專利名稱：一種沉井傾斜測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三維傾斜測量裝置，它用于沉井法施工過程中對其進行傾斜度和
傾斜方向的監(jiān)測，是一種埋入被測物體的內(nèi)部進行快速測量其整體傾斜的裝置和技術，因 此本發(fā)明還涉及利用該裝置測量混凝土結構物傾斜變形的方法。
背景技術：
水利水電工程有時需要采用沉井的方法進行臨時擋土墻的施工，其中沉井傾斜是 一個重要的影響沉井下沉施工的因素之一。準確地了解沉井傾斜的角度和方向，是正確指 導沉井下沉施工的要素，特別是需要準確計算井壁摩阻力的豎直分量時，必須取得沉井的 傾斜角度和方向。
目前工程上觀測沉井傾斜的方法一般有兩種 1)人工采用傾斜尺(或傾斜儀)測量井壁內(nèi)側的垂直傾斜角度，忽略傾斜方向偏 差的影響。顯然，這種方法是不夠準確的，而且需要人員下到井下作業(yè)，費工，費時，安全性較差。 2)人工采用精密水準法或電子水平尺測量井壁頂部在每一次下沉前后的水平傾 斜度。由于沉井是分段澆筑后依次下沉，只能在澆筑層頂面進行該次下沉時的測量，為不同 位置的不連續(xù)測量，因此不能準確的測量井體下部的垂直傾斜度。

發(fā)明內(nèi)容
為準確測量沉井的傾斜角度和方向，本發(fā)明提供了一種新的沉井傾斜測量裝置， 同時本發(fā)明還提供了建立于該裝置上的測量和計算方法。 本發(fā)明提供的沉井傾斜測量裝置由環(huán)狀連通管、四根立管、安裝在立管中的水位 計構成，立管的一端與大氣相通，水位計的電纜從立管口引出。 本發(fā)明還提供通過測量四根立管中液位的相對變化量計算沉井的傾斜度和傾斜 方向的方法，該方法包括如下步驟 1)將本發(fā)明提供的傾斜測量裝置安裝埋設在沉井四周井壁混凝土中，其4根連通 立管分別位于沉井的4角，在立管和環(huán)狀連通管中注入液體； 2)采用測量儀表分別檢測出4個立管中水位計在井體傾斜前后的讀數(shù)，從而求得 4個立管中水位的相對變化量； 3)4個立管中液位的相對變化量即是沉井4個角的相對垂直變化量，再采用解析 幾何的有關計算方法求得沉井的傾斜角度和傾斜方向。 現(xiàn)代解析幾何的計算方法是多樣的，除了坐標法還有向量法等，是本領域普通技 術人員具備的常識，甚至可以采用立體幾何的方法來計算。本發(fā)明實施例中給出的方法是 先用平移變換得到相對于一個角點(設為傾斜計算的坐標原點)變化量，再利用空間向量 的夾角公式和方向角的推導公式計算出沉井的傾斜角度和傾斜方向。 —般來說，沉井的截面是矩形的，因此，四根立管可以設置在沉井截面的四個角的位置。對于非矩形截面的沉井，也可以在其井壁中設置環(huán)狀連通水管，其4根立管構成的平 面形狀為矩形即可。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，在4個立管的上端各設一個彎頭向井壁內(nèi)側引出，使管內(nèi) 與大氣連通。 將液體介質(zhì)灌入上述立管中時，應當注意使液體介質(zhì)處于合適的液位，避免在沉 井發(fā)生傾斜時液體從立管上端溢出，或者，另一個極端的情況是，使一側或一個立管中的液 面低于環(huán)狀管與立管的接口面。 沉井下沉施工的過程主要表現(xiàn)為靜態(tài)(沉井停止下沉施工)時沉井底口反力較 大，井壁摩阻力較小，此時沉井底口反力與井壁摩阻力之和等于沉井自重。沉井下沉施工 時，沉井底口反力迅速減小，井壁摩阻力逐漸增大到極大值，當沉井底口反力與井壁摩阻力 之和小于沉井自重時，沉井開始下沉。如果井體產(chǎn)生了較大的傾斜，其井體的下沉將受到影 響，甚至不能靠自重下沉。 沉井傾斜監(jiān)測是在上述沉井下沉施工過程中進行的，按需要進行測試，為技術研 究、控制和指導沉井的下沉施工提供必要的實測數(shù)據(jù)。 在現(xiàn)有技術中，為了能夠快速進行檢測提供了自動化檢測單元設備。例如，在沉井 群施工中對沉井進行了結構施工下沉期觀測，其主要觀測項目有沉井底部(刃口 )反力、 井壁外側土壓力、井壁外側摩阻力、沉井結構鋼筋應力和混凝土應力、以及沉降施工過程中 沉井的整體傾斜等。自動化檢測單元設備由計算機、分布式測量單元和網(wǎng)絡通信電纜組成， 可完成自動測量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作、異常測值報警等工作。因此，本發(fā)明提供的沉井傾斜 測量裝置可與上述現(xiàn)有技術中的自動化檢測單元設備匹配，嵌入到該單元設備中，將水位 計的電纜接入分布式測量單元，實現(xiàn)自動化巡測。 本發(fā)明提供的三維傾斜測量裝置可以應用于各種混凝土結構、地面及基巖的三維 傾斜測量。


圖1是本發(fā)明實施例中傾斜測量裝置布置在沉井井壁內(nèi)的平面圖；
圖2是圖1中A-A向的剖面圖；
圖3是圖1中B-B向的剖面圖。 其中1-沉井，2_四周環(huán)狀連通水管，3_四角連通立管，4-立管頂部彎頭出口， 5-液體，6-水位計，7_電纜。
實施例 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的沉井傾斜快速測量裝置是一種用于沉井施工期
監(jiān)測其傾斜的測量系統(tǒng)，由矩型的環(huán)狀連通水管、四角立管、液體介質(zhì)、安裝在立管中的高
精度水位計構成。在澆筑第一節(jié)沉井混凝土時，將矩型環(huán)狀連通水管2和四角立管3埋設
在沉井井壁中，4個立管的上端各設一個彎頭4向井壁內(nèi)側引出，使管內(nèi)與大氣連通。在4
個立管的底部各安裝1支高精度水位計6，其電纜7從立管頂部出口引至沉井頂部觀測站。
向環(huán)狀連通水管2和四角立管3內(nèi)注入液體介質(zhì)5，并控制液面在合適的高度。 實際上沉井下沉施工是一個動態(tài)過程，高度49m的沉井，共分7次澆筑井體混凝土
4(每次澆筑7m高)并進行一次下沉7m的施工，最終使49m高的井體頂部與地面平齊。通過 對布置在沉井結構中各傳感器(包括布置在四角立管中的水位計)的實時監(jiān)測，可以了解 和控制沉井的下沉施工，同時也為沉井設計提供了可靠的技術資料。 本發(fā)明提出的沉井傾斜快速測量裝置首次在向家壩水電站沉井施工中應用，包括 傾斜測量裝置的制作、埋設、自動化監(jiān)測系統(tǒng)的建立、以及建立計算模型和數(shù)據(jù)分析等工 作，取得了成果資料。沉井截面尺寸23x17m(長x寬)，矩型環(huán)狀連通水管19x13m(長x寬)， 4角立管長3m，具體的沉井傾斜監(jiān)測、傾角和方向的計算敘述如下 1)以矩形環(huán)狀連通水管所在的平面為xy平面，短邊為x軸，長邊為y軸，井高方 向為z軸，構成三維坐標體系，則4個角點的坐標分別為ai (0， 0， 0) ;a2 (13， 0， 0) ;a3 (13， 19， 0) ;a4(0，19，0)。 2)設沉井初始狀態(tài)為垂直，測得4個角點立管的液位分別為z/ ，z2' ，z3' ，z4'; 沉井下沉后產(chǎn)生了傾斜，測得4個角點立管的液位分別為z/' ，z2〃 ，z3〃 ，z4〃 ；得到4個角 點立管液位的變化量分別為AZl = Zl" -V ，Az2 = z2" _z2' ，Az3 = z3" -z3' ，Az4 = z4〃 _z4';再經(jīng)過平移變換得到21 = AZ「 AZl = 0，z2 = —(Az2—AZl)，z3 = —(Az3—AZl)， z4 = _( Az4_Az》。 3)因4個角點均在同一個平面內(nèi)，可以分別采用包含&的任意3個角點求得沉井 的傾斜角度和方向?，F(xiàn)以A、a2、 三個角點為例，采用向量法導出的計算公式如下 " =arccos(T^T化、2 , M2)(公式i) 〃 = arccos( ^ 、2 ,、2)(公式2) 其中 a -傾斜平面的法向量與Z軸正方向的夾角，即沉井傾斜角度。 |3 -傾斜平面的法向量在xy平面的投影與X軸的夾角，即沉井傾斜的方向角。 設X軸的正方向為正東方向，則當z2 < 0， z4 < O，傾斜方向為東偏北|3 ; 當22>0，24<0，傾斜方向為西偏北|3 ;當22>0，24>0，傾斜方向為西偏南|3 ;
當z2 < 0， z4 > O，傾斜方向為東偏南|3 。
a_角點ai至a2的長度。
b_角點ai至a4的長度。 4)沉井初始狀態(tài)時，測得4個角點立管的液位分別為Zl' =2m，z2' =2m，z3'= 2m， z4' = 2m ;沉井產(chǎn)生傾斜后測得4個角點立管的液位分別為z/' = 2. 3m， z2〃 = 2. lm， z3〃 = 1. 7m， z4〃 = 1. 9m ;4個角點經(jīng)坐標平移變化后得到= 0m， z2 = 0. 2m， z3 = 0. 6m， z4 = 0. 4m，則沉井的傾斜角度和方向為
a = arccos(O. 99966) " 1. 494°
P = arccos(O. 59002) " 53. 84° 所以，此時沉井傾斜角度為1.494° ，傾向西偏南53.84。。
權利要求
一種包括矩型環(huán)狀連通水管、四角立管、液體介質(zhì)、安裝在立管中的水位計構成的沉井傾斜測量裝置，其特征在于矩型環(huán)狀連通水管與四角立管連通，且頂部開口與大氣連通，管內(nèi)裝入液體介質(zhì)，四角立管底部各安裝一支水位計。矩型環(huán)狀連通水管、四角立管和液體介質(zhì)為靜力平衡裝置，水位計為傾斜測量傳感器。
2. 根據(jù)權利l所述的沉井傾斜測量裝置，其特征在于矩型環(huán)狀連通水管和四角立管隨 同井壁混凝土澆筑水平埋設在沉井底部的井壁中，四個立管的上端各設一個彎頭向井壁內(nèi) 側引出，使管內(nèi)與大氣連通。
3. 根據(jù)權利1和2所述的沉井傾斜測量裝置，其特征在于將液體介質(zhì)灌入上述連通水 管中，使其處于合適的液位，并將水位計安裝固定在立管的底部。
4. 權利1至3所述沉井傾斜測量裝置對沉井傾斜角度和方向進行測量的方法，包括如 下步驟1) 權利1至3所述沉井傾斜測量裝置水平埋設在沉井底部的井壁中，使立管內(nèi)液位為 合適的高度。2) 采用測量儀表分別檢測出各立管中水位計在沉井傾斜前后的液位高度，求得各立管 中液位的變化量，再經(jīng)過平移變換得到相對于一個角點(設為傾斜計算的坐標原點)變化3) 采用解析幾何的計算方法確定沉井的傾斜角度和傾斜方向。
全文摘要
本發(fā)明提出的沉井傾斜測量裝置是一種用于沉井施工期快速監(jiān)測其傾斜的測量系統(tǒng)，主要由矩型的環(huán)狀連通水管、四角立管、液體介質(zhì)、安裝在立管中的高精度水位計構成。將其安裝埋設在沉井井壁(四周)混凝土內(nèi)，通過監(jiān)測位于沉井四角立管中液體的相對液位及變化量，確定沉井下沉施工前后和過程中井體的傾斜，為沉井設計和沉井法施工研究，以及控制和指導沉井的下沉施工提供必要的實測數(shù)據(jù)。沉井傾斜快速測量采用自動化連續(xù)檢測方式，通過監(jiān)測位于沉井周邊四角立管的液位變化，自動推算出沉井的傾斜角度和傾斜方向。
文檔編號E02D23/08GK101787712SQ20091022673
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權日2009年12月25日
發(fā)明者馮樹榮, 劉劍鳴, 文富勇 申請人:中國水電顧問集團中南勘測設計研究院