自動監(jiān)測技術(shù)在閘站工程變形觀測中的應(yīng)用

顧昊， 王霞

(江蘇省泰州引江河管理處， 江蘇 泰州225321)

【摘要】本文以高港閘站工程揚壓力與伸縮縫變化自動監(jiān)測系統(tǒng)為例，簡要描述了自動監(jiān)測技術(shù)在工程觀測中的應(yīng)用，介紹了自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、實施運行情況，并對監(jiān)測成果進行對比分析，論證了該技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】閘站工程； 自動監(jiān)測； 變形觀測； 應(yīng)用

中圖分類號：TV698.1文獻標志碼： A

Application of Automatic Monitoring Technology in Gate Station

Project Deformation Observation

GU Hao, WANG Xia

(TaizhouYinjiangCanalAdministrationofJiangsuProvince,Taizhou225321,China)

Abstract：In the paper, Gaogang Gate Station project uplift pressure and expansion joint change automatic monitoring system are adopted as example. Application of automatic monitoring technology in engineering observation is briefly described. Working principles and implementation operation conditions of automatic monitoring system are introduced, the monitoring results are comparatively analyzed, and feasibility and superiority of the technology are demonstrated.

Keywords：gate station project; automatic monitoring; deformation observation; application

工程觀測對建筑工程有著重要意義，定期且準確的觀測和分析能夠及時掌握工程薄弱環(huán)節(jié)，為后期加固維修提供直觀資料，從而為工程安全運行保駕護航。一般的大中型工程或龐大繁雜、或線路較長，人工觀測所需測量周期長、線路設(shè)計困難，任務(wù)相當(dāng)繁重，且人為誤差影響較大。隨著信息化要求的提高，人工觀測的局限性日益顯現(xiàn)，自動監(jiān)測技術(shù)以其更為準確、穩(wěn)定、高效的性能及強勢的發(fā)展前景成為更多工程開展觀測的選擇。自動監(jiān)測技術(shù)發(fā)展于20世紀八九十年代，目前，已廣泛應(yīng)用于氣象水文、水利交通等工程，在大壩、堤防、橋梁等工程中的發(fā)展已較為成熟，本文主要探討自動監(jiān)測技術(shù)在閘站工程變形觀測中的應(yīng)用情況。

1研究背景

高港樞紐位于泰州市高港區(qū)，主體工程中心線距長江口約1.90km，包括泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘等工程。根據(jù)工程測量要求，需對高港樞紐垂直位移、河道斷面、伸縮縫、揚壓力等項目進行觀測。為了解自動監(jiān)測技術(shù)在閘站工程中的可操作性，將高港泵站和節(jié)制閘的15處測壓管、15處伸縮縫作為自動監(jiān)測試點，測點位置分布見下頁圖1。

圖1　高港閘站工程測點位置示意圖 　　　　 1—測壓管測點為泵站、節(jié)制閘共5塊底板011-053(其中032未設(shè)置)及右岸1； 2—伸縮縫雙向“<”共9處，單向“-”共6處

2自動監(jiān)測測量原理

自動監(jiān)測的工作主要依靠傳感器完成。將傳感器安裝在測點上，由傳感器記錄測點物理量的變化，所得信號傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置。監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)進行匯總處理，經(jīng)過分析后可得到測量數(shù)據(jù)。傳感器設(shè)置后可實現(xiàn)不間斷測量，工作較人工觀測更為高效便捷。

2.1傳感器工作原理

目前,監(jiān)測系統(tǒng)中比較常用的傳感器為振弦式，它以金屬弦作為敏感元件，被測物理量發(fā)生變化時產(chǎn)生的荷載通過一定的方式傳遞給振弦使其振動頻率發(fā)生變化，由測量電路將變化的頻率信號傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出所需的數(shù)值。因振弦式傳感器輸出的是頻率信號，較傳統(tǒng)的電阻式傳感器更為穩(wěn)定，且數(shù)據(jù)采集也更為方便。

2.2硬件的實施

滲壓計安裝在測點的測壓管內(nèi)，電纜沿管口導(dǎo)出后接入到采集箱內(nèi)。滲壓計的安裝高程由測壓管管口高程、水位計讀數(shù)及滲壓計實測數(shù)確定(見公式1)。正常測量時滲壓計的安裝高程與測量讀數(shù)之和即為測壓管內(nèi)水位高程。

(1)

式中H——安裝高程；

H管口——管口高程；

a、b——分別為水位計、滲壓計的實測讀數(shù)。

表面裂縫計的設(shè)置，以5塊底板及翼墻連接處的伸縮縫變形情況為觀測目標?？紤]每塊底板的長度，在上下游側(cè)設(shè)置兩個橫向變形測點；另外，在上游側(cè)橫向測點附近設(shè)置了縱向變形測點，來監(jiān)測底板之間的錯動變形情況(底板與翼墻連接處的縱向測點根據(jù)具體施工情況設(shè)置)。橫向測點裂縫計用固定螺栓進行連接安裝，縱向測點裂縫計則在裂縫兩側(cè)安裝支架托板來固定并安裝。裂縫計安裝完成后需進行調(diào)試，以量程為25mm的儀器為例，取標準位移為10mm的多測次讀數(shù)均值為初始讀數(shù)，測量時溫度為初始溫度，調(diào)節(jié)傳感器多次測量，經(jīng)計算后測量結(jié)果符合要求即可。調(diào)試完成后的數(shù)值即為測量的初始讀數(shù)，而產(chǎn)生變形后的讀數(shù)，經(jīng)計算后可得變形位移量。每個傳感器性能都有所不同，它們的各項系數(shù)也不同，這些系數(shù)在儀器的檢測證書上已給出。

傳感器外接電纜或外置表面用鍍鋅鋼管保護，或穿過塑料管埋設(shè)在地下，引至分置在泵站與節(jié)制閘兩處的數(shù)據(jù)采集儀，最終并入閘站原有的電纜層并與高港樞紐中心四樓的服務(wù)器相連。

2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計

其實，留意一下以往的北京卷，就可以發(fā)現(xiàn)蘊含著進化與適應(yīng)的生命觀念的命題并不鮮見。例如，2016年“豹的引種”、2014年“病毒與野兔”、2013年“安第斯山長舌蝠與長筒花”、2012年“金合歡蟻與金合歡樹”等。但因為都是選擇題，所以很難完整地進行學(xué)科素養(yǎng)的考查。

高港閘站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、信息發(fā)布模塊等。系統(tǒng)可實現(xiàn)對伸縮縫和測壓管的固定點巡回監(jiān)測，定時、24小時不間斷監(jiān)測，采集到的測量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到成果數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理包括歷史數(shù)據(jù)錄入，數(shù)據(jù)查詢、存儲、備份等一般數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能。數(shù)據(jù)分析模塊可實現(xiàn)成果數(shù)據(jù)超限預(yù)警，指出測點位置、實時數(shù)據(jù)、超限差值等，也可記錄出現(xiàn)極值時的數(shù)據(jù)、水位、溫度情況，便于以后數(shù)據(jù)進行對比。成果分析還包括測點測值分布圖、比較圖及有關(guān)過程線圖的繪制，可以清晰看到測點的數(shù)據(jù)變化。

3監(jiān)測成果

3.1測壓管水位監(jiān)測

進入系統(tǒng)，主界面能夠直觀地看到各測點的最近一次讀數(shù)，也可在線即時測量，超限的讀數(shù)用紅色高亮顯示。目前系統(tǒng)設(shè)定每天定時采集一次數(shù)據(jù)，可以查閱每一測點的不同時間的讀數(shù)及匯總某一時間段內(nèi)的極值和均值(見圖2)。系統(tǒng)根據(jù)底板所在位置設(shè)計了模型圖，同一底板上的三個測點的測值以及測壓管水位過程線也可直觀地看到(見圖3)。另外，曲線對比功能可將任意測點的測值進行對比，比如：不同底板的同一截面上的測壓管數(shù)據(jù)對比(見圖4)。

圖2　測壓管測點011監(jiān)測界面

圖3　底板1測壓管水位過程線

圖4　測點013與023數(shù)據(jù)對比曲線

3.2伸縮縫監(jiān)測

與測壓管測點一樣，伸縮縫每個測點也有單點監(jiān)測界面，可進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測并自動統(tǒng)計特征數(shù)值，實現(xiàn)對同一條伸縮縫不同部位的測點數(shù)據(jù)進行對比或不同伸縮縫的同一斷面上的數(shù)據(jù)對比，如：測點底板1下與測點底板2下的錯動變形對比(見圖5)。可以看出，錯動變形較小，且相鄰縫的數(shù)值較為接近，與實際情況相符合，顯示出了良好的性能。

圖5　測點底板1下與底板2下縱向數(shù)據(jù)對比曲線

4自動監(jiān)測優(yōu)點

自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠完成人工觀測的所有任務(wù)，包括測量、繪圖，可將測量人員從大量野外工作中解放出來，且效率和準確性較高，測量人員可依據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和圖形進行分析，能夠迅速及時地解決實際的問題。

與人工觀測相比，自動監(jiān)測在觀測頻次、精度上有很大優(yōu)勢(見下表)。以伸縮縫測量為例，量程為25mm的裂縫計精度可達0.025mm，較人工測量提高了4倍。

人工觀測任務(wù)及與自動監(jiān)測表

觀察測點的伸縮縫寬度與氣溫過程線見圖6，左側(cè)為自動監(jiān)測系統(tǒng)近半年的數(shù)據(jù)，可以看出測縫寬度與溫度有明顯的相對性，過程線走向比右側(cè)的年統(tǒng)計圖更為具體，統(tǒng)計結(jié)果有較大的參考價值。

圖6　伸縮縫寬度與氣溫過程線

另外，伸縮縫測點傳感器的量程選擇以工程過去十年的測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，在系統(tǒng)試運行過程中發(fā)現(xiàn)有測點超出傳感器變化范圍的情況，經(jīng)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)是傳感器量程偏小，因人工測量頻次較低，且受氣候、環(huán)境影響未捕捉到極限工況下測值，而自動監(jiān)測則沒有這些因素的困擾，能夠幫助測量人員更好地了解有關(guān)物理量的特性。

5結(jié)語

目前，自動監(jiān)測系統(tǒng)已投入使用，傳感設(shè)備工作性能穩(wěn)定，系統(tǒng)整個表現(xiàn)達到了預(yù)期。在該試點系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，計劃將自動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到垂直、水平位移等觀測項目中，并結(jié)合模擬實景3D技術(shù)，開發(fā)高港閘站工程變形監(jiān)測系統(tǒng)，同時，研究自動監(jiān)測智能預(yù)測預(yù)警技術(shù)，根據(jù)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等資料，分析其在時間維度上的變化趨勢，科學(xué)判斷工程運行情況，進一步提高監(jiān)測水平。

參考文獻

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