振动型水利大坝套井回填打夯次数监测装置

刘 勇

（山东弘润水利建筑工程有限公司，山东 聊城252000）

0 引言

我国是一个水灾多发的国家，在防洪抗灾的历史斗争中，共修建了各类水库8万余座。长期运行，很多病险水库需要对大坝进行除险加固，尤其是我国应用最广泛的土石坝，普遍存在坝体渗漏的问题，在坝体防渗加固处理技术中，套井回填是一种应用广泛的防渗技术，它适用于中、小型均质土坝、心墙坝的防渗加固处理[1]。在套井回填施工过程中，一般采用冲抓机造孔，然后用粘土回填并采用夯实锤夯实粘土，即由钻机的动力和卷扬设备带动夯锤加以夯实，形成一道连续的黏土防渗墙，依据钻孔深度、当地粘土质量和防渗系数要求，估算每个钻孔夯实锤夯实粘土的次数。目前，现场施工基本上由一个工人操作卷扬设备带动夯锤，另一个工人人工计数锤夯的次数，当计数达到要求即提示停止卷扬设备[2]。但是这种方法有很多弊端：①需要一个工人专门计数，效率低且人工成本高。②人工计数容易中途开小差而产生较大误差。③仅按照锤夯次数多少来判断黏土防渗墙已经满足防渗要求，科学性不足。为了实现自动化统计，有很多学者开展了研究，有采用在夯锤上安装计数装置，根据夯锤落地的压力变化进行统计，但是夯锤落地时的振动对仪表破坏力大，设备极易损坏。有采用卷扬设备的行程计数，但是夯锤的钢丝有拉伸现象，计数不准确。有采用打夯的声音进行识别计数，但是施工现场往往比较嘈杂，干扰大，准确性也很差，为此，笔者结合现代物联网技术，发明一种振动型水利大坝套井回填打夯次数监测装置，采用在打夯落点5 m范围内利用夯锤落地振动来监测并计数，并在实践应用中取得了良好效果。下面就对该装置的原理及应用进行论述。

1 总体结构

振动型水利大坝套井回填打夯次数监测装置由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件系统由振动传感器、标定子系统（或称为标定仪）、A/D子系统和监视仪4部分组成，如图1所示。

图1 总体结构图

（1）振动传感器。采用DP型地震式低频振动传感器（垂直振动型）[3]，内置低频扩展电路，能够适应低频振动的测量；自带积分电路，直接输出位移振动信号（无需额外测量放大器）；体积小，稳定可靠，可远距传输；机械结构的固有频率较高，因此具有高可靠性和耐冲击性。频率响应0.5～150 Hz，灵敏度5 V/mm，量程±1 mm。输入：±12 V电源，输出：

0～5 V电压，接口形式采用四柱式接线端子排。

（2）标定子系统。选择VB～Z8900动态校验仪，供电为220 VAC±10%，最大工作电流为1 A，位移校准范围为0～5 mm，位移标准为百分螺杆，其精度为1%；Φ8电涡流传感器为210 μm（最大）、Φ11电涡流传感器 170 μm（最大）；频率为 5～260 Hz，振动标准为千分表，其精度达到0.1%转速，范围为300～16 000 r/min，尺寸为310 mm×200 mm×250 mm。

（3）A/D子系统。A/D子系统是联系传感器子系统和计算机系统的中间环节[4]，本发明选用并行接口式A/D系统，将把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上。与计算机系统实际上组成了一个客户机-服务器系统（也称下位机-上位机系统），它们的最大好处是既可以与笔记本计算机相连，方便现场作业。又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。A/D最高采样频率为100 kHz，A/D的位数为12位，电源接口为20 VAC±10%，传感器接口为4芯航空插头，最多可以同时转换16路传感器信号，并且可以同时向16路传感器供电（通过4芯航空插头），计算机接口为并行打印口。

（4）监视仪子系统。监视仪子系统实际上和传感器子系统、连接电缆共同组成了一套相对独立的数据采集系统，它含有自己独立的A/D系统和显示系统。它可以在线监测摆度值与振动值，并具备实时显示功能。但由于不具备和计算机系统的通信功能及大容量存储功能，因而不具备数据离线处理和数据分析能力。该系统实际上属于智能仪表的一种，它只是对基于可与计算机系统通信功能的数据采集系统（由传感器子系统、A/D子系统组成）的一种补充，主要优点是可以快速、实时显示振动值。具有自检和防止上电冲击功能。可以在线修改报警上下限等参数，并有掉电保护功能。采用模拟量预处理，数字滤波等措施，具有稳定性好，可靠性高，测量准确的优点。同时检测并显示2个通道的振动和摆度值。提供2路标准模拟量DC 1～5 V或4～20 mA，供上一级仪表或上位机进行采集。两个通道，每个通道3位LED；报警接点容量为AC 220 V/0.3 A、DC 110 V/0.3 A；温度为 -5～+45℃；仪表相对湿度≤85%RH；外 磁 场≤400 A/m；振 动f≤20 Hz，A≤0.2 mm；外型尺寸为160 mm×80 mm×250 mm（宽×高×深），开口尺寸为154 mm×76 mm。

（5）软件系统。软件系统由云数据库和软件系统界面组成，云数据库采用MySQL，程序开发语言采用JAVA语言。云数据库主要存储传感器的采集数据、标定数据和监视仪的数据等，软件系统界面主要是用于人工交互[5]。

2 硬件系统工作原理

2.1 DP型振动传感器

DP型振动传感器是将地震检波器后接校正网络以扩展其低频特性，也就是通过改变原系统的传递函数来改变其传输特性，使得其输出等效一个低频振动传感器。这样DP型传感器保持了所用频率较高的地震检波器的机械特性，既具有高的可靠性、顽健性和适用于工程应用的特点[6]，又具有测量低频振动的杰出性能，如图2所示。

图2 DP型振动传感器原理框图

2.2 标定子系统

本系统的标定采用VB-Z8900标定系统[7]，它是专门为电涡流传感器设计制造的动态校验仪，主要用于Φ8、Φ11电涡流传感器动态特性和静态位移特性的校准，也可用于振动仪表的校验工作。动态校验仪的工作原理实际上靠其机械装置（转动、振动）和精密测量设备来产生标准高精度的位移量、振动量，而由传感器对这些标准量进行测量并依据测量结果和标准量之间的关系来对传感器进行标定。

2.3 A/D子系统

该系统实际上是一个由单片机和A/D板及相关电路构成的智能型A/D系统，其单片机系统具有相对的独立性，它按照特定的通信协议（编程接口）通过并行打印接口与计算机通信。它从计算机系统接受相应的指令，进行A/D转换，并将转换后的结果通过并行打印接口传送给计算机进行进一步的处理。该系统具有可控晶振，可以改变采集频率，而不是像传统A/D板卡只能以固定的采样频率进行采集（查询式或中断式），可以控制采样增益，从而使比较弱小的信号得以放大，16路A/D转换数据采集装置结构如图3所示。

图3 16路模数转换数据采集装置结构图

2.4 监视仪子系统

IN1为 1（X）输入端子，IN2为 2（X）输入端子，其中IN为信号，COM为公共端，+V为+12 V电源；-V为-12 V电源。OUT1和OUT2分别为通道1和通道2的模拟量输出端子，电源为AC 220 V、50 Hz。监视仪接线图如图4所示。

图4 监视仪接线图

3 软件系统

软件系统分为数据库层、数据接口层、应用支撑层、表示层和人机接口。数据库层采用基于MySQL的设计，分为工程特性表、数据采集表、计数表、时钟表、报警记录表等。数据接口层的作用是：①采用SQL数据接口协议与数据库对接；②采用RS485接口与传感器等对接，实现数据与硬件系统的交互。应用支撑层包含了控制模块、计数模块、报警模块、时钟模块、看门狗模块、调试配置模块等。控制模块采用PLC的嵌入式编程；计数模块采用MS51系列单片机编程，并启动单片机内嵌的时钟控件，设置时钟参数，与数据库表时钟字段对应，实现时钟模块的开发；看门狗模块实现安全防护功能，实现点数的控制；调试配置模块实现了程序压板调试功能，同时可以设置夯锤最大次数、夯锤最小高度、卷扬机最大动能等。表示层包含2个方面的界面：①组态界面，实现控制按钮、看门狗功能、调试配置功能等，可以在触摸屏上显示；②PC端JAVA界面，具有计数、报警、时钟等功能，可以实现统计、管理、查询、打印等功能。人机接口分为两个方面：①现地传感器与标定仪、A/D子系统和监视仪之间链接采用RS485接口，通过串行人机接口与触摸屏链接。②单片机与PLC通过工业以太网无线通信卡（移动或电信）与云数据库对接，实现与PC机的人机接口互通数据。

4 案例分析

笔者在山东聊城蒙阴县马家花园东、山里、郑家庄等水库除险加固工程中，采用该振动型水利大坝套井回填打夯次数监测装置。套井回填施工过程中用冲抓机造孔，然后用粘土回填并用夯实锤夯实粘土，一般冲抓孔直径110 cm，孔距0.8 m，孔与孔之间呈连环套形布置。按照工程需要可以设置单排或者多排套井，一般以双排套井为多。套井冲抓回填土料施工的流程为布孔、安机、造孔、清理、回填夯实、质量检查[8]。套井造孔深度一般要求穿过碎石土层达到强风化基岩以下0.50 m，井底以上1.0 m范围采用1：1.5（水泥：粘土）回填夯实，其上用粘土夯实回填，回填每层厚度控制在15～20 cm，回填后的粘土要求压实度≥0.96，渗透系数小于1×10-5cm/s，依据规程夯锤高度不少于2 m，每层打夯次数不少于20次[9]。原来采用人工方法，每处需要2个工人，共100多处，夯填2个月，需要12 000人工×天。而采用该设备后，每处只需1个工人，人工费用减少一半，且精度有很大提高，因避免了偷工减料而使得质量也有很大提高。

5 结束语

振动型水利大坝套井回填打夯次数监测装置是一款具有很强实用性和可推广性的专利产品，该装置有效解决了人工打夯次数计量的缺点，减少人工成本、提高计量精度和提升夯实回填的质量。该装置成本低，经济性好，值得推广应用。