振動(dòng)型水利大壩套井回填打夯次數(shù)監(jiān)測(cè)裝置

劉 勇

（山東弘潤(rùn)水利建筑工程有限公司，山東 聊城252000）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水災(zāi)多發(fā)的國(guó)家，在防洪抗災(zāi)的歷史斗爭(zhēng)中，共修建了各類水庫(kù)8萬(wàn)余座。長(zhǎng)期運(yùn)行，很多病險(xiǎn)水庫(kù)需要對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，尤其是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的土石壩，普遍存在壩體滲漏的問(wèn)題，在壩體防滲加固處理技術(shù)中，套井回填是一種應(yīng)用廣泛的防滲技術(shù)，它適用于中、小型均質(zhì)土壩、心墻壩的防滲加固處理[1]。在套井回填施工過(guò)程中，一般采用沖抓機(jī)造孔，然后用粘土回填并采用夯實(shí)錘夯實(shí)粘土，即由鉆機(jī)的動(dòng)力和卷?yè)P(yáng)設(shè)備帶動(dòng)夯錘加以夯實(shí)，形成一道連續(xù)的黏土防滲墻，依據(jù)鉆孔深度、當(dāng)?shù)卣惩临|(zhì)量和防滲系數(shù)要求，估算每個(gè)鉆孔夯實(shí)錘夯實(shí)粘土的次數(shù)。目前，現(xiàn)場(chǎng)施工基本上由一個(gè)工人操作卷?yè)P(yáng)設(shè)備帶動(dòng)夯錘，另一個(gè)工人人工計(jì)數(shù)錘夯的次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到要求即提示停止卷?yè)P(yáng)設(shè)備[2]。但是這種方法有很多弊端：①需要一個(gè)工人專門計(jì)數(shù)，效率低且人工成本高。②人工計(jì)數(shù)容易中途開小差而產(chǎn)生較大誤差。③僅按照錘夯次數(shù)多少來(lái)判斷黏土防滲墻已經(jīng)滿足防滲要求，科學(xué)性不足。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)，有很多學(xué)者開展了研究，有采用在夯錘上安裝計(jì)數(shù)裝置，根據(jù)夯錘落地的壓力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但是夯錘落地時(shí)的振動(dòng)對(duì)儀表破壞力大，設(shè)備極易損壞。有采用卷?yè)P(yáng)設(shè)備的行程計(jì)數(shù)，但是夯錘的鋼絲有拉伸現(xiàn)象，計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。有采用打夯的聲音進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)，但是施工現(xiàn)場(chǎng)往往比較嘈雜，干擾大，準(zhǔn)確性也很差，為此，筆者結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)明一種振動(dòng)型水利大壩套井回填打夯次數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，采用在打夯落點(diǎn)5 m范圍內(nèi)利用夯錘落地振動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)并計(jì)數(shù)，并在實(shí)踐應(yīng)用中取得了良好效果。下面就對(duì)該裝置的原理及應(yīng)用進(jìn)行論述。

1 總體結(jié)構(gòu)

振動(dòng)型水利大壩套井回填打夯次數(shù)監(jiān)測(cè)裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、標(biāo)定子系統(tǒng)（或稱為標(biāo)定儀）、A/D子系統(tǒng)和監(jiān)視儀4部分組成，如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

（1）振動(dòng)傳感器。采用DP型地震式低頻振動(dòng)傳感器（垂直振動(dòng)型）[3]，內(nèi)置低頻擴(kuò)展電路，能夠適應(yīng)低頻振動(dòng)的測(cè)量；自帶積分電路，直接輸出位移振動(dòng)信號(hào)（無(wú)需額外測(cè)量放大器）；體積小，穩(wěn)定可靠，可遠(yuǎn)距傳輸；機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率較高，因此具有高可靠性和耐沖擊性。頻率響應(yīng)0.5～150 Hz，靈敏度5 V/mm，量程±1 mm。輸入：±12 V電源，輸出：

0～5 V電壓，接口形式采用四柱式接線端子排。

（2）標(biāo)定子系統(tǒng)。選擇VB～Z8900動(dòng)態(tài)校驗(yàn)儀，供電為220 VAC±10%，最大工作電流為1 A，位移校準(zhǔn)范圍為0～5 mm，位移標(biāo)準(zhǔn)為百分螺桿，其精度為1%；Φ8電渦流傳感器為210 μm（最大）、Φ11電渦流傳感器 170 μm（最大）；頻率為 5～260 Hz，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)為千分表，其精度達(dá)到0.1%轉(zhuǎn)速，范圍為300～16 000 r/min，尺寸為310 mm×200 mm×250 mm。

（3）A/D子系統(tǒng)。A/D子系統(tǒng)是聯(lián)系傳感器子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)[4]，本發(fā)明選用并行接口式A/D系統(tǒng)，將把硬件集成在一個(gè)采集盒里或一個(gè)探頭上。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上組成了一個(gè)客戶機(jī)-服務(wù)器系統(tǒng)（也稱下位機(jī)-上位機(jī)系統(tǒng)），它們的最大好處是既可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。A/D最高采樣頻率為100 kHz，A/D的位數(shù)為12位，電源接口為20 VAC±10%，傳感器接口為4芯航空插頭，最多可以同時(shí)轉(zhuǎn)換16路傳感器信號(hào)，并且可以同時(shí)向16路傳感器供電（通過(guò)4芯航空插頭），計(jì)算機(jī)接口為并行打印口。

（4）監(jiān)視儀子系統(tǒng)。監(jiān)視儀子系統(tǒng)實(shí)際上和傳感器子系統(tǒng)、連接電纜共同組成了一套相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它含有自己獨(dú)立的A/D系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。它可以在線監(jiān)測(cè)擺度值與振動(dòng)值，并具備實(shí)時(shí)顯示功能。但由于不具備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信功能及大容量存儲(chǔ)功能，因而不具備數(shù)據(jù)離線處理和數(shù)據(jù)分析能力。該系統(tǒng)實(shí)際上屬于智能儀表的一種，它只是對(duì)基于可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（由傳感器子系統(tǒng)、A/D子系統(tǒng)組成）的一種補(bǔ)充，主要優(yōu)點(diǎn)是可以快速、實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)值。具有自檢和防止上電沖擊功能?？梢栽诰€修改報(bào)警上下限等參數(shù)，并有掉電保護(hù)功能。采用模擬量預(yù)處理，數(shù)字濾波等措施，具有穩(wěn)定性好，可靠性高，測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)檢測(cè)并顯示2個(gè)通道的振動(dòng)和擺度值。提供2路標(biāo)準(zhǔn)模擬量DC 1～5 V或4～20 mA，供上一級(jí)儀表或上位機(jī)進(jìn)行采集。兩個(gè)通道，每個(gè)通道3位LED；報(bào)警接點(diǎn)容量為AC 220 V/0.3 A、DC 110 V/0.3 A；溫度為 -5～+45℃；儀表相對(duì)濕度≤85%RH；外 磁 場(chǎng)≤400 A/m；振 動(dòng)f≤20 Hz，A≤0.2 mm；外型尺寸為160 mm×80 mm×250 mm（寬×高×深），開口尺寸為154 mm×76 mm。

（5）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)由云數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件系統(tǒng)界面組成，云數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，程序開發(fā)語(yǔ)言采用JAVA語(yǔ)言。云數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)傳感器的采集數(shù)據(jù)、標(biāo)定數(shù)據(jù)和監(jiān)視儀的數(shù)據(jù)等，軟件系統(tǒng)界面主要是用于人工交互[5]。

2 硬件系統(tǒng)工作原理

2.1 DP型振動(dòng)傳感器

DP型振動(dòng)傳感器是將地震檢波器后接校正網(wǎng)絡(luò)以擴(kuò)展其低頻特性，也就是通過(guò)改變?cè)到y(tǒng)的傳遞函數(shù)來(lái)改變其傳輸特性，使得其輸出等效一個(gè)低頻振動(dòng)傳感器。這樣DP型傳感器保持了所用頻率較高的地震檢波器的機(jī)械特性，既具有高的可靠性、頑健性和適用于工程應(yīng)用的特點(diǎn)[6]，又具有測(cè)量低頻振動(dòng)的杰出性能，如圖2所示。

圖2 DP型振動(dòng)傳感器原理框圖

2.2 標(biāo)定子系統(tǒng)

本系統(tǒng)的標(biāo)定采用VB-Z8900標(biāo)定系統(tǒng)[7]，它是專門為電渦流傳感器設(shè)計(jì)制造的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)儀，主要用于Φ8、Φ11電渦流傳感器動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)位移特性的校準(zhǔn)，也可用于振動(dòng)儀表的校驗(yàn)工作。動(dòng)態(tài)校驗(yàn)儀的工作原理實(shí)際上靠其機(jī)械裝置（轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)）和精密測(cè)量設(shè)備來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)高精度的位移量、振動(dòng)量，而由傳感器對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行測(cè)量并依據(jù)測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)量之間的關(guān)系來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 A/D子系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)由單片機(jī)和A/D板及相關(guān)電路構(gòu)成的智能型A/D系統(tǒng)，其單片機(jī)系統(tǒng)具有相對(duì)的獨(dú)立性，它按照特定的通信協(xié)議（編程接口）通過(guò)并行打印接口與計(jì)算機(jī)通信。它從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接受相應(yīng)的指令，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果通過(guò)并行打印接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。該系統(tǒng)具有可控晶振，可以改變采集頻率，而不是像傳統(tǒng)A/D板卡只能以固定的采樣頻率進(jìn)行采集（查詢式或中斷式），可以控制采樣增益，從而使比較弱小的信號(hào)得以放大，16路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 16路模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4 監(jiān)視儀子系統(tǒng)

IN1為 1（X）輸入端子，IN2為 2（X）輸入端子，其中IN為信號(hào)，COM為公共端，+V為+12 V電源；-V為-12 V電源。OUT1和OUT2分別為通道1和通道2的模擬量輸出端子，電源為AC 220 V、50 Hz。監(jiān)視儀接線圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)視儀接線圖

3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫(kù)層、數(shù)據(jù)接口層、應(yīng)用支撐層、表示層和人機(jī)接口。數(shù)據(jù)庫(kù)層采用基于MySQL的設(shè)計(jì)，分為工程特性表、數(shù)據(jù)采集表、計(jì)數(shù)表、時(shí)鐘表、報(bào)警記錄表等。數(shù)據(jù)接口層的作用是：①采用SQL數(shù)據(jù)接口協(xié)議與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接；②采用RS485接口與傳感器等對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與硬件系統(tǒng)的交互。應(yīng)用支撐層包含了控制模塊、計(jì)數(shù)模塊、報(bào)警模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗模塊、調(diào)試配置模塊等?？刂颇K采用PLC的嵌入式編程；計(jì)數(shù)模塊采用MS51系列單片機(jī)編程，并啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)嵌的時(shí)鐘控件，設(shè)置時(shí)鐘參數(shù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)表時(shí)鐘字段對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘模塊的開發(fā)；看門狗模塊實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)數(shù)的控制；調(diào)試配置模塊實(shí)現(xiàn)了程序壓板調(diào)試功能，同時(shí)可以設(shè)置夯錘最大次數(shù)、夯錘最小高度、卷?yè)P(yáng)機(jī)最大動(dòng)能等。表示層包含2個(gè)方面的界面：①組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)控制按鈕、看門狗功能、調(diào)試配置功能等，可以在觸摸屏上顯示；②PC端JAVA界面，具有計(jì)數(shù)、報(bào)警、時(shí)鐘等功能，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、管理、查詢、打印等功能。人機(jī)接口分為兩個(gè)方面：①現(xiàn)地傳感器與標(biāo)定儀、A/D子系統(tǒng)和監(jiān)視儀之間鏈接采用RS485接口，通過(guò)串行人機(jī)接口與觸摸屏鏈接。②單片機(jī)與PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)無(wú)線通信卡（移動(dòng)或電信）與云數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的人機(jī)接口互通數(shù)據(jù)。

4 案例分析

筆者在山東聊城蒙陰縣馬家花園東、山里、鄭家莊等水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，采用該振動(dòng)型水利大壩套井回填打夯次數(shù)監(jiān)測(cè)裝置。套井回填施工過(guò)程中用沖抓機(jī)造孔，然后用粘土回填并用夯實(shí)錘夯實(shí)粘土，一般沖抓孔直徑110 cm，孔距0.8 m，孔與孔之間呈連環(huán)套形布置。按照工程需要可以設(shè)置單排或者多排套井，一般以雙排套井為多。套井沖抓回填土料施工的流程為布孔、安機(jī)、造孔、清理、回填夯實(shí)、質(zhì)量檢查[8]。套井造孔深度一般要求穿過(guò)碎石土層達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化基巖以下0.50 m，井底以上1.0 m范圍采用1：1.5（水泥：粘土）回填夯實(shí)，其上用粘土夯實(shí)回填，回填每層厚度控制在15～20 cm，回填后的粘土要求壓實(shí)度≥0.96，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s，依據(jù)規(guī)程夯錘高度不少于2 m，每層打夯次數(shù)不少于20次[9]。原來(lái)采用人工方法，每處需要2個(gè)工人，共100多處，夯填2個(gè)月，需要12 000人工×天。而采用該設(shè)備后，每處只需1個(gè)工人，人工費(fèi)用減少一半，且精度有很大提高，因避免了偷工減料而使得質(zhì)量也有很大提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)型水利大壩套井回填打夯次數(shù)監(jiān)測(cè)裝置是一款具有很強(qiáng)實(shí)用性和可推廣性的專利產(chǎn)品，該裝置有效解決了人工打夯次數(shù)計(jì)量的缺點(diǎn)，減少人工成本、提高計(jì)量精度和提升夯實(shí)回填的質(zhì)量。該裝置成本低，經(jīng)濟(jì)性好，值得推廣應(yīng)用。