一种水工建筑物竖向变形监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种水工建筑物竖向变形监测装置及方法，包括通底竖井、位于通底竖井内部的载道内管，所述载道内管内安装有变位台，变位台上的两侧对称的安装有驱动电机，驱动电机通过五级活塞与锥形钻头连接，两边的活塞壳体分别与提升活塞壳体运动的升降装置连接，变位台的两端对称的安装有校正变位台水平的校正装置，变位台中部与一组对称安装的弹簧的一端连接，弹簧的另一端与竖向测尺铰接，两个弹簧之间设有光纤挂桶，光纤挂桶内安装有波状回路光纤，波状回路光纤上设有光纤扣。本发明具有可重复的使用、极为方便的安装及实时的检测与维护等优势及分布式、微宏观、实时性、复杂环境高适应性等特点。
【专利说明】-种水工建筑物竖向变形监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种水工建筑物竖向变形监测装置及监测方法，属于建筑领域。
【背景技术】
[0002] 穿堤、水闽等水工结构物中的±石结合区域在运行中常出现不均匀沉降病害，对 建筑物的安全及正常使用造成不利影响，甚至导致建筑物破坏或失事。通过在±石结合区 域布设监测仪器或装置，实时获取区域沉降信息，合理分析区域沉降空间与时间变化规律， 及时发现区域沉降（特别是不均匀沉降）异常状况，W科学采取防范或控制措施，对保障水 工结构物安全服役具有重要意义。
[0003] 目前，常规沉降监测装置多存在施工布设困难、可重复利用率低、不易检修维护、 耐久性差、精度低、易受电磁环境干扰等不足。光纤传感器具有抗福射、耐腐蚀等特点，应 用于不均匀沉降病害监测具有明显的优势；但从光纤变形监测的现状来讲，分布式实时 监测方式是当前研究和应用热点，但技术本身和工程实用性方面尚不成熟，尤其是对于沉 降监测的光纤回路应用更是处于空白。利用光纤中瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射 的变化，理论上不仅可W准确定位不均匀沉降病害，且可W给出不均匀沉降病害的定量描 述；但上述目标的实现过程中，光纤的布设极其考究，尤其回路设置更是困难。从最新的 光纤【技术领域】上看，美国 Luna Technology 公司的 ODiSI (Optical Distributed Sensor Interrogator)分布式光纤传感系统可W实现mm级空间分辨率，但是最大传感长度只有 50m，且实际应用中受到多因素干扰，其有效监测长度及分辨率会降低；日本NBX公司利用 PPP-B0TDA技术生产的光纳仪，有效空间分辨率可提高到cm级，但需要光纤回路布设，致使 其很难直接应用于实际工程的不均匀沉降监测。本发明技术可在保证现有分布式光纤最大 监测距离（25km范围内）的情况下，将空间分辨率提高到mm级。
[0004] 为了充分利用现有技术监测±石结合区域的不均匀沉降，使监测设备获得较高的 初始精度、较大的测量量程，本发明将传统监测技术与光纤传感技术相结合，借鉴传统监测 技术直观、简单的优点，避开其布设困难、利用率低、无法检修维护、受电磁环境干扰等不利 弊端，结合当前光纤传感技术所具有的分布式、高精度、实时性、多复杂环境应用的优势，构 建可共载两种技术的应用平台，设置两种技术的共享信息融合的设备构件，实现±石结合 区域不均匀沉降mm级精度的有效监测和应用。
【发明内容】
[0005] 发明目的；为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水工建筑物竖向变 形监测装置及监测方法，创造性地搭建可W融合新旧技术的集成平台，具有可重复的使用、 极为方便的安装及实时的检测与维护等优势及分布式、微宏观、实时性、复杂环境高适应性 等特点。
[0006] 技术方案；为解决上述技术问题，本发明的一种水工建筑物竖向变形监测装置，包 括位于±石方结合区的通底竖井、位于通底竖井内部的载道内管，所述载道内管内安装有 变位台，变位台上的两侧对称的安装有驱动电机，驱动电机通过支架安装在变位台上，驱动 电机与驱动轴连接，驱动轴上设有外螺纹，驱动轴插入到五级活塞内，五级活塞设有与外螺 纹配合的内螺纹，通过位于五级活塞顶端的持力活塞与钻头外连管联接，钻头外连管与锥 形钻头连接，五级活塞位于活塞壳体内，活塞壳体上设有第一刻槽，驱动电机内安装有无线 接收模块，无线接收模块通过无线传输模块与控制器信号连接；两边的活塞壳体分别与提 升钻头活塞壳体运动的升降装置连接，变位台的两端对称的安装有校正变位台水平的校正 装置，变位台中部与一组对称安装的弹黃的一端连接，弹黃的另一端与竖向测尺较接，刻度 台位于设置在通底竖井上的横梁，两个弹黃之间设有光纤挂桶，光纤挂桶的底端与变位台 连接，光纤挂桶内安装有波状回路光纤，波状回路光纤上设有光纤扣，波状回路光纤的输入 端安装有光波发射器，波状回路光纤的输出端安装有光波采集器。
[0007] 作为优选，所述升降装置包含同速张拉绳、张拉台、张拉载道和螺纹柱，所述同速 张拉绳一端连接第一刻槽，另一端穿过张拉载道缠绕在螺纹柱并收纳在张拉绳盘里，张拉 台位于横梁上。
[000引作为优选，所述校正装置包含校正牵引绳、牵引载道、牵引台、梓固栓，所述牵引台 上设有两个牵引载道，变位台的一侧设有两个第二刻槽，两根校正牵引绳一端分别穿过牵 引载道与第二刻槽连接，两根校正牵引绳的另一端分别通过设置在牵引台的梓固栓梓紧， 牵引台位于横梁上。
[0009] 作为优选，所述变位台的下方设有护底凸台。
[0010] 作为优选，所述控制器为STM32F103VET6。
[0011] 一种水工建筑物竖向变形监测装置的监测方法，包括W下步骤：
[0012] 第1步，空载下，旋开螺纹柱及梓固栓，将同速张拉绳、校正牵引绳完全松开，将变 位台及其所承载的部件放松到通底竖井的最底端，让护底凸台接触到通底竖井的底面，测 试拉压弹黃及竖向测尺的工作状态，用光波发射器、光波采集器监测波状回路光纤工作性 态，待上述工序完成之后，未发现异常情况下，将各部件恢复到原初始位置；
[0013] 第2步，在±石结合区域中，开挖与通底竖井形状结构类似的凹槽，调整通底竖井 与±石结合区域间的平衡，用校正牵引绳下放锥形钻头、变位台及护底凸台，在下降到指定 位置后，梓固栓微调双侧四根校正牵引绳使变位台、锥形钻头处于水平平衡位置，将同速张 拉绳缠绕到螺纹柱处，将事先安装好的拉压弹黃与刻度台上的竖向测尺较接，将已经安装 到光纤挂桶的波状回路光纤引出到光波发射器及光波采集器处；
[0014] 第3步，操纵控制器，通过电机正反转带动驱动轴转动从而通过螺纹带动五级活 塞水平推动持力圆塞水平移动，从而带动钻头外连管向前推动锥形钻头从通底竖井穿出， 最终将锥形钻头不断深入通底竖井周围的±石结合区域内；
[0015] 第4步，旋开两端对称分布的梓固栓，将四根校正牵引绳从中抽出，去除可能人为 干扰因素，最大限度的保证监测装置与±石结合区域之间的协同变形，后进行实时监测及 结果分析；
[0016] 第5步，当一侧的拉压弹黃受到从该侧锥形钻头所传递的对应侧的沉降荷载时， 对应侧竖向测尺监测到的该侧沉降变形量值为di，同时，当另一侧拉压弹黃受到从与其对 应侧锥形钻头所传递的相应侧的沉降荷载时，相应的竖向测尺所监测到该侧的沉降变形量 值为d2,两侧的拉压弹黃之间的距离标为以变形较小一侧的拉压弹黃与待测点Q的距离为 1，则9处的沉降量值为5。=(12+((11-(12)1/1，位于中间位置处0点的沉降变形量值为5/ =(di+d2)/2,基于波状回路光纤所发生的瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射等光信息的 变化，监测到此刻变形量值为5。°，初始变形量值为，则对于同一中间位置所监测沉降 差值的绝对值为|(午0-年/)-年1，为构建±石结合区域不均匀沉降的计算公式，定义不均匀 沉降参量。，且《的表达式定义为叫悼。-年,。}-糾/年。，基于本监测装置工作原理及上述推 导，待测点Q处的最终沉降计算公式为
【权利要求】
1. 一种水工建筑物竖向变形监测装置，其特征在于：包括位于土石方结合区的通底竖 井、位于通底竖井内部的载道内管，所述载道内管内安装有变位台，变位台上的两侧对称的 安装有驱动电机，驱动电机通过支架安装在变位台上，驱动电机与驱动轴连接，驱动轴上设 有外螺纹，驱动轴插入到五级活塞内，五级活塞设有与外螺纹配合的内螺纹，通过位于五级 活塞顶端的持力活塞与钻头外连管联接，钻头外连管与锥形钻头连接，五级活塞位于活塞 壳体内，活塞壳体上设有第一刻槽，驱动电机内安装有无线接收模块，无线接收模块通过无 线传输模块与控制器信号连接；变位台两边的活塞壳体分别与提升钻头活塞壳体运动的升 降装置连接，变位台的两端对称的安装有校正变位台水平的校正装置，变位台中部与一组 对称安装的弹簧的一端连接，弹簧的另一端与竖向测尺铰接，刻度台位于设置在通底竖井 上的横梁上，两个弹簧之间设有光纤挂桶，光纤挂桶的底端与变位台连接，光纤挂桶内安装 有波状回路光纤，波状回路光纤上设有光纤扣，波状回路光纤的输入端安装有光波发射器， 波状回路光纤的输出端安装有光波采集器。
2. 根据权利要求1所述的水工建筑物竖向变形监测装置，其特征在于：所述升降装置 包含同速张拉绳、张拉台、张拉载道和螺纹柱，所述同速张拉绳一端连接第一刻槽，另一端 穿过张拉载道缠绕在螺纹柱并收纳在张拉绳盘里，张拉台位于横梁上。
3. 根据权利要求1所述的水工建筑物竖向变形监测装置，其特征在于：所述校正装置 包含校正牵引绳、牵引载道、牵引台、拧固栓，所述牵引台上设有两个牵引载道，变位台的一 侧设有两个第二刻槽，两根校正牵引绳一端分别穿过牵引载道与第二刻槽连接，两根校正 牵引绳的另一端分别通过设置在牵引台的拧固栓拧紧，牵引台位于横梁上。
4. 根据权利要求1所述的水工建筑物竖向变形监测装置，其特征在于：所述变位台的 下方设有护底凸台。
5. 根据权利要求1所述的水工建筑物竖向变形监测装置，其特征在于：所述控制器为 STM32F103VET6。
6. -种水工建筑物竖向变形监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤： 第1步，空载下，旋开螺纹柱及拧固栓，将同速张拉绳、校正牵引绳完全松开，将变位台 及其所承载的部件放松到通底竖井的最底端，让护底凸台接触到通底竖井的底面，测试拉 压弹簧及竖向测尺的工作状态，用光波发射器、光波采集器监测波状回路光纤工作性态，待 上述工序完成之后，未发现异常情况下，将各部件恢复到原初始位置； 第2步，在土石结合区域中，开挖与通底竖井形状结构类似的凹槽，调整通底竖井与土 石结合区域间的平衡，用校正牵引绳下放锥形钻头、变位台及护底凸台，在下降到指定位置 后，拧固栓微调双侧四根校正牵引绳使变位台、锥形钻头处于水平平衡位置，将同速张拉绳 缠绕到螺纹柱处，将事先安装好的拉压弹簧与刻度台上的竖向测尺铰接，将已经安装到光 纤挂桶的波状回路光纤引出到光波发射器及光波采集器处； 第3步，操纵控制器，通过电机正反转带动驱动轴转动从而通过螺纹带动五级活塞水 平推动持力圆塞水平移动，从而带动钻头外连管向前推动锥形钻头从通底竖井穿出，最终 将锥形钻头不断深入通底竖井周围的土石结合区域内； 第4步，旋开两端对称分布的拧固栓，将四根校正牵引绳从中抽出，去除可能人为干扰 因素，最大限度的保证监测装置与土石结合区域之间的协同变形，后进行实时监测及结果 分析； 第5步，当一侧的拉压弹簧受到从该侧锥形钻头所传递的对应侧的沉降荷载时，对应 侧竖向测尺监测到的该侧沉降变形量值为Cl1，同时，当另一侧拉压弹簧受到从与其对应侧 锥形钻头所传递的相应侧的沉降荷载时，相应的竖向测尺所监测到该侧的沉降变形量值为 d2，两侧的拉压弹簧之间的距离标为L，变形较小一侧的拉压弹簧与待测点Q的距离为M， 则Q处的沉降量值为SzcU+^-cUM/L，位于中间位置处C点的沉降变形量值为S/ = (C^d2)/2,基于波状回路光纤所发生的瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射等光信息的变 化，监测到此刻变形量值为初始变形量值为冬/，则对于同一中间位置所监测沉降差 值的绝对值为I(S。°_Sa°)_S/1，为构建土石结合区域不均匀沉降的计算公式，定义不均 匀沉降参量《，且《的表达式定义为《=|(￥_年基于本监测装置工作原理及上述
【文档编号】G01C5/00GK104501773SQ201410784662
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】苏怀智, 杨孟, 韩彰, 田始光, 李金友 申请人:河海大学