水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置及方法

2023-09-23 06:05:05 2

水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置及方法，包括通底豎井、位於通底豎井內部的載道內管，所述載道內管內安裝有變位臺，變位臺的兩側對稱的安裝有鑽頭驅動裝置，鑽頭驅動裝置與錐形鑽頭連接，兩邊的鑽頭驅動裝置分別與提升鑽頭驅動裝置運動的升降裝置連接，變位臺的兩端對稱的安裝有校正變位臺水平的校正裝置，變位臺中部與一組對稱安裝的彈簧的一端連接，彈簧的另一端與豎向測尺鉸接，兩個彈簧之間設有光纖掛桶，光纖掛桶內安裝有波狀迴路光纖，波狀迴路光纖上設有光纖扣。本發明具有可重複的使用、極為方便的安裝及實時的檢測與維護等優勢及分布式、微宏觀、實時性、複雜環境高適應性等特點。
【專利說明】水工結構±石結合區域不均勻沉降組合監測裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發明設及一種水工結構±石結合區域不均勻沉降組合監測裝置的監測方法，屬 於建築領域。

【背景技術】
[0002] 穿堤、水閩等水工結構物中的±石結合區域在運行中常出現不均勻沉降病害，對 建築物的安全及正常使用造成不利影響，甚至導致建築物破壞或失事。通過在±石結合區 域布設監測儀器或裝置，實時獲取區域沉降信息，合理分析區域沉降空間與時間變化規律， 及時發現區域沉降（特別是不均勻沉降）異常狀況，W科學採取防範或控制措施，對保障水 工結構物安全服役具有重要意義。
[0003] 目前，常規沉降監測裝置多存在施工布設困難、可重複利用率低、不易檢修維護、 耐久性差、精度低、易受電磁環境幹擾等不足。光纖傳感器具有抗福射、耐腐蝕等特點，應 用於不均勻沉降病害監測具有明顯的優勢；但從光纖變形監測的現狀來講，分布式實時 監測方式是當前研究和應用熱點，但技術本身和工程實用性方面尚不成熟，尤其是對於沉 降監測的光纖迴路應用更是處於空白。利用光纖中瑞利散射和菲涅爾反射、布裡淵散射 的變化，理論上不僅可W準確定位不均勻沉降病害，且可W給出不均勻沉降病害的定量描 述；但上述目標的實現過程中，光纖的布設極其考究，尤其迴路設置更是困難。從最新的 光纖【技術領域】上看，美國 Luna Technology 公司的 ODiSI (Optical Distributed Sensor Interrogator)分布式光纖傳感系統可W實現mm級空間解析度，但是最大傳感長度只有 50m，且實際應用中受到多因素幹擾，其有效監測長度及解析度會降低；日本NBX公司利用 PPP-B0TDA技術生產的光納儀，有效空間解析度可提高到cm級，但需要光纖迴路布設，致使 其很難直接應用於實際工程的不均勻沉降監測。本發明技術可在保證現有分布式光纖最大 監測距離（25km範圍內）的情況下，將空間解析度提高到mm級。
[0004] 為了充分利用現有技術監測±石結合區域的不均勻沉降，使監測設備獲得較高的 初始精度、較大的測量量程，本發明將傳統監測技術與光纖傳感技術相結合，借鑑傳統監測 技術直觀、簡單的優點，避開其布設困難、利用率低、無法檢修維護、受電磁環境幹擾等不利 弊端，結合當前光纖傳感技術所具有的分布式、高精度、實時性、多複雜環境應用的優勢，構 建可共載兩種技術的應用平臺，設置兩種技術的共享信息融合的設備構件，實現±石結合 區域不均勻沉降mm級精度的有效監測和應用。


【發明內容】

[0005] 發明目的；為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種水工結構±石結合 區域不均勻沉降組合監測裝置的監測方法，創造性地搭建可W融合新舊技術的集成平臺， 具有可重複的使用、極為方便的安裝及實時的檢測與維護等優勢及分布式、微宏觀、實時 性、複雜環境高適應性等特點。
[0006] 技術方案；為解決上述技術問題，本發明的一種水工結構±石結合區域不均勻沉 降組合監測裝置，包括位於±石方結合區的通底豎井、位於通底豎井內部的載道內管，所述 載道內管內安裝有變位臺，變位臺的兩側對稱的安裝有轉動連軸，轉動連軸一端通過連軸 套桶與松梓轉柄連接，松梓轉柄與旋轉栓連接，轉動連軸另一端與五級活塞連接，五級活塞 的頂端與持力圓塞連接，持力圓塞與鑽頭外連管連接，鑽頭外連管與錐形鑽頭連接，五級活 塞位於殼體內，殼體上設有第一刻槽，通過旋轉旋轉栓帶動松梓轉柄轉動，驅動五級活塞運 動，從而通過持力圓塞運動帶動與鑽頭外連管連接的錐形鑽頭運動；變位臺兩邊五級活塞 的殼體分別與帶動殼體運動的升降裝置連接，變位臺的兩端對稱的安裝有校正變位臺水平 的校正裝置，變位臺中部與一組對稱安裝的彈黃的一端連接，彈黃的另一端與豎向測尺較 接，刻度臺位於設置在通底豎井上的橫梁上，兩個彈黃之間設有光纖掛桶，光纖掛桶的底端 與變位臺連接，光纖掛桶內安裝有波狀迴路光纖，波狀迴路光纖上設有光纖扣，波狀迴路光 纖的輸入端安裝有光波發射器，波狀迴路光纖的輸出端安裝有光波採集器。
[0007] 作為優選，所述升降裝置包含同速張拉繩、張拉臺、張拉載道和螺紋柱，所述同速 張拉繩一端連接第一刻槽，另一端穿過張拉載道纏繞在螺紋柱並收納在張拉繩盤裡，張拉 臺位於橫梁上。
[000引作為優選，所述校正裝置包含校正牽引繩、牽引載道、牽引臺、梓固栓，所述牽引臺 上設有兩個牽引載道，變位臺的一側設有兩個第二刻槽，兩根校正牽引繩一端分別穿過牽 引載道與第二刻槽連接，兩根校正牽引繩的另一端分別通過設置在牽引臺的梓固栓梓緊， 牽引臺位於橫梁上。
[0009] 作為優選，所述變位臺的下方設有護底凸臺。
[0010] 作為優選，所述變位臺的下方設有護底彈黃。
[0011] 一種水工結構±石結合區域不均勻沉降組合監測裝置的監測方法，包括W下步 驟：
[0012] 第1步，空載下，旋開螺紋柱及梓固栓，將同速張拉繩、校正牽引繩完全鬆開，將變 位臺及其所承載的部件放鬆到通底豎井的最底端，讓護底凸臺接觸到通底豎井的底面，測 試拉壓彈黃及豎向測尺的工作狀態，用光波發射器、光波採集器監測波狀迴路光纖工作性 態，待上述工序完成之後，未發現異常情況下，將各部件恢復到原初始位置；
[0013] 第2步，在±石結合區域中，開挖與通底豎井形狀結構類似的凹槽，調整通底豎井 與±石結合區域間的平衡，用校正牽引繩下放錐形鑽頭、變位臺及護底凸臺，在下降到指定 位置後，梓固栓微調雙側四根校正牽引繩使變位臺、錐形鑽頭處於水平平衡位置，將同速張 拉繩纏繞到螺紋柱處，將松梓轉柄的螺紋下端梓固到連軸套桶處，後將松梓轉柄上的旋轉 栓安裝到通底豎井最上表面處，將事先安裝好的拉壓彈黃與刻度臺上的豎向測尺較接，將 已經安裝到光纖掛桶的波狀迴路光纖引出到光波發射器及光波採集器處；
[0014] 第3步，轉動松梓轉柄，帶動連軸套桶繞著轉動連軸轉動，帶動五級活塞水平推動 持力圓塞水平移動，從而帶動鑽頭外連管向前推動錐形鑽頭從通底豎井穿出，最終將錐形 鑽頭不斷深入通底豎井周圍的±石結合區域內，由於松梓轉柄強勁推力，可W極其輕鬆地 鑽入周圍密實的±石結合區域內；
[0015] 第4步，旋開兩端對稱分布的梓固栓，將四根校正牽引繩從中抽出，去除可能人為 幹擾因素，最大限度的保證監測裝置與±石結合區域之間的協同變形，後進行實時監測及 結果分析；
[0016] 第5步，當一側的拉壓彈黃受到從該側錐形鑽頭所傳遞的對應側的沉降荷載時， 對應側豎向測尺監測到的該側沉降變形量值為di，同時，當另一側拉壓彈黃受到從與其對 應側錐形鑽頭所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺所監測到該側的沉降變形量 值為d2,兩側的拉壓彈黃之間的距離標為以變形較小一側的拉壓彈黃與待測點Q的距離為 1，則9處的沉降量值為5。=(12+((11-(12)1/1，位於中間位置處0點的沉降變形量值為5/ =(di+d2)/2,基于波狀迴路光纖所發生的瑞利散射和菲涅爾反射、布裡淵散射等光信息的 變化，監測到此刻變形量值為5。°，初始變形量值為5。1°，則對於同一中間位置所監測沉降 差值的絕對值為I ( 5 5。。- 5刀，為構建上石結合區域不均勻沉降的計算公式，定義不 均勻沉降參量《，且《的表達式定義為《 = I (5。°-5。1°)-5刀/5。°，基於本監測裝置工 作原理及上述推導，待測點Q處的最終沉降計算公式為
[0017]

【權利要求】
1. 一種水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置，其特徵在於：包括位於土石 方結合區的通底豎井、位於通底豎井內部的載道內管，所述載道內管內安裝有變位臺，變位 臺的兩側對稱的安裝有轉動連軸，轉動連軸一端通過連軸套桶與松擰轉柄連接，松擰轉柄 與旋轉栓連接，轉動連軸另一端與五級活塞連接，五級活塞的頂端與持力圓塞連接，持力圓 塞與鑽頭外連管連接，鑽頭外連管與錐形鑽頭連接，五級活塞位於殼體內，殼體上設有第一 刻槽，通過旋轉旋轉栓帶動松抒轉柄轉動，驅動五級活塞運動，從而通過持力圓塞運動帶動 與鑽頭外連管連接的錐形鑽頭運動；變位臺兩邊五級活塞的殼體分別與帶動殼體運動的升 降裝置連接，變位臺的兩端對稱的安裝有校正變位臺水平的校正裝置，變位臺中部與一組 對稱安裝的彈簧的一端連接，彈簧的另一端與豎向測尺鉸接，刻度臺位於設置在通底豎井 上的橫梁上，兩個彈簧之間設有光纖掛桶，光纖掛桶的底端與變位臺連接，光纖掛桶內安裝 有波狀迴路光纖，波狀迴路光纖上設有光纖扣，波狀迴路光纖的輸入端安裝有光波發射器， 波狀迴路光纖的輸出端安裝有光波採集器。
2. 根據權利要求1所述的水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置，其特徵在 於：所述升降裝置包含同速張拉繩、張拉臺、張拉載道和螺紋柱，所述同速張拉繩一端連接 第一刻槽，另一端穿過張拉載道纏繞在螺紋柱並收納在張拉繩盤裡，張拉臺位於橫梁上。
3. 根據權利要求1所述的水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置，其特徵在 於：所述校正裝置包含校正牽引繩、牽引載道、牽引臺、擰固栓，所述牽引臺上設有兩個牽引 載道，變位臺的一側設有兩個第二刻槽，兩根校正牽引繩一端分別穿過牽引載道與第二刻 槽連接，兩根校正牽引繩的另一端分別通過設置在牽引臺的擰固栓擰緊，牽引臺位於橫梁 上。
4. 根據權利要求1所述的水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置，其特徵在 於：所述變位臺的下方設有護底凸臺。
5. 根據權利要求1所述的水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置，其特徵在 於：所述變位臺的下方設有護底彈簧。
6. -種水工結構土石結合區域不均勻沉降組合監測裝置的監測方法，其特徵在於，包 括以下步驟： 第1步，空載下，旋開螺紋柱及擰固栓，將同速張拉繩、校正牽引繩完全鬆開，將變位臺 及其所承載的部件放鬆到通底豎井的最底端，讓護底凸臺接觸到通底豎井的底面，測試拉 壓彈簧及豎向測尺的工作狀態，用光波發射器、光波採集器監測波狀迴路光纖工作性態，待 上述工序完成之後，未發現異常情況下，將各部件恢復到原初始位置； 第2步，在土石結合區域中，開挖與通底豎井形狀結構類似的凹槽，調整通底豎井與土 石結合區域間的平衡，用校正牽引繩下放錐形鑽頭、變位臺及護底凸臺，在下降到指定位置 後，擰固栓微調雙側四根校正牽引繩使變位臺、錐形鑽頭處於水平平衡位置，將同速張拉繩 纏繞到螺紋柱處，將松擰轉柄的螺紋下端擰固到連軸套桶處，後將松擰轉柄上的旋轉栓安 裝到通底豎井最上表面處，將事先安裝好的拉壓彈簧與刻度臺上的豎向測尺鉸接，將已經 安裝到光纖掛桶的波狀迴路光纖引出到光波發射器及光波採集器處； 第3步，轉動松擰轉柄，帶動連軸套桶繞著轉動連軸轉動，帶動五級活塞水平推動持力 圓塞水平移動，從而帶動鑽頭外連管向前推動錐形鑽頭從通底豎井穿出，最終將錐形鑽頭 不斷深入通底豎井周圍的土石結合區域內，由於松擰轉柄強勁推力，可以極其輕鬆地鑽入 周圍密實的土石結合區域內； 第4步，旋開兩端對稱分布的擰固栓，將四根校正牽引繩從中抽出，去除可能人為幹擾 因素，最大限度的保證監測裝置與土石結合區域之間的協同變形，後進行實時監測及結果 分析； 第5步，當一側的拉壓彈簧受到從該側錐形鑽頭所傳遞的對應側的沉降荷載時，對應 側豎向測尺監測到的該側沉降變形量值為Cl1，同時，當另一側拉壓彈簧受到從與其對應側 錐形鑽頭所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺所監測到該側的沉降變形量值為 d2，兩側的拉壓彈簧之間的距離標為L，變形較小一側的拉壓彈簧與待測點Q的距離為M， 則Q處的沉降量值為SzcU+^-cQM/L位於中間位置處C點的沉降變形量值為S/= (C^d2)/2,基于波狀迴路光纖所發生的瑞利散射和菲涅爾反射、布裡淵散射等光信息的變 化，監測到此刻變形量值為初始變形量值為&/，則對於同一中間位置所監測沉降差 值的絕對值為|(七心"|，為構建土石結合區域不均勻沉降的計算公式，定義不均勻沉 降參量《，且《的表達式定義為?,基於本監測裝置工作原理及上述推
【文檔編號】G01C5/00GK104501772SQ201410781588
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】蘇懷智, 楊孟, 陳健, 謝威 申請人:河海大學