王大均

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司，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)成為靜力水準儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。靜力水準儀測量系統(tǒng)由測量點、基準點、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 靜力水準儀

靜力水準儀由位移傳感器、儲液桶、浮漂、安裝支架、管路等組成。目前在我國推廣應用的靜力水準儀技術(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，需要定期的重新標定，維護費用高，信號輸出形式固定適應性差。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，儲液桶位于同基準點儲液桶大致相同標高的不同位置，任何一個測點儲液桶與基準點儲液桶間的高程變化都將引起相應儲液桶內(nèi)的液位變化，從而獲取測點相對于基準點高程的變化。靜力水準儀內(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系列靜力水準儀構(gòu)造

本系統(tǒng)所述的靜力水準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

靜力水準系統(tǒng)又稱連通管水準儀，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儀。靜力水準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)的液面應同在一個大地水準面上▽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 靜力水準儀工作原理

假設(shè)被測物體測點1作為基準點，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，當系統(tǒng)內(nèi)液面達到平衡靜止后形成新的水準面▽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 靜力水準儀位移沉降示意

在此，選定測點1為基準點，則其它各測點相對基準點的垂直位移(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點，來觀測各測點相對基準點的垂直位移(沉降量)。往往基準點是相對恒定的或者是可用其它方式準確測定的點，精確計算各點的絕對垂直位移，必須核定基準點地基的沉降變化量。對于多測點的靜力水準系統(tǒng)，每個測點的靜力水準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，且各點安裝高程應基本相同。

4 結(jié)束語

近年來，沉降問題導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，當出現(xiàn)沉降量突然增大的情況時，可迅速作出響應，避免安全事故的發(fā)生。在自然災害監(jiān)控、防治方面，此套系統(tǒng)能夠得到有效應用。