高填方土體沉降監(jiān)測系統(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)測手段

傳統(tǒng)人工沉降監(jiān)測手段由人員采用水準(zhǔn)儀完成，傳統(tǒng)的檢測手段便有著諸多不足與弊端。如：需通過人工頻繁的變形觀測方式且采集數(shù)據(jù)樣本有限，測量干擾因素多、誤差大、耗時費力、與施工相互干擾大，對工程師們的主觀經(jīng)驗依賴性強，在需要加密或全天候監(jiān)測時顯得盲目與被動。針對高填方土體沉降問題，根據(jù)以往工程事故分析及總結(jié)，傳統(tǒng)監(jiān)測方法精度已很難滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，更無法實現(xiàn)智能、無人、全天候、危險預(yù)警等高要求。針對傳統(tǒng)人工沉降觀測費時費工、數(shù)據(jù)處理量大、誤差大、人為干涉影響大等缺點。作者提出一種采用靜力水準(zhǔn)儀終端沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)。

2 智能沉降監(jiān)測系統(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)儀測量系統(tǒng)由測量點、基準(zhǔn)點、連通管、采集儀、數(shù)據(jù)存儲及無線傳輸?shù)炔糠纸M成，具有量程大、精度高、安裝簡便、體積小、重復(fù)使用以及智能化等特點，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、長期固態(tài)存儲和遠距離傳輸功能，可實現(xiàn)近距離顯示、人工置數(shù)以及系統(tǒng)自檢等功能。最終的沉降觀測數(shù)據(jù)可遠程傳輸?shù)絇C端，由軟件自動分析計算得出沉降數(shù)據(jù)以及沉降特點，可實現(xiàn)全天候24 h不間斷無人觀測。

2.1 靜力水準(zhǔn)儀

靜力水準(zhǔn)儀由位移傳感器、儲液桶、浮漂、安裝支架、管路等組成。目前在我國推廣應(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是損壞率高，長期穩(wěn)定性差，需要定期的重新標(biāo)定，維護費用高，信號輸出形式固定適應(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)測垂直位移或沉降的場合，高精度的差動變壓器式傳感器可監(jiān)測小于0.01 mm的高程變化。系統(tǒng)由2個以上含有液位傳感器的儲液桶組成，儲液桶位于同基準(zhǔn)點儲液桶大致相同標(biāo)高的不同位置，任何一個測點儲液桶與基準(zhǔn)點儲液桶間的高程變化都將引起相應(yīng)儲液桶內(nèi)的液位變化，從而獲取測點相對于基準(zhǔn)點高程的變化。靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)置智能記憶芯片，可識別傳感器身份，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)儀使用差動變壓器式位移計作為傳感器。該傳感器獲得國家發(fā)明專利(智能差動變壓器式位移變送器；發(fā)明專利證書號1328582；專利號：ZL201210017412.7)是利用差動變壓器原理開發(fā)出的新一代高精度液位測量產(chǎn)品，是一種非接觸式液位測量傳感器。傳感器浮子在測桿上的位置隨貯液容器內(nèi)液位的變化而同步變化，通過二次儀表可測得變化數(shù)據(jù)，從而計算出液位的變化量。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題,具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、安裝簡便等優(yōu)點。

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系列是一款將自動化數(shù)據(jù)采集與無線通訊技術(shù)相結(jié)合的綜合監(jiān)測系統(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)警等特點的自動化監(jiān)測系統(tǒng)；具備低功耗優(yōu)化機制，內(nèi)置鋰電池供電，配接太陽能或AC220 V 等外部電源，實現(xiàn)長期在線監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)自動發(fā)送到云服務(wù)器，有效縮短監(jiān)測系統(tǒng)的搭建時間。

3 沉降監(jiān)測系統(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)至少由兩個觀測點組成，每個觀測點安裝一套靜力水準(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)同在一個大地水準(zhǔn)面上▽O，此時每一容器的液位由傳感器測出，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)被測物體測點1作為基準(zhǔn)點，測點2的地基下沉，測點3的地基上升，測點4的地基不變等等，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達到平衡靜止后形成新的水準(zhǔn)面▽i0，則各測點連通容器內(nèi)的新液位值分別為：H1、H2、H3、H4……Hi，如圖4。系統(tǒng)各測點的液位由靜力水準(zhǔn)儀傳感器測得，各測點液位變化量分別計算為：△h1=H1-H10、△h2=H2-H20、△h3=H3-H30、△h4=H4-H40……△hi=Hi-Hi0。其中計算結(jié)果：△hi為正值表示該測點貯液容器內(nèi)的液面升高，△hi為負值表示該測點貯液容器內(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，選定測點1為基準(zhǔn)點，則其它各測點相對基準(zhǔn)點的垂直位移(沉降量)為：△H2=△h1-△h2、△H3=△h1-△h3、△H4=△h1-△h4、……△Hi=△h1-△hi。其中計算結(jié)果：△Hi為正值表示該測點地基抬高，△Hi為負值表示該測點地基沉降，如圖4。如果知道兩測點間的水平距離L，則兩測點間相對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，不但可以觀測兩測點間的相對垂直位移，也可在建筑物及其它地基內(nèi)布置多個測點并連成系統(tǒng)，并選一穩(wěn)定不動的測點做為基準(zhǔn)點，來觀測各測點相對基準(zhǔn)點的垂直位移(沉降量)。往往基準(zhǔn)點是相對恒定的或者是可用其它方式準(zhǔn)確測定的點，精確計算各點的絕對垂直位移，必須核定基準(zhǔn)點地基的沉降變化量。對于多測點的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，每個測點的靜力水準(zhǔn)儀均需加接三通接頭，使各測點貯液容器用水管連通，各點容器上部與大氣連通，且各點安裝高程應(yīng)基本相同。

4 結(jié)束語

近年來，沉降問題導(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方法，此次作者提出的全新沉降監(jiān)測系統(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)測研究，當(dāng)出現(xiàn)沉降量突然增大的情況時，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。