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113【老邱观点19】移动测读式静力水准原理及实现

中南院老邱说监测2019-08-19 08:27:30

       现有技术条件下,高程测量方法为几何水准测量、GNSS、气压和三角高程,高程差也就高差测量除上述方法之外还有静力水准,静力水准在上世纪初就已出现,静力水准是监测行业的叫法,实际上在很多领域也有应用,如大型精密机械安装等,特别是在重要科研工程如对撞机、加速器都有应用,有很多叫法,什么水平测量仪、连通管测量、沉降测量装置等,但都是相同原理的东西,即同一液体容器液面同高原理,还是我们老祖宗墨子最早提出水平定义的是”平,同高也”。

         工程变形监测通常采用静力水准系统进行垂直位移变形监测,是很常规的做法,规范和教科书都有条款和专门论述,静力水准系统由静力水准仪和连通管构成,静力水准系统分人工测读和自动测读2种形式,人工测读系统由于精度低,极少在工程变形监测中应用,自动测读系统由自动测读静力水准仪(通常就叫静力水准仪,自动测读是老邱加的,与老邱的移动测读相区别)并与采集装置、通讯装置并配套相应采集和管理软件组成,其中自动测读静力水准仪由静力水准测点装置和配套的监测传感器组成,目前使用的传感器类型有电容式、电感式、CCD、液体压力、光纤和步进马达等型式,自动测读静力水准系统已在水利水电工程、交通工程等工程项目中普遍使用。

        自动测读静力水准系统具有原理简单、精度稳定、自动测读、自动记录和自动进行监测数据管理和分析等特点,但由于该系统每个测点必须配置静力水准仪,且必须与采集装置、通讯装置和配套的采集和管理软件才能正常工作,因此系统投入较大,同时系统对防雷接地要求较高、加之通讯控制电缆距离较长,系统出现故障的几率也大,最关键的是系统投入大,目前只有在重要工程的重点部位才能使用,限制了它的使用范围。

       移动测读式静力水准系统的结构特点包括安置在稳定点上用于盛装液体的基准静力水准管筒,安置在变形点上用于盛装液体的多个测点静力水准管筒,以及用于测量静力水准管筒内液体液面与该静力水准管筒顶端之间距离的测距装置(移动测读式静力水准仪);相邻两个静力水准管筒的下部之间通过相应的连通管串接连通。

       测距装置(移动测读式静力水准仪)包括测读仪,以及通过电缆与测读仪相连的测头,测头具有测针,由于测头的可移动性,系统配置等于或大于1个。测读仪具有控制测头工作、并具有供电、记录、显示和数据传输功能。

所述静力水准管筒由金属材料制成或加装导电装置的非金属材料制成。由此,所述的静力水准管筒采用金属材料加工,有良好的导电性,如采用其它材料加工,则加装相应的导电装置。

       测头采用步进马达和丝杆测针配合工作,在静力水准管筒中与水面接触时停止下行,通过马达编码计数器和测针上螺距测量下行距离。

       移动测读式静力水准系统监测测点垂直位移变形的方法,包括如下步骤:

1)安装基准静力水准管筒和多个测点静力水准管筒,安装时基点和测点高程相对一致,并注入液体,使各连通管均充盈且静力水准管筒水位连通管上一定范围,此时,基点静力水准管筒和各测点静力水准管筒内的液位高程一致的;

2)、首次测量时(第0次),测量基点静力水准管筒管顶至管中水位之间距离L基0,并依次测量测点静力水准管筒管顶至管中水位之间距离L10、L20、L30、……、Ln0;各测点管顶与基点管顶的高程差分别为:H10= L10- L基0、H20= L20- L基0、……、Hn0= Ln0- L基;

3)、进入变形监测周期测量即第1、2、……、i次时,每次均重复与首次相同的测量过程,由于测点高程已发生变形,各测点管顶与基点管顶的高程差分别为:H1 i=L1i- L基i、H2i= L2i- L基i、……、Hni=Lni- L基i;系统中各测点垂直位移变形值存在下列关系式,即:

ΔH1i=H1i-H10=(L1i-L基i)-(L10- L基0)

ΔH2i=H2i-H20=(L2i-L基i)-(L20- L基0)

……

ΔHni=Hni-Hn0=(Lni-L基i)-(Ln0- L基0)

以上各式中:i为测次,n为测点编号。

       即可以得到各周期监测各测点的变形值。

       移动测读式静力水准系统采用可调节多安装方式静力水准管筒,也可以采用调节式测针,方便调整系统量程。

       移动测读式静力水准系统系统工作原理清晰、结构简单、精度稳定、方便调整量程、半自动测读、自动记录、造价低廉,可以在投入较少、自动化程度要求相对不高的如城市地下交通工程、基坑、高层建筑、风电场、码头等和其它短期监测的工程中应用。


图中:1-静力水准管筒;2-连通管;3-测头;4-测针;5-通讯控制电缆;6-控制测读仪。

       静力水准管筒由钢管或有机玻璃加工,如有机玻璃管筒则应有金属结构与水面接触,管底密封并具有基座结构,底部具有与连通管的连接结构,顶部具有与测头配合结构并具有保护盖。

       连通管选用有防腐性能较好的软管,也可有采用铝塑管或其它硬质水管,在露天环境下。

        测头由测针、编码器、控制模块、通讯模块和外壳组成,其中测针上部是螺纹并与步进马达连接,工作时由测读仪控制测针下行,当测针下行到水面时,测针与水面通过金属管筒并与测头形成闭合电路,测针停止,马达编码计数器计数并乘以螺纹螺距即得下行距离,并在测读仪记录模块中记录。

       测读仪由电源系统、控制系统、记录系统、通讯控制系统和通讯接口组成。

       系统安装调试完成后,即可以进行测量工作,首次测量和周期测量程序都是一样的,采用控制测读仪并采用通讯控制电缆与测头连接,在控制测读仪上控制测头上的测针,当测针下行到水面时,测针与水面通过金属管筒并与测头形成闭合电路,测针停止,此时在控制测读仪记录测针下行距离,即可测量静力水准管筒的管顶与管中水位差,通过周期性观测并采用相关公式计算,可计算所得各测点相对基点各周期观测的垂直位移变形量,达到垂直位移变形监测的目的。

       与几何水准测量相比,移动测读式静力水准的优点是明显的,投入少,工作效率高,4人一组的水准测量静力水准只要一个就能完成,而且精度可靠,数据处理方式简单,但测点安装比水准点埋设困难,要求一测量段测点在同一高程,且设施需要保护,对于测点比较密集的如地铁站点、基坑等工程监测是非常适合的。

        本系统方法及仪器设施已N项知识产权保护,包括系统、测读仪、测头、可调节管筒、可调节测针等,请勿侵权。可合作!



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