一種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置及方法，包括通底豎井、位于通底豎井內部的載道內管，所述載道內管內安裝有變位臺，變位臺上的兩側對稱的安裝有驅動電機，驅動電機通過五級活塞與錐形鉆頭連接，兩邊的活塞殼體分別與提升活塞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，兩個彈簧之間設有光纖掛桶，光纖掛桶內安裝有波狀回路光纖，波狀回路光纖上設有光纖扣。本發(fā)明具有可重復的使用、極為方便的安裝及實時的檢測與維護等優(yōu)勢及分布式、微宏觀、實時性、復雜環(huán)境高適應性等特點。
【專利說明】-種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，屬于建筑領域。

【背景技術】
[0002] 穿堤、水閩等水工結構物中的±石結合區(qū)域在運行中常出現(xiàn)不均勻沉降病害，對 建筑物的安全及正常使用造成不利影響，甚至導致建筑物破壞或失事。通過在±石結合區(qū) 域布設監(jiān)測儀器或裝置，實時獲取區(qū)域沉降信息，合理分析區(qū)域沉降空間與時間變化規(guī)律， 及時發(fā)現(xiàn)區(qū)域沉降（特別是不均勻沉降）異常狀況，W科學采取防范或控制措施，對保障水 工結構物安全服役具有重要意義。
[0003] 目前，常規(guī)沉降監(jiān)測裝置多存在施工布設困難、可重復利用率低、不易檢修維護、 耐久性差、精度低、易受電磁環(huán)境干擾等不足。光纖傳感器具有抗福射、耐腐蝕等特點，應 用于不均勻沉降病害監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢；但從光纖變形監(jiān)測的現(xiàn)狀來講，分布式實時 監(jiān)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，尤其是對于沉 降監(jiān)測的光纖回路應用更是處于空白。利用光纖中瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射 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(xiàn)過程中，光纖的布設極其考究，尤其回路設置更是困難。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(tǒng)可W實現(xiàn)mm級空間分辨率，但是最大傳感長度只有 50m，且實際應用中受到多因素干擾，其有效監(jiān)測長度及分辨率會降低；日本NBX公司利用 PPP-B0TDA技術生產(chǎn)的光納儀，有效空間分辨率可提高到cm級，但需要光纖回路布設，致使 其很難直接應用于實際工程的不均勻沉降監(jiān)測。本發(fā)明技術可在保證現(xiàn)有分布式光纖最大 監(jiān)測距離（25km范圍內）的情況下，將空間分辨率提高到mm級。
[0004] 為了充分利用現(xiàn)有技術監(jiān)測±石結合區(qū)域的不均勻沉降，使監(jiān)測設備獲得較高的 初始精度、較大的測量量程，本發(fā)明將傳統(tǒng)監(jiān)測技術與光纖傳感技術相結合，借鑒傳統(tǒng)監(jiān)測 技術直觀、簡單的優(yōu)點，避開其布設困難、利用率低、無法檢修維護、受電磁環(huán)境干擾等不利 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、多復雜環(huán)境應用的優(yōu)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(xiàn)±石結合 區(qū)域不均勻沉降mm級精度的有效監(jiān)測和應用。


【發(fā)明內容】

[0005] 發(fā)明目的；為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種水工建筑物豎向變 形監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，創(chuàng)造性地搭建可W融合新舊技術的集成平臺，具有可重復的使用、 極為方便的安裝及實時的檢測與維護等優(yōu)勢及分布式、微宏觀、實時性、復雜環(huán)境高適應性 等特點。
[0006] 技術方案；為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置，包 括位于±石方結合區(qū)的通底豎井、位于通底豎井內部的載道內管，所述載道內管內安裝有 變位臺，變位臺上的兩側對稱的安裝有驅動電機，驅動電機通過支架安裝在變位臺上，驅動 電機與驅動軸連接，驅動軸上設有外螺紋，驅動軸插入到五級活塞內，五級活塞設有與外螺 紋配合的內螺紋，通過位于五級活塞頂端的持力活塞與鉆頭外連管聯(lián)接，鉆頭外連管與錐 形鉆頭連接，五級活塞位于活塞殼體內，活塞殼體上設有第一刻槽，驅動電機內安裝有無線 接收模塊，無線接收模塊通過無線傳輸模塊與控制器信號連接；兩邊的活塞殼體分別與提 升鉆頭活塞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 臺位于設置在通底豎井上的橫梁，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回路光纖，波狀回路光纖上設有光纖扣，波狀回路光纖的輸入 端安裝有光波發(fā)射器，波狀回路光纖的輸出端安裝有光波采集器。
[0007] 作為優(yōu)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并收納在張拉繩盤里，張拉 臺位于橫梁上。
[000引作為優(yōu)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， 牽引臺位于橫梁上。
[0009] 作為優(yōu)選，所述變位臺的下方設有護底凸臺。
[0010] 作為優(yōu)選，所述控制器為STM32F103VET6。
[0011] 一種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置的監(jiān)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、校正牽引繩完全松開，將變 位臺及其所承載的部件放松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(tài)，用光波發(fā)射器、光波采集器監(jiān)測波狀回路光纖工作性 態(tài)，待上述工序完成之后，未發(fā)現(xiàn)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(qū)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(qū)域間的平衡，用校正牽引繩下放錐形鉆頭、變位臺及護底凸臺，在下降到指定 位置后，梓固栓微調雙側四根校正牽引繩使變位臺、錐形鉆頭處于水平平衡位置，將同速張 拉繩纏繞到螺紋柱處，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(jīng)安裝 到光纖掛桶的波狀回路光纖引出到光波發(fā)射器及光波采集器處；
[0014] 第3步，操縱控制器，通過電機正反轉帶動驅動軸轉動從而通過螺紋帶動五級活 塞水平推動持力圓塞水平移動，從而帶動鉆頭外連管向前推動錐形鉆頭從通底豎井穿出， 最終將錐形鉆頭不斷深入通底豎井周圍的±石結合區(qū)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 干擾因素，最大限度的保證監(jiān)測裝置與±石結合區(qū)域之間的協(xié)同變形，后進行實時監(jiān)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鉆頭所傳遞的對應側的沉降荷載時， 對應側豎向測尺監(jiān)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 應側錐形鉆頭所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺所監(jiān)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，位于中間位置處0點的沉降變形量值為5/ =(di+d2)/2,基于波狀回路光纖所發(fā)生的瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射等光信息的 變化，監(jiān)測到此刻變形量值為5?！?，初始變形量值為，則對于同一中間位置所監(jiān)測沉降 差值的絕對值為|(午0-年/)-年1，為構建±石結合區(qū)域不均勻沉降的計算公式，定義不均勻 沉降參量。，且《的表達式定義為叫悼。-年,。}-糾/年。，基于本監(jiān)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

【權利要求】
1. 一種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置，其特征在于：包括位于土石方結合區(qū)的通底豎 井、位于通底豎井內部的載道內管，所述載道內管內安裝有變位臺，變位臺上的兩側對稱的 安裝有驅動電機，驅動電機通過支架安裝在變位臺上，驅動電機與驅動軸連接，驅動軸上設 有外螺紋，驅動軸插入到五級活塞內，五級活塞設有與外螺紋配合的內螺紋，通過位于五級 活塞頂端的持力活塞與鉆頭外連管聯(lián)接，鉆頭外連管與錐形鉆頭連接，五級活塞位于活塞 殼體內，活塞殼體上設有第一刻槽，驅動電機內安裝有無線接收模塊，無線接收模塊通過無 線傳輸模塊與控制器信號連接；變位臺兩邊的活塞殼體分別與提升鉆頭活塞殼體運動的升 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，刻度臺位于設置在通底豎井 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 有波狀回路光纖，波狀回路光纖上設有光纖扣，波狀回路光纖的輸入端安裝有光波發(fā)射器， 波狀回路光纖的輸出端安裝有光波采集器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置，其特征在于：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并收納在張拉繩盤里，張拉臺位于橫梁上。
3. 根據(jù)權利要求1所述的水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置，其特征在于：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，牽引臺位于橫梁上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置，其特征在于：所述變位臺的 下方設有護底凸臺。
5. 根據(jù)權利要求1所述的水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置，其特征在于：所述控制器為 STM32F103VET6。
6. -種水工建筑物豎向變形監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征在于，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、校正牽引繩完全松開，將變位臺 及其所承載的部件放松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(tài)，用光波發(fā)射器、光波采集器監(jiān)測波狀回路光纖工作性態(tài)，待 上述工序完成之后，未發(fā)現(xiàn)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(qū)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(qū)域間的平衡，用校正牽引繩下放錐形鉆頭、變位臺及護底凸臺，在下降到指定位置 后，擰固栓微調雙側四根校正牽引繩使變位臺、錐形鉆頭處于水平平衡位置，將同速張拉繩 纏繞到螺紋柱處，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(jīng)安裝到光 纖掛桶的波狀回路光纖引出到光波發(fā)射器及光波采集器處； 第3步，操縱控制器，通過電機正反轉帶動驅動軸轉動從而通過螺紋帶動五級活塞水 平推動持力圓塞水平移動，從而帶動鉆頭外連管向前推動錐形鉆頭從通底豎井穿出，最終 將錐形鉆頭不斷深入通底豎井周圍的土石結合區(qū)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，去除可能人為干擾 因素，最大限度的保證監(jiān)測裝置與土石結合區(qū)域之間的協(xié)同變形，后進行實時監(jiān)測及結果 分析； 第5步，當一側的拉壓彈簧受到從該側錐形鉆頭所傳遞的對應側的沉降荷載時，對應 側豎向測尺監(jiān)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 錐形鉆頭所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺所監(jiān)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+^-cUM/L，位于中間位置處C點的沉降變形量值為S/ = (C^d2)/2,基于波狀回路光纖所發(fā)生的瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射等光信息的變 化，監(jiān)測到此刻變形量值為初始變形量值為冬/，則對于同一中間位置所監(jiān)測沉降差 值的絕對值為I(S?！鉥Sa°)_S/1，為構建土石結合區(qū)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《=|(￥_年基于本監(jiān)測裝置工作原理及上述
【文檔編號】G01C5/00GK104501773SQ201410784662
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】蘇懷智, 楊孟, 韓彰, 田始光, 李金友 申請人:河海大學