高填方土體沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王大均

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川成都 610017)

1 傳統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)手段

傳統(tǒng)人工沉降監(jiān)測(cè)手段由人員采用水準(zhǔn)儀完成，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段便有著諸多不足與弊端。如：需通過(guò)人工頻繁的變形觀測(cè)方式且采集數(shù)據(jù)樣本有限，測(cè)量干擾因素多、誤差大、耗時(shí)費(fèi)力、與施工相互干擾大，對(duì)工程師們的主觀經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)，在需要加密或全天候監(jiān)測(cè)時(shí)顯得盲目與被動(dòng)。針對(duì)高填方土體沉降問(wèn)題，根據(jù)以往工程事故分析及總結(jié)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法精度已很難滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能、無(wú)人、全天候、危險(xiǎn)預(yù)警等高要求。針對(duì)傳統(tǒng)人工沉降觀測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)工、數(shù)據(jù)處理量大、誤差大、人為干涉影響大等缺點(diǎn)。作者提出一種采用靜力水準(zhǔn)儀終端沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 智能沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要構(gòu)成為靜力水準(zhǔn)儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)、連通管、采集儀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及無(wú)線傳輸?shù)炔糠纸M成，具有量程大、精度高、安裝簡(jiǎn)便、體積小、重復(fù)使用以及智能化等特點(diǎn)，能夠滿足不同環(huán)境使用需求。該系統(tǒng)具有高精度數(shù)據(jù)智能采集、長(zhǎng)期固態(tài)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離傳輸功能，可實(shí)現(xiàn)近距離顯示、人工置數(shù)以及系統(tǒng)自檢等功能。最終的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸?shù)絇C端，由軟件自動(dòng)分析計(jì)算得出沉降數(shù)據(jù)以及沉降特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全天候24 h不間斷無(wú)人觀測(cè)。

2.1 靜力水準(zhǔn)儀

靜力水準(zhǔn)儀由位移傳感器、儲(chǔ)液桶、浮漂、安裝支架、管路等組成。目前在我國(guó)推廣應(yīng)用的靜力水準(zhǔn)儀技術(shù)中主要使用的傳感器為：振弦式、電容式、光電式等。以上形式的儀器共同的弱點(diǎn)是損壞率高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，需要定期的重新標(biāo)定，維護(hù)費(fèi)用高，信號(hào)輸出形式固定適應(yīng)性差。其中有些傳感器安裝要求較高，必須專業(yè)技術(shù)人員安裝；有些傳感器測(cè)量精度較差，可靠性方面存在缺陷等。

WFJ-115系列靜力水準(zhǔn)儀適合于要求高精度監(jiān)測(cè)垂直位移或沉降的場(chǎng)合，高精度的差動(dòng)變壓器式傳感器可監(jiān)測(cè)小于0.01 mm的高程變化。系統(tǒng)由2個(gè)以上含有液位傳感器的儲(chǔ)液桶組成，儲(chǔ)液桶位于同基準(zhǔn)點(diǎn)儲(chǔ)液桶大致相同標(biāo)高的不同位置，任何一個(gè)測(cè)點(diǎn)儲(chǔ)液桶與基準(zhǔn)點(diǎn)儲(chǔ)液桶間的高程變化都將引起相應(yīng)儲(chǔ)液桶內(nèi)的液位變化，從而獲取測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)高程的變化。靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)置智能記憶芯片，可識(shí)別傳感器身份，記憶傳感器參數(shù)(圖1)。

圖1 WFJ-115系列靜力水準(zhǔn)儀構(gòu)造

本系統(tǒng)所述的靜力水準(zhǔn)儀使用差動(dòng)變壓器式位移計(jì)作為傳感器。該傳感器獲得國(guó)家發(fā)明專利(智能差動(dòng)變壓器式位移變送器；發(fā)明專利證書號(hào)1328582；專利號(hào)：ZL201210017412.7)是利用差動(dòng)變壓器原理開發(fā)出的新一代高精度液位測(cè)量產(chǎn)品，是一種非接觸式液位測(cè)量傳感器。傳感器浮子在測(cè)桿上的位置隨貯液容器內(nèi)液位的變化而同步變化，通過(guò)二次儀表可測(cè)得變化數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出液位的變化量。本靜力水準(zhǔn)儀所用傳感器能有效地克服其它類型傳感器所存在的以上問(wèn)題,具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

微功耗智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——W2000 系列(圖2)。

圖2 W2000 系列數(shù)據(jù)采集終端

W2000系列是一款將自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與無(wú)線通訊技術(shù)相結(jié)合的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有免布線、快速安裝、數(shù)據(jù)采集、多參數(shù)集成及智能預(yù)警等特點(diǎn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；具備低功耗優(yōu)化機(jī)制，內(nèi)置鋰電池供電，配接太陽(yáng)能或AC220 V 等外部電源，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到云服務(wù)器，有效縮短監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建時(shí)間。

3 沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)又稱連通管水準(zhǔn)儀，系統(tǒng)至少由兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)組成，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)安裝一套靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)儀的貯液容器相互用通液管完全連通，貯液容器內(nèi)注入液體，當(dāng)液體液面完全靜止后系統(tǒng)中所有連通容器內(nèi)的液面應(yīng)同在一個(gè)大地水準(zhǔn)面上▽O，此時(shí)每一容器的液位由傳感器測(cè)出，即初始液位值分別為：H10、H20、H30、H40、……Hi0，見圖3。

圖3 靜力水準(zhǔn)儀工作原理

假設(shè)被測(cè)物體測(cè)點(diǎn)1作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)2的地基下沉，測(cè)點(diǎn)3的地基上升，測(cè)點(diǎn)4的地基不變等等，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后形成新的水準(zhǔn)面▽i0，則各測(cè)點(diǎn)連通容器內(nèi)的新液位值分別為：H1、H2、H3、H4……Hi，如圖4。系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)的液位由靜力水準(zhǔn)儀傳感器測(cè)得，各測(cè)點(diǎn)液位變化量分別計(jì)算為：△h1=H1-H10、△h2=H2-H20、△h3=H3-H30、△h4=H4-H40……△hi=Hi-Hi0。其中計(jì)算結(jié)果：△hi為正值表示該測(cè)點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面升高，△hi為負(fù)值表示該測(cè)點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面降低，見圖4。

圖4 靜力水準(zhǔn)儀位移沉降示意

在此，選定測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，則其它各測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移(沉降量)為：△H2=△h1-△h2、△H3=△h1-△h3、△H4=△h1-△h4、……△Hi=△h1-△hi。其中計(jì)算結(jié)果：△Hi為正值表示該測(cè)點(diǎn)地基抬高，△Hi為負(fù)值表示該測(cè)點(diǎn)地基沉降，如圖4。如果知道兩測(cè)點(diǎn)間的水平距離L，則兩測(cè)點(diǎn)間相對(duì)傾斜的變化也可算得，如圖4所示。

依照上述原理，在靜力水準(zhǔn)儀的系統(tǒng)中，不但可以觀測(cè)兩測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)垂直位移，也可在建筑物及其它地基內(nèi)布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)并連成系統(tǒng)，并選一穩(wěn)定不動(dòng)的測(cè)點(diǎn)做為基準(zhǔn)點(diǎn)，來(lái)觀測(cè)各測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移(沉降量)。往往基準(zhǔn)點(diǎn)是相對(duì)恒定的或者是可用其它方式準(zhǔn)確測(cè)定的點(diǎn)，精確計(jì)算各點(diǎn)的絕對(duì)垂直位移，必須核定基準(zhǔn)點(diǎn)地基的沉降變化量。對(duì)于多測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀均需加接三通接頭，使各測(cè)點(diǎn)貯液容器用水管連通，各點(diǎn)容器上部與大氣連通，且各點(diǎn)安裝高程應(yīng)基本相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，沉降問(wèn)題導(dǎo)致的安全事故不增多，主要原因之一在于缺乏有效的沉降檢測(cè)方法，此次作者提出的全新沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠方便快捷地得出沉降數(shù)據(jù)，在工程結(jié)束之后，還能繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)研究，當(dāng)出現(xiàn)沉降量突然增大的情況時(shí)，可迅速作出響應(yīng)，避免安全事故的發(fā)生。在自然災(zāi)害監(jiān)控、防治方面，此套系統(tǒng)能夠得到有效應(yīng)用。