量局部相对变化来判断位移，包括沉降位移，但如果局部整体发生位移，则应力计测量不准确；静力水准仪安装完成后，用于比对的基点(又称基准点或参考点)一般远离被测点位，且认为不会变化，可用于长期、连续监测，且可在控制中心直接获取并记录长期监测数据，使用较为方便，比较适合作为智慧工地集成系统的一部分。

目前静力水准仪的使用需要预先设置基点，一般设置一个基点，并且认为该基点是不变的，但事实上短期看基点可能不变，长期监测，变化的可能性依然存在，且一旦产生变化，现有手段难以及时发现并判断，都会归为测点变化，从而会导致对被监测对象沉降判断不准确，易发生操作处置失误。

发明内容

针对以上问题，本发明设计了一种基于静力水准仪的沉降监测系统及测量和标定方法，通过设置多个基点，并建立基点自标定方法，从而可有效避免基点不确定性变化带来的影响。

本发明设计的一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，包括通过液路、气路连接在一起的若干测点传感器和至少3个基点传感器，所述测点传感器和基点传感器均包括静力水准仪传感器，储液罐通过液路、气路与所述测点传感器和基点传感器连接，监测平台通过电连接与所述测点传感器和基点传感器连接。测点布置一般需要根据工地现场地形、地貌和需要重点测量的关键点位或关键区域确定，如对于河道工地对于需要检测河道两侧坝体沉降时，每侧坝体至少应布置2个以上测点传感器，对大型建筑物应在其四周特别是4个角点布置测点传感器，其他部位根据实际需求布置。

进一步的，所述储液罐设置液位监测传感器，通过电连接与监测平台相连，用于监测液位和/或液体是否有泄漏；储液罐容量显著大于液路管道容量，储液罐一般设置于基点之一位置附近。

进一步的，所述基点传感器设置点位位于不易产生沉降的区域，且远离测点传感器。

进一步的，所述液路和气路均为所述沉降监测系统内部封闭管道回路；静力水准仪各测点传感器和基点传感器以及储液罐的气路、夜路分别互通。

进一步的，所述液路中的液体包括蒸馏水；所述气路中的气体包括空气。

进一步的，所述监测平台通过计算机和软件程序实现沉降监测，所述软件程序用于采集测点传感器和基点传感器实测液面高度值，并进行处理、计算和显示、报警。监测平台的软件程序应一并采集各测点传感器、基点传感器液面高度值；当出现超过预置范围的沉降变化时，监测平台设置声/光报警提醒工作人员实施现场处置。

本发明设计的一种基于静力水准仪的沉降监测系统的一种测点沉降测量方法，包括如下步骤：

B1：获取以每一个可用基点为基准的每一个测点沉降变化量，以第i个测点为例

Δh_i,j＝(h_i-h_i0)-(H_j-H_j0) 公式(1)

其中，Δh_i,j即为以第j个基点为基准的第i个测点传感器沉降变化量，h_i为第i个测点传感器实测值，h_i0为第i个测点传感器零位，H_j为第j个基点传感器实测值，H_j0为第j个基点传感器零位；

B2：获取第i个测点统计沉降量

其中，Δh_i即为第i个测点传感器相对初始安装的统计沉降量，记有m个测点，n个可用基点，i∈{1,2,...,m}，j∈{1,2,...,n}；

B3：获取所有测点统计沉降量，即针对i∈{1,2,...,m}中所有的i循环执行步骤B1～B2。

所述沉降测量方法一般在基点标定完成后实施；所述测点传感器零位为系统初始安装时测点传感器实测值，一般安装时调整到0附近；当某一阶段测点沉降稳定后，也可用稳定后的液面高度值作为新的零位继续监测；所述基点传感器零位为系统标定值；所述可用基点包括未被破坏或未出现短时连续变化的基点。

本发明设计的一种基于静力水准仪的沉降监测系统的一种沉降监测系统自标定方法，包括如下步骤：

自标定主要是针对基点传感器，记累计n个基点传感器，H_i为第i个基点传感器实测值，H_j为第j个基点传感器实测值，H_i0、H_j0分别为第i、j个基点传感器上一次标定的零位，i∈{1,2,...,n}，j∈{1,2,...,n}，

S1：计算所有基点传感器两两相互间液位差

ΔH_i,j＝(H_i-H_i0)-(H_j-H_j0) 公式(3)

其中，i<j；

S2：识别已发生明显沉降变化的基点和无明显沉降的基点

针对已设定的门限值α，对所有的ΔH_i,j判断是否满足

ΔH_i,j≤α 公式(4)

若满足则表明ΔH_i,j对应的2个基点均无明显沉降，传感器零位保持不变，识别完所有无明显沉降的基点后，剩余基点均认为有明显沉降；

门限值α一般依据静力水准仪仪器测量误差σ_H确定，一般可设为σ_H的1～3倍；

S3：标定有明显沉降的基点传感器新零位

记累计有k个基点未发生明显沉降，对于发生了明显沉降的第j个基点传感器，其新零位为：

H_j0＝(-∑_{i为所有未沉降基点}ΔH_i,j)/k 公式(5)

如此，可以依次标定所有发生了明显沉降的基点传感器新零位。

进一步的，所述自标定包括定期标定和/或按需标定；所述定期标定包括按一定时间间隔主动开展标定，具体时间间隔可以在监测平台根据需要设定，如月、季、半年、年都可以；所述按需标定包括根据现场情况即时开展标定，如监测到明显沉降变化时标定。

本发明的优点和有益效果在于：本发明所设计的一种基于静力水准仪的沉降监测系统及其一种测点沉降测量方法和一种沉降监测系统自标定方法，通过设置至少3个基点，可以有效提高被测点位的沉降测量精度，实现了系统自标定功能，并可随时进行，本发明解决了由于单个基点自身沉降的不确定性导致对被监测对象沉降判断不准确、易发生操作处置失误的问题，同时降低了人工对基点进行复测的需求、工作量和一定程度的盲目性。

附图说明

图1是一种基于静力水准仪的沉降监测系统构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：一种基于静力水准仪的沉降监测系统

本发明一种基于静力水准仪的沉降监测系统，如图1所示，其特征在于，包括通过液路、气路连接在一起的若干测点传感器和至少3个基点传感器，所述测点传感器和基点传感器均包括静力水准仪传感器，储液罐通过液路、气路与所述测点传感器和基点传感器连接，监测平台通过电连接与所述测点传感器和基点传感器连接。为了保证图示清晰，图1仅示意了3个基点传感器、2个测点传感器；实际应用中，基点过多，会增加工程施工难度，且管路过多，容量变大，对于储液罐容量要求可能过高；基点过少，如只设置3个基点，能够实现本发明基本原理方法需求，但缺少冗余，因此，一般建议设置4～6个基点；测点布置一般需要根据工地现场地形、地貌和需要重点测量的关键点位或关键区域确定，如对于河道工地对于需要检测河道两侧坝体沉降时，每侧坝体至少应布置2个以上测点传感器，对大型建筑物应在其四周特别是4个角点布置测点传感器，其他部位根据实际需求布置。

本实施例以河道闸口和大坝沉降监测为例，两侧新建大坝及闸口建筑各设置2个测点，累计6个测点，在河道闸口附近四周约50米远处分别设置了5个基点。电连接互联包括供电和信号传输，供电可以统一通过电缆连接供电，也可各测点、基点、储液罐现场电池供电；信号传输可以采用有线传输，也可采用无线网络传输，静力水准仪一般都提供统一的电接口供用户连接，图1所示为了表明各组成部分间的信号关系，用单实线示意了与监测平台间的电连接，同时也保留了通用静力水准仪产品的电缆连接实物接口，其相互间连接的效果与图中单实线示意等价。

优选的，所述储液罐设置液位监测传感器，通过电连接与监测平台相连，用于监测液位和/或液体是否有泄漏；储液罐容量显著大于液路管道容量，储液罐一般设置于基点之一位置附近；储液罐一般还设置大气压传感器、温湿度传感器和/或其他类型传感器，用于辅助系统工作，此为静力水准仪常规设置。

优选的，所述基点传感器设置点位位于不易产生沉降的区域，且远离测点传感器，基点一般认为是稳定点；基点传感器一般优先布置于测点所在区域外围的四周，并均匀布置，如工地东、南、西、北4个方向或远离测点所在区域的点位东、南、西、北、东北、东南、西北、西南等方向；基点分布一般应较为分散且相距较远，如此才能更好的达到相互标定的效果，但实际工程应用中基点相距太远时对会给施工带来不便，同时液路管路过长，对储液罐容量也会要求过高；一般应事先计算管路长度和容量，初步估算储液罐容量需求，再根据工地现场地质地貌、建筑物分布和长期规划情况合理确定基点数量、位置和管路走向。

优选的，所述液路和气路均为所述沉降监测系统内部封闭管道回路。静力水准仪各测点传感器和基点传感器以及储液罐的气路、夜路分别互通；配有可续接的标准水准接口和背压接口，带有锁紧功能的接头既便于管路连接操作，又能确保液路和气路的密封性。

优选的，所述液路中的液体包括蒸馏水；所述气路中的气体包括空气。为有效降低毛细效应的影响，液路管道不宜太细；另一方面，为降低储液罐容量需求，夜路管道也不能太粗，因此工程施工中需综合考虑以上因素选择管路。气路管路可选择软管或硬管，一般选软管，主要用于保持系统达到大气压力均衡。

优选的，所述监测平台通过计算机和软件程序实现沉降监测，所述软件程序用于采集测点传感器和基点传感器实测液面高度值，并进行处理、计算和显示、报警。监测平台的软件程序应一并采集各测点传感器、基点传感器液面高度值；当出现超过预置范围的沉降变化时，监测平台设置声/光报警提醒工作人员实施现场处置；根据工程实施需要，各测点传感器和基点传感器有时还同步布置气压传感器和/或温湿度传感器，包括储液罐的气压传感器和/或温度信息，其信息一并用于对静力水准仪液面高度的修正，此为静力水准仪应用的现有技术；监测平台的软件程序一般还采集储液罐的液位，监测是否发生泄漏。

实施例2：一种测点沉降测量方法

基于实施例1的一种基于静力水准仪的沉降监测系统的一种测点沉降测量方法，包括如下步骤：

B1：获取以每一个可用基点为基准的每一个测点沉降变化量，以第i个测点为例

Δh_i,j＝(h_i-h_i0)-(H_j-H_j0) 公式(1)

其中，Δh_i,j即为以第j个基点为基准的第i个测点传感器沉降变化量，h_i为第i个测点传感器实测值，h_i0为第i个测点传感器零位，H_j为第j个基点传感器实测值，H_j0为第j个基点传感器零位；

B2：获取第i个测点统计沉降量

其中，Δh_i即为第i个测点传感器相对初始安装的统计沉降量，记有m个测点，n个可用基点，i∈{1,2,...,m}，j∈{1,2,...,n}；

B3：获取所有测点统计沉降量，即针对i∈{1,2,...,m}中所有的i循环执行步骤B1～B2。

本实施例m＝6，n＝5；

所述沉降测量方法一般在基点标定完成后实施；所述测点传感器零位为系统初始安装时测点传感器实测值，一般安装时调整到0附近；当某一阶段测点沉降稳定后，也可用稳定后的液面高度值作为新的零位继续监测；所述基点传感器零位为系统标定值；所述可用基点包括未被破坏或未出现短时连续变化的基点，监测平台可以通过绘制连续曲线直观展示每个测点沉降变化情况；公式(2)对多个基点作差后取统计平均可以降低测量读数误差的影响，提高测点沉降测量精度。

实施例3：一种沉降监测系统自标定方法

基于实施例1的一种基于静力水准仪的沉降监测系统的一种沉降监测系统自标定方法，包括如下步骤：

自标定主要是针对基点传感器，记累计n个基点传感器记H_i为第i个基点传感器实测值，H_j为第j个基点传感器实测值，H_i0、H_j0分别为第i、j个基点传感器上一次标定的零位，i∈{1,2,...,n}，j∈{1,2,...,n}，初始安装时一般将各传感器液面高度调整到中间0的位置上，若个别传感器不便于调整，则直接记录其当时液位高度值作为该传感器零位，后续使用中主要是定期或按需进行各基点传感器零位标定；根据监测平台直接读取的各传感器实时液位值，有

S1：计算所有基点传感器两两相互间液位差

ΔH_i,j＝(H_i-H_i0)-(H_j-H_j0) 公式(3)

其中，i<j；

S2：识别已发生明显沉降变化的基点和无明显沉降的基点

针对已设定的门限值α，对所有的ΔH_i,j判断是否满足

ΔH_i,j≤α 公式(4)

若满足则表明ΔH_i,j对应的2个基点均无明显沉降，传感器零位保持不变，识别完所有无明显沉降的基点后，剩余基点均认为有明显沉降；

门限值α一般依据静力水准仪仪器测量误差σ_H确定，一般可设为σ_H的1～3倍；

S3：标定有明显沉降的基点传感器新零位

记累计有k个基点未发生明显沉降，对于发生了明显沉降的第j个基点传感器，其新零位为：

H_j0＝(-∑_{i为所有未沉降基点}ΔH_i,j)/k 公式(5)

如此，可以依次标定所有发生了明显沉降的基点传感器新零位；对于已发生事实沉降的基点应保持一段时间连续监测，只要不再发生连续沉降，该基点在标定后依然可以作为基准使用。

优选的，所述自标定包括定期标定和/或按需标定；所述定期标定包括按一定时间间隔主动开展标定，具体时间间隔可以在监测平台根据需要设定，如月、季、半年、年都可以；所述按需标定包括根据现场情况即时开展标定，如监测到明显沉降变化时标定。

一般监测平台应同时监测所有的基点两两间差值ΔH_i,j，以及所有测点传感器的变化量Δh_i，可以通过绘制曲线的方式直观展示其连续变化情况，并设有变化量超限报警。当有超过预设的门限值时，均可主动发起基点零位标定，零位标定完成后再进行测点沉降计算；测点传感器一阶段沉降稳定后，可以用新的值作为其零位，重新进行报警设定。监测过程中如果有监测值出现连续明显变化，无论判定是测点变化还是基点变化，都应报警并提示进行重点监测或处置操作，必要时应组织现场复查确认是否会有险情发生。

静力水准仪系统工作原理：压差式测量系统由多个静力水准仪通过一根充满液体的PU管连接在一起，最后连接到一个储液罐上，相比于管线的容量，储液罐拥有足够大的容量，能够有效减少管线容量因温度变化导致的细微变化所带来的影响。将储液罐及布置于稳定点的静力水准仪视作基点，基点必须安装在垂直位移相对稳定或者可以通过其他人工手段测量确定的位置，接下来就可以通过测点静力水准仪相对基点的数据变化直接测得该点的相对沉降。

系统采集计算原理：根据连通管原理，系统搭建完成后各测点基本处于同一标高，当连通管一端(末端)密封后，整个通液管路中的液体是不流动的，当测点随结构变形(沉降或隆起)时，测点相对于基点储液罐中的液面的相对高差即产生变化，测点测值相应改变，此改变量即为该测点的相对沉降量。全系统通过智能控制获取同一时刻的测量值，以消除由于测量时间不一致而引起的量测误差。另外，为消除大气压、温度等的影响，应考虑在连通管中注入清洁、消毒、消应力的蒸馏水作为液体以克服毛细现象，并采用封闭的连通管测量系统，通过空气连接软管达到大气压力的均衡。在布设连通管系统时，优化纵向水管、基点液面、测点处测量管液面三者之间的相对位置高度。通过最大限度地降低测量管的高度，并用温度传感器直接量测液体温度，加入温度改正系数以克服温度的影响。

本发明的基本原理是：忽略多个基点同步发生沉降的低概率事件，布设3个以上基点，一方面通过统计平均可以提高测点沉降监测精度；另一方面通过基点间相互比判，可以识别出发生事实沉降的基点，并利用未沉降的基点可以标定出沉降基点的沉降量；该基点在连续沉降结束并经标定后依然可作为基点使用；当多个基点同步沉降的低概率事件发生时，则需要独立方法进行核查。

综上所述，本发明提供了一种基于静力水准仪的沉降监测系统和基于该系统的一种测点沉降测量方法与一种沉降监测系统自标定方法，一方面可提高测点沉降监测精度，另一方面可以实现系统内部基点相互自标定，提高了系统的自适应能力，降低了人工干预的工作量，适合于建筑施工过程中以及施工完成后的建筑物长期沉降监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，包括改变测点、基点的数量配置和位置，更换静力水准仪，改进也为计量方法等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，包括通过液路、气路连接在一起的若干测点传感器和至少3个基点传感器，所述测点传感器和基点传感器均包括静力水准仪传感器，储液罐通过液路、气路与所述测点传感器和基点传感器连接，监测平台通过电连接与所述测点传感器和基点传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，所述储液罐设置液位监测传感器，通过电连接与监测平台相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，所述基点传感器设置点位位于不易产生沉降的区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，所述液路和气路均为所述沉降监测系统内部封闭管道回路。

5.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，所述液路中的液体包括蒸馏水；所述气路中的气体包括空气。

6.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统，其特征在于，所述监测平台通过计算机和软件程序实现沉降监测，所述软件程序用于采集测点传感器和基点传感器实测液面高度值，并进行处理、计算和显示、报警。

7.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统的一种测点沉降测量方法，包括如下步骤：

B1：获取以每一个可用基点为基准的每一个测点沉降变化量，以第i个测点为例

Δh_i,j＝(h_i-h_i0)-(H_j-H_j0) 公式(1)

其中，Δh_i,j即为以第j个基点为基准的第i个测点传感器沉降变化量，h_i为第i个测点传感器实测值，h_i0为第i个测点传感器零位，H_j为第j个基点传感器实测值，H_j0为第j个基点传感器零位；

B2：获取第i个测点统计沉降量

其中，Δh_i即为第i个测点传感器相对初始安装的统计沉降量，记有m个测点，n个可用基点，i∈{1,2,...,m}，j∈{1,2,...,n}；

B3：获取所有测点统计沉降量，即针对i∈{1,2,...,m}中所有的i循环执行步骤B1～B2。

8.根据权利要求1所述的一种基于静力水准仪的沉降监测系统的一种沉降监测系统自标定方法，包括如下步骤：

自标定主要是针对基点传感器，记累计n个基点传感器，H_i为第i个基点传感器实测值，H_j为第j个基点传感器实测值，H_i0、H_j0分别为第i、j个基点传感器上一次标定的零位，i∈{1,2,...,n}，j∈{1,2,...,n}，

S1：计算所有基点传感器两两相互间液位差

ΔH_i,j＝(H_i-H_i0)-(H_j-H_j0) 公式(3)

其中，i<j；

S2：识别已发生明显沉降变化的基点和无明显沉降的基点

针对已设定的门限值α，对所有的ΔH_i,j判断是否满足

ΔH_i,j≤α 公式(4)

若满足则表明ΔH_i,j对应的2个基点均无明显沉降，传感器零位保持不变，识别完所有无明显沉降的基点后，剩余基点均认为有明显沉降；

S3：标定有明显沉降的基点传感器新零位

记累计有k个基点未发生明显沉降，对于发生了明显沉降的第j个基点传感器，其新零位为：

H_j0＝(-∑_{i为所有未沉降基点}ΔH_i,j)/k 公式(5)

9.根据权利要求8所述的一种沉降监测系统自标定方法，其特征在于，所述自标定包括定期标定和/或按需标定；所述定期标定包括按一定时间间隔主动开展标定；所述按需标定包括根据现场情况即时开展标定。

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