CN212988335U - 一种心墙坝沉降变形监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种心墙坝沉降变形监测装置，涉及大坝监测领域，包括万向节、电缆接头、监测电缆、电缆连接线和若干标准测量单元，所述监测电缆的两端分别设置有电缆接头，若干所述标准测量单元通过万向节首尾依次连接，若干所述标准测量单元分别通过电缆连接线并联在所述监测电缆上。该装置能进行线性布设、可获取坝体沉降变形初值，可在“高水压、高土压、大变形”等特殊监测环境中长期稳定工作，能实现特高堆石坝填筑施工及后续运行全过程的有效监测，还克服了传统变形监测传感器精度低、存活率低等缺陷。

Description

一种心墙坝沉降变形监测装置

技术领域

本实用新型涉及大坝监测领域，具体为一种心墙坝沉降变形监测装置。

背景技术

大坝安全监测是水利水电工程建设的一项重要工作内容。在堆石坝施工期及运行期各类安全监测项目中，沉降变形监测是最为重要的控制性监测项目，准确可靠的监测成果对于反馈优化设计施工、分析评价坝体施工及运行期工作性态与安全稳定性、指导大坝运行维护等具有重要意义。然而，已有工程经验表明，特高堆石坝安全监测面临“高水压、高土压、大变形”等特殊技术难题，采用差阻式、振弦式、电位器式等堆石坝变形监测常用传感器研制的监测仪器及其他非电测类仪器在仪器存活率、测量精度等诸多方面不能满足特高心墙堆石坝安全监测的需要，如采用电位器式传感器研制的横梁式沉降仪及大量程杆式位移计，在高水压、高土压、大变形工作环境中，存活率很低；传统的非电测类仪器，如水管式沉降仪测量精度低，且需要配套观测房进行观测，由于观测房内部测量装置摆放空间较为逼仄，水管式沉降仪测点一般较稀疏，且大坝变形过程中水管容易弯折、破裂、易因微生物滋生而堵塞失效；电磁式沉降环测量精度不高、且沉降导管在高水压、高土压工作环境中容易破损失效，此外，还普遍存在电磁式沉降环年久消磁不能观测的问题。

MEMS传感器是采用微电子技术和微机械加工技术制造出来的新型传感器，与差阻式、振弦式、电位器式等传统传感器相比，具有体积小、重量轻、精度高等突出优点，其中在岩土工程变形监测中应用比较广泛的有MEMS加速度计传感器，如基于MEMS加速度计传感器研制的柔性测斜仪，但柔性测斜仪等监测仪器在使用中也暴露出较多问题，主要表现在仪器所有传感器共用一条监测电缆，为串联型式，单一传感器损坏或电缆断裂即可导致整套仪器报废。可见，基于MEMS传感器的监测仪器，也需要改进存活率、提高仪器的保障性。

综上，为破解堆石坝传统沉降监测仪器“存活率低、观测精度不高、仅能进行点式布设”等问题，尤其是破解传统振弦式、差阻式、电位器式传感器类监测仪器在特高堆石坝沉降变形监测中不适用的问题，开展新型监测技术研究与应用是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种心墙坝沉降变形监测装置，该装置能进行线性布设、可获取坝体沉降变形初值，可在“高水压、高土压、大变形”等特殊监测环境中长期稳定工作，能实现特高堆石坝填筑施工及后续运行全过程的有效监测，还克服了传统变形监测传感器精度低、存活率低等缺陷。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种心墙坝沉降变形监测装置，包括万向节、电缆接头、监测电缆和若干标准测量单元，所述监测电缆的两端分别连接有电缆接头，若干所述标准测量单元通过万向节首尾依次连接，若干所述标准测量单元分别通过电缆连接线并联在所述监测电缆上。

优选地，所述标准测量单元长度均为0.5m或者1m的圆柱形的刚性直杆，所述标准测量单元的外壁均用铠装保护套封装。

优选地，所述标准测量单元内均设有MEMS加速度传感器及内置电路板，所述MEMS加速度传感器与所述电路板连接，且所述电缆连接线与所述电路板连接，所述标准测量单元均设有独立的编号。

优选地，所述监测电缆为五芯铜芯线结构，两芯为供电线，两芯为信号线，剩余一芯用于屏蔽外部干扰信号。

优选地，所述电缆接头为双向接头设计。

本实用新型的有益效果是：该装置采用更为先进的MEMS加速度计传感器开展堆石坝新型沉降监测装置研究，同时结合已有的基于MEMS加速计传感器的监测仪器暴露出的问题做了针对性改进：标准测量单元一般为长0.5m、1m的标准杆式节段，每个节段内含独立编号的MEMS加速度计传感器，通过MEMS加速度计传感器测量每个节段与三维坐标轴的夹角；标准测量单元采用具有一定刚度的材料封装，保证测量单元保持杆状不发生弯曲变形且可对传感器进行有效保护，在这种情况下，内置MEMS加速度计传感器的测值（与三维坐标轴的角度）可代表整个节段；标准测量单元之间采用万向节进行连接，确保仪器能较好适应大变形监测环境；标准测量单元采用并联方式连接在监测电缆上，单个测量单元（传感器）失效不影响监测装置其他部位测量单元正常工作，提高了监测装置的可靠性；监测电缆两端都设有接头，两个接头互为备用，均可用于测读数据，显著降低电缆断裂导致整套监测装置报废的风险。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种心墙坝沉降变形监测装置的内部结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种心墙坝沉降变形监测装置测量原理坐标示意图；

图3为本实用新型提供的一种心墙坝沉降变形监测装置的电缆结构示意图；

图4为本实用新型提供的一种心墙坝沉降变形监测装置的标准测量单元与监测电缆并联接线示意图；

图5为本实用新型提供的一种心墙坝沉降变形监测装置的安装埋设保护示意图；

图中，1-万向节，2-电缆接头，3-监测电缆，4-标准测量单元，5-电缆连接线。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种心墙坝沉降变形监测装置，包括万向节1、电缆接头2、监测电缆3、电缆连接线5和若干标准测量单元4，监测电缆3的两端分别设置有电缆接头2，若干标准测量单元4通过万向节1首尾依次连接，若干标准测量单元4分别通过电缆连接线5并联在监测电缆3上，标准测量单元4长度均为0.5m或者1m的圆柱形的刚性直杆，标准测量单元4的外壁均用铠装保护套封装；标准测量单元4内均设有MEMS加速度传感器及内置电路板，MEMS加速度传感器与电路板连接，且电缆连接线5与电路板连接，标准测量单元4均设有独立的编号；监测电缆3为五芯铜芯线结构，两芯为供电线，两芯为信号线，剩余一芯用于屏蔽外部干扰信号；电缆接头2为双向接头设计。为保护监测电缆3及MEMS加速度传感器，监测装置整体一般还需要采用铠装保护套进行封装。

本监测装置用于变形监测的工作原理为：监测装置安装完成后，每个标准测量单元4内设置的MEMS加速度传感器将电信号通过内置的电路板传送给与电路板连接的电缆连接线5，电缆连接线5再将电信号传送给与之并联的监测电缆3，监测电缆3两端连接的电缆接头2将电信号传送至信号处理器，信号处理器将接受到的信号经过处理将其输送到与之连接的显示屏上显示出来（信号处理器处理后得到的是MEMS加速度传感器测出的其与三维坐标轴的夹角），以供工作人员记录分析。采用标准节段（刚性直杆）长度、及其与三维坐标轴的夹角数据即可解算出节段端点坐标，任一时刻端点坐标值减去其初始坐标值即为相应点位的变形，将相应范围内所有标准节段变形量累加，即可得到对应各个测点的总变形。此外，本实用新型的标准测量单元4之间采用万向节1连接，进而使得测量装置具有一定的柔性，可较好适应大变形等复杂监测环境。

进一步的，本装置用于变形监测的工作原理如图2所示为：

（1）、本装置内部各个标准测量单元4（标准节段）通过内部封装的MEMS加速度计传感器，测出各节段与三维坐标轴的夹角；

（2）、在已知标准节段长度及各个标准节段与三维坐标轴夹角的情况下，可以采用程序很方便地计算出各个节段在三维坐标空间的坐标；

（3）、监测装置在待测环境中变形后各测点的三维坐标相对于其初始坐标的变化值，即为各个测点在三维空间的变形值。

现将标准测量单元1变形计算方法简述如下：

假设长度为r的标准测量单元与X轴、Z轴的夹角分别为φ和θ（φ和θ均能通过测量单元内置的MEMS加速度传感器直接测得），则测量单元端点的三维坐标可表示为：

X=r*sinθ*cosφ；

Y=r*sinθ*sinφ；

Z=r*cosθ；

不失一般性，设标准测量单元初始埋设时与X轴、Z轴的夹角分别为φ₀和θ₀，仪器埋设后经过时间因坝体变形与X轴、Z轴的夹角变为φ_t和θ_t，则相应时间段内该单元在三维空间的变形可表示为：

X_t=r*sinθ_t*cosφ_t - r*sinθ₀*cosφ₀；

Y_t=r*sinθ_t*sinφ_t - r*sinθ₀*cosφ₀；

Z_t=r*cosθ_t - r*cosθ₀；

将相应范围内所有标准节段变形量累加，即可得到对应各个测点的总变形。

参考图3和图4，本装置的标准测量单元4均采用同样的接线方式并联在监测电缆3上，单一节段损坏不影响其他部位正常工作。监测电缆3设置为“红黑蓝黄白”五芯铜芯线结构，芯线外包橡胶等绝缘材料彼此绝缘，其中两芯为供电芯线（本实施例举例使用红色及黑色芯线）、两芯为信号线用于接收MEMS传感器传回来的电信号（本实施例举例使用蓝色及黄色芯线）、剩下的一芯为屏蔽线（本实施例举例使用白色芯线，用于屏蔽外界干扰信号），监测电缆3采用冗余设计，两端均设有电缆接头2，降低装置电缆损坏造成整套装置报废的风险。由此基于以上设计，使得该装置在复杂监测环境中的存活率得到有效保障。

参考图5，将本装置用于堆石坝沉降监测时，一般采用水平埋设方式，且无需预埋管路和电缆，当大坝填筑至设计监测高程时，通过开挖沟槽进行埋设，本装置需使用PE管进行保护，PE管四周需使用黏土、砂等柔性材料进行保护。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

（1）、测量精度高。与横梁式沉降仪、电位器式位移计等堆石坝传统沉降监测仪器相比，核心测量模块（标准测量单元4）使用更为先进的MEMS加速计传感器而不是传统的振弦式、差阻式、电位器式传感器，测量精度更高。

（2）、无需预埋管路电缆等，安装埋设方便且可准确获取沉降初值。传统堆石坝沉降监测仪器，如电磁沉降导管、横梁式沉降仪需在坝体填筑时竖向预埋导管、牵引电缆，对现场施工干扰大，且预埋导管、电缆难以保护，容易损坏。本装置用于沉降监测时，在现场安装埋设时（如图3所示），无需预埋管路和电缆，待大坝填筑到设计监测高程时开挖安装埋设沟槽，沟槽内使用黏土、砂等柔性材料整平，沟槽整平后平顺铺设保护监测装置的PE管，然后进行监测装置穿管操作（穿管前在监测装置外表涂上黄油减小穿管的摩阻力，降低传感器损坏风险），上述操作完成后即可将监测装置端部锚固到工作基点并读取初值，数据核验无误后进行沟槽回填（监测装置周边采用黏土、砂等柔性材料回填）并恢复大坝填筑施工。可见，本装置安装埋设过程比较简单，对现场施工干扰小，监测装置埋设完成后即取得初值并恢复施工，不存在丢失沉降初值的问题。

（3）、对复杂监测环境适应性强，仪器存活率有保障。堆石坝传统沉降监测仪器如横梁式沉降仪、大量程电位器式位移计一般采用刚性保护（如镀锌钢管），在特高堆石坝“高土压、高水压、大变形”监测环境中容易弯折受损，进而导致仪器失效。本装置各测量单元之间采用万向节1连接，进而使得测量装置具有一定的柔性，能较好适应特高堆石坝大变形监测环境，此外，各标准测量单元4为并联关系，单个标准测量单元4损坏不影响其他部分正常工作，同时，本装置对监测电缆2做了冗余设计，设计为双向接头。通过科学的细节设计，显著提升了本装置对监测环境的适应性，仪器存活率更有保障。

（4）、可进行线性布设，可有效获得沿程沉降分布规律。堆石坝传统沉降监测仪器一般只能竖向、点式埋设，而本装置用于沉降监测时为水平线性布设方式，且可通过搭接、采用专用接头连接等方式灵活适应长距离、大范围埋设情景，可有效获得监测范围内沿程沉降分布规律。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种心墙坝沉降变形监测装置，其特征在于，包括万向节（1）、电缆接头（2）、监测电缆（3）、电缆连接线（5）和若干标准测量单元（4），所述监测电缆（3）的两端分别设置有电缆接头（2），若干所述标准测量单元（4）通过万向节（1）首尾依次连接，若干所述标准测量单元（4）分别通过电缆连接线（5）并联在所述监测电缆（3）上。

2.根据权利要求1所述的一种心墙坝沉降变形监测装置，其特征在于，所述标准测量单元（4）长度均为0.5m或者1m的圆柱形的刚性直杆，所述标准测量单元（4）的外壁均用铠装保护套封装。

3.根据权利要求1所述的一种心墙坝沉降变形监测装置，其特征在于，所述标准测量单元（4）内均设有MEMS加速度传感器及内置电路板，所述MEMS加速度传感器与所述电路板连接，且所述电缆连接线（5）与所述电路板连接，所述标准测量单元（4）均设有独立的编号。

4.根据权利要求1所述的一种心墙坝沉降变形监测装置，其特征在于，所述监测电缆（3）为五芯铜芯线结构，两芯为供电线，两芯为信号线，剩余一芯用于屏蔽外部干扰信号。

5.根据权利要求1所述的一种心墙坝沉降变形监测装置，其特征在于，所述电缆接头（2）为双向接头设计。

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