测线式沉降监测及预警系统设计

张军荣 周 丹

(1.国网电力科学研究院/南瑞集团公司,江苏 南京 211100； 2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029)

测线式沉降监测及预警系统设计

张军荣1周 丹2

(1.国网电力科学研究院/南瑞集团公司,江苏 南京 211100； 2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029)

从新型沉降监测和预警系统设计理念出发，对渠道堤坝、边坡和防洪护坡的监测目的进行了论述，并详细分析了测线式沉降监测及预警系统的设计内容及其特点，指出该类测量系统可应用于低矮跨度沉降分布监测，具有广阔的应用前景。

沉降监测，预警系统，安全监测，低矮跨度

0 引言

我国各类工程的建设兴旺发展，建筑物的沉降监测方法发展呈现多样化，如人工水准测量广泛应用于混凝土大坝、桥梁、隧道等工程的各种沉降变形监测；静力水准自动化测量系统主要应用于变形量较小，测量频次要求高的大坝、隧道等建筑物；水管式沉降仪、液压式沉降仪、电磁沉降仪等主要应用于变形量较大的大型土石坝坝体内部的沉降测量。但是，目前对于渠道堤坝、边坡和防洪护坡的沉降变形至今未出现一种经济可靠的自动化测量方法。主要原因是受渠道自身结构特点的限制。

1 条状土质建筑物监测现状

引水渠道往往距离很远，因此堤坝或边坡的跨度很长，暂且称之为条状土质建筑物。如图1所示，渠道的堤坝高度一般不超过20 m，傍山开挖的边坡有可能超过50 m，甚至上百米。水渠的长度往往是几千米，几十千米，甚至上百千米。每千米的范围内都有可能出现重大险情，因此，监测的范围很广。渠道出现险情主要是基础发生渗流破坏，如管涌等现象，造成堤坝或边坡发生严重变形，导致发生决堤或滑坡等险情[1]。

渠道或堤防的监测一般分为两种监测，全段预警性监测和易发事故段重点监测。过去，渠道堤坝、边坡和防洪护坡的变形监测主要采取观测墩、水准测量、测斜仪(水平安装)、单(多)点位移计等方法，往往投入巨大的人力和财力[2]，但效果不佳。

2 沉降监测及预警系统的设计初衷

渠道堤坝、边坡和防洪护坡的监测主要目的有以下几个方面：1)施工期监测。施工期监测主要是测量施工期间建筑物的填筑质量是否满足设计要求，并为后期施工或决策提供参考资料。2)运行期监测。长期的监测可以发现建筑物的变化趋势、稳定性等情况，并为建筑物的养护和修缮提供指导意见。3)汛期或暴雨时刻的险情预警。在汛期高水位或暴雨时刻，如发生异常情况，系统即刻发出险情报警。管理单位便可根据险情信息采取降低水位的措施，或采取加固措施，确保建筑物的安全，从而减少社会财产损失和保护人民生命的安全。为了解决该超长范围监测技术方案，达到以上三个方面的目的，并考虑该类变形监测的精度级别要求并不高(1 mm的精度已完全满足监测需要)，对绝对位移值的要求一般等情况，结合建筑物自身的特点后，设计了测线式沉降监测及预警系统。

3 系统的设计

测线式沉降监测及预警系统主要包括四方面的设计。基准线的设计、位移传递设计、数据采集设计和预警系统设计。

3.1 基准线的设计

基准线的设计是整个测量系统设计中最重要的部分。如图2所示，在堤坝或边坡上选取两个点，安装A和B两个固定点。AC和BD为两根钢管桩或混凝土桩，可在灌浆施工时预埋或后期钻孔安装。AB之间安装一张拉体，大致平行于堤坝顶部。张拉体可以选择5 mm～10 mm不锈钢索，采用固定张力张紧，长度根据材料的特性以及荷载情况确定，一般正常测量范围设计10 m～100 m较为合适。大范围需求时可以根据情况分段监测。

3.2 位移传递设计

如何获得堤坝或边坡土体的内部位移情况，是位移传递的关键。土质建筑物表面一般比较松散不容易固定测点，并且表面受干扰比较大。因此选择将测点埋设在建筑物内部。根据土体力学以及相关研究资料表明，土体建筑最大沉降变形点一般位于建筑物2/3高度处，也可根据设计需要及地质条件埋设不同深度的测点。测点沿监测段AB之间均匀分布，可以根据需要每3 m～10 m设置一个测点。固定点采用投入式锚头或爪簧，固定在土体内，可与土体良好接触。通过细钢绳或不锈钢杆引至地面与正上方基线相连，实现位移传递。图3为位移传递示意图。

3.3 数据采集设计

测线式沉降监测系统的原理主要是观测测点与测线之间的距离变化，载体为不锈钢绳，选择高精度大量程电位器式位移计为位移的度量设备。电位器式位移计可采用五线制输出，确保长距离传输，信号稳定可靠。图4为数据采集装置和位移传递装置的衔接示意图。

当测点发生沉降位移时，线体将带动电位器旋转，位移计就能精确获得钢丝的伸长量。位移计内部采用圈簧设置，确保位移自由伸长或收缩。如果钢绳穿出建筑物时周边没有点位限制装置，则会导致传感器测值不稳定。因此在出口埋设固定节点，如比钢绳稍粗的细钢管，钢管焊接叉状体，以便与表层土结合稳定牢固。如果采用不锈钢杆则不存在以上问题。由于出口处钢丝绳水平位移被限制，建筑物发生变形后将发生一定的转角，可根据需要在转角处增加测角器，对位移进行修正。

3.4 预警系统设计

要实现预警功能，系统必须实现自动化测量，通过计算机对位移的实时采集和分析判断，发出险情预警报告。可在各段设置分布式数据采集站，将各传感器通过电缆连接至自动化采集装置。数据传输可采用有线或无线方式，系统供电可采用远距离供电或太阳能板供电方式。报警方式可设置成计算机显示报警、广播语音报警、网路报警(EMAIL/视频联动等)和短信报警等。系统结构如图5所示。

4 系统精度分析

目前市场上的传感器较为先进，精度可达0.01 mm，完全可以满足位移测量需要。测线式沉降监测系统的测量精度受多方面影响，系统精度会有所限制。主要影响系统精度的因素有基准线的稳定性(ΔX1)，钢丝绳穿出建筑物部位的水平位移量(ΔX2)，位移传递载体钢丝绳的张紧度(ΔX3)。

精度影响因素如图6所示，为减小ΔX1的影响，必须注意基准线固定端A和B的施工，必要时可加大AC和BD的深度。为尽量消除ΔX2的影响，可在基线连接处加装角度测量器(θ)，误差修正值可计算为(1/cosθ-1)×L，其中，L为基线到测线出口的距离(忽略沉降影响)。ΔX3的影响主要从位移传递载体的结构设计方面解决，比如在土体内部采用张拉力、不锈钢杆等方法。通过整体分析和修正，沉降位移测量的精度可以达到0.1 mm，按照建筑物最大沉降超过100 mm计算，其测量精度高度达0.1%F/s。

5 系统特点

测线式沉降监测及预警系统初步解决了长距离范围的沉降监测及自动化预警问题。可按每百米分段或分区域监测。有以下特点：

1)测量方法简单，监测范围覆盖全线，观测成果直观。

2)系统基础设施建设成本低，传感器廉价。除自动化采集系统及软件报警系统外(根据市场决定，对于任何测量方法，自动化成本为固定成本)，在主体建筑物施工前期做好基准线固定桩的施工，那么后期的实施成本是很低的。

3)监测全线堤坝或边坡的沉降分布情况，及时发现薄弱区段。

4)根据异常报警信息，获得险情地点、事发地点距离，以及发生险情的范围或决口大概宽度。

5)分析历史数据获得建筑物运行情况，以及发展趋势，为决策人员提供相关参考意见。

6)为年度修缮工作提供日程安排参考意见。

7)测线式沉降监测系统施工简单，便于推广，设备外置，易于维护。

6 结语

测线式沉降监测及预警系统是全新的沉降测量系统，主要应用于土石堤坝、渠道边坡、防洪护堤等建筑物，也可应用于河床较窄的低矮土石坝。多年来土石堤坝的沉降监测手段较为缺乏，常用的沉降管、固定式测斜仪等监测手段无法满足工程需要，随着南水北调等工程的建设，该类型的产品设计具有非常大的推广价值。参考文献：

[1] 刘玉峰，王消川.对土石坝渗流安全监测仪器的几点认识[J].大坝观测与土工测试,2000,24(5):11-13.

[2] 李 欣.郑西高速湿陷黄土路基沉降监测及预警系统研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2012.

Line type settlement monitoring and early warning system

ZHANG Jun-rong1ZHOU Dan2

(1.StateGridElectricPowerResearchInstitute/NanruiGroupCorporation,Nanjing211100,China;2.NanjingRuidiConstructionScienceandTechnologyLimitedCompany,Nanjing210029,China)

From the design idea of new settlement monitoring and warning system, this paper discussed the monitoring purpose of channel dam, slope and flood control slope protection, and analyzed in detail the design contents and its characteristics of line type settlement monitoring and warning system, pointed out that this kind of measurement system could be applied to the low span distribution and settlement monitoring, had broad application prospect.

settlement monitoring, warning system, safety monitoring, low span

1009-6825(2014)35-0223-03

2014-09-24

张军荣(1982- )，男，工程师； 周 丹(1982- )，女，工程师

TU433

A