振動型水利大壩套井回填打夯次數監測裝置

劉 勇

（山東弘潤水利建筑工程有限公司，山東 聊城252000）

0 引言

我國是一個水災多發的國家，在防洪抗災的歷史斗爭中，共修建了各類水庫8萬余座。長期運行，很多病險水庫需要對大壩進行除險加固，尤其是我國應用最廣泛的土石壩，普遍存在壩體滲漏的問題，在壩體防滲加固處理技術中，套井回填是一種應用廣泛的防滲技術，它適用于中、小型均質土壩、心墻壩的防滲加固處理[1]。在套井回填施工過程中，一般采用沖抓機造孔，然后用粘土回填并采用夯實錘夯實粘土，即由鉆機的動力和卷揚設備帶動夯錘加以夯實，形成一道連續的黏土防滲墻，依據鉆孔深度、當地粘土質量和防滲系數要求，估算每個鉆孔夯實錘夯實粘土的次數。目前，現場施工基本上由一個工人操作卷揚設備帶動夯錘，另一個工人人工計數錘夯的次數，當計數達到要求即提示停止卷揚設備[2]。但是這種方法有很多弊端：①需要一個工人專門計數，效率低且人工成本高。②人工計數容易中途開小差而產生較大誤差。③僅按照錘夯次數多少來判斷黏土防滲墻已經滿足防滲要求，科學性不足。為了實現自動化統計，有很多學者開展了研究，有采用在夯錘上安裝計數裝置，根據夯錘落地的壓力變化進行統計，但是夯錘落地時的振動對儀表破壞力大，設備極易損壞。有采用卷揚設備的行程計數，但是夯錘的鋼絲有拉伸現象，計數不準確。有采用打夯的聲音進行識別計數，但是施工現場往往比較嘈雜，干擾大，準確性也很差，為此，筆者結合現代物聯網技術，發明一種振動型水利大壩套井回填打夯次數監測裝置，采用在打夯落點5 m范圍內利用夯錘落地振動來監測并計數，并在實踐應用中取得了良好效果。下面就對該裝置的原理及應用進行論述。

1 總體結構

振動型水利大壩套井回填打夯次數監測裝置由硬件系統和軟件系統兩部分組成，硬件系統由振動傳感器、標定子系統（或稱為標定儀）、A/D子系統和監視儀4部分組成，如圖1所示。

圖1 總體結構圖

（1）振動傳感器。采用DP型地震式低頻振動傳感器（垂直振動型）[3]，內置低頻擴展電路，能夠適應低頻振動的測量；自帶積分電路，直接輸出位移振動信號（無需額外測量放大器）；體積小，穩定可靠，可遠距傳輸；機械結構的固有頻率較高，因此具有高可靠性和耐沖擊性。頻率響應0.5～150 Hz，靈敏度5 V/mm，量程±1 mm。輸入：±12 V電源，輸出：

0～5 V電壓，接口形式采用四柱式接線端子排。

（2）標定子系統。選擇VB～Z8900動態校驗儀，供電為220 VAC±10%，最大工作電流為1 A，位移校準范圍為0～5 mm，位移標準為百分螺桿，其精度為1%；Φ8電渦流傳感器為210 μm（最大）、Φ11電渦流傳感器 170 μm（最大）；頻率為 5～260 Hz，振動標準為千分表，其精度達到0.1%轉速，范圍為300～16 000 r/min，尺寸為310 mm×200 mm×250 mm。

（3）A/D子系統。A/D子系統是聯系傳感器子系統和計算機系統的中間環節[4]，本發明選用并行接口式A/D系統，將把硬件集成在一個采集盒里或一個探頭上。與計算機系統實際上組成了一個客戶機-服務器系統（也稱下位機-上位機系統），它們的最大好處是既可以與筆記本計算機相連，方便現場作業。又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。A/D最高采樣頻率為100 kHz，A/D的位數為12位，電源接口為20 VAC±10%，傳感器接口為4芯航空插頭，最多可以同時轉換16路傳感器信號，并且可以同時向16路傳感器供電（通過4芯航空插頭），計算機接口為并行打印口。

（4）監視儀子系統。監視儀子系統實際上和傳感器子系統、連接電纜共同組成了一套相對獨立的數據采集系統，它含有自己獨立的A/D系統和顯示系統。它可以在線監測擺度值與振動值，并具備實時顯示功能。但由于不具備和計算機系統的通信功能及大容量存儲功能，因而不具備數據離線處理和數據分析能力。該系統實際上屬于智能儀表的一種，它只是對基于可與計算機系統通信功能的數據采集系統（由傳感器子系統、A/D子系統組成）的一種補充，主要優點是可以快速、實時顯示振動值。具有自檢和防止上電沖擊功能。可以在線修改報警上下限等參數，并有掉電保護功能。采用模擬量預處理，數字濾波等措施，具有穩定性好，可靠性高，測量準確的優點。同時檢測并顯示2個通道的振動和擺度值。提供2路標準模擬量DC 1～5 V或4～20 mA，供上一級儀表或上位機進行采集。兩個通道，每個通道3位LED；報警接點容量為AC 220 V/0.3 A、DC 110 V/0.3 A；溫度為 -5～+45℃；儀表相對濕度≤85%RH；外 磁 場≤400 A/m；振 動f≤20 Hz，A≤0.2 mm；外型尺寸為160 mm×80 mm×250 mm（寬×高×深），開口尺寸為154 mm×76 mm。

（5）軟件系統。軟件系統由云數據庫和軟件系統界面組成，云數據庫采用MySQL，程序開發語言采用JAVA語言。云數據庫主要存儲傳感器的采集數據、標定數據和監視儀的數據等，軟件系統界面主要是用于人工交互[5]。

2 硬件系統工作原理

2.1 DP型振動傳感器

DP型振動傳感器是將地震檢波器后接校正網絡以擴展其低頻特性，也就是通過改變原系統的傳遞函數來改變其傳輸特性，使得其輸出等效一個低頻振動傳感器。這樣DP型傳感器保持了所用頻率較高的地震檢波器的機械特性，既具有高的可靠性、頑健性和適用于工程應用的特點[6]，又具有測量低頻振動的杰出性能，如圖2所示。

圖2 DP型振動傳感器原理框圖

2.2 標定子系統

本系統的標定采用VB-Z8900標定系統[7]，它是專門為電渦流傳感器設計制造的動態校驗儀，主要用于Φ8、Φ11電渦流傳感器動態特性和靜態位移特性的校準，也可用于振動儀表的校驗工作。動態校驗儀的工作原理實際上靠其機械裝置（轉動、振動）和精密測量設備來產生標準高精度的位移量、振動量，而由傳感器對這些標準量進行測量并依據測量結果和標準量之間的關系來對傳感器進行標定。

2.3 A/D子系統

該系統實際上是一個由單片機和A/D板及相關電路構成的智能型A/D系統，其單片機系統具有相對的獨立性，它按照特定的通信協議（編程接口）通過并行打印接口與計算機通信。它從計算機系統接受相應的指令，進行A/D轉換，并將轉換后的結果通過并行打印接口傳送給計算機進行進一步的處理。該系統具有可控晶振，可以改變采集頻率，而不是像傳統A/D板卡只能以固定的采樣頻率進行采集（查詢式或中斷式），可以控制采樣增益，從而使比較弱小的信號得以放大，16路A/D轉換數據采集裝置結構如圖3所示。

圖3 16路模數轉換數據采集裝置結構圖

2.4 監視儀子系統

IN1為 1（X）輸入端子，IN2為 2（X）輸入端子，其中IN為信號，COM為公共端，+V為+12 V電源；-V為-12 V電源。OUT1和OUT2分別為通道1和通道2的模擬量輸出端子，電源為AC 220 V、50 Hz。監視儀接線圖如圖4所示。

圖4 監視儀接線圖

3 軟件系統

軟件系統分為數據庫層、數據接口層、應用支撐層、表示層和人機接口。數據庫層采用基于MySQL的設計，分為工程特性表、數據采集表、計數表、時鐘表、報警記錄表等。數據接口層的作用是：①采用SQL數據接口協議與數據庫對接；②采用RS485接口與傳感器等對接，實現數據與硬件系統的交互。應用支撐層包含了控制模塊、計數模塊、報警模塊、時鐘模塊、看門狗模塊、調試配置模塊等。控制模塊采用PLC的嵌入式編程；計數模塊采用MS51系列單片機編程，并啟動單片機內嵌的時鐘控件，設置時鐘參數，與數據庫表時鐘字段對應，實現時鐘模塊的開發；看門狗模塊實現安全防護功能，實現點數的控制；調試配置模塊實現了程序壓板調試功能，同時可以設置夯錘最大次數、夯錘最小高度、卷揚機最大動能等。表示層包含2個方面的界面：①組態界面，實現控制按鈕、看門狗功能、調試配置功能等，可以在觸摸屏上顯示；②PC端JAVA界面，具有計數、報警、時鐘等功能，可以實現統計、管理、查詢、打印等功能。人機接口分為兩個方面：①現地傳感器與標定儀、A/D子系統和監視儀之間鏈接采用RS485接口，通過串行人機接口與觸摸屏鏈接。②單片機與PLC通過工業以太網無線通信卡（移動或電信）與云數據庫對接，實現與PC機的人機接口互通數據。

4 案例分析

筆者在山東聊城蒙陰縣馬家花園東、山里、鄭家莊等水庫除險加固工程中，采用該振動型水利大壩套井回填打夯次數監測裝置。套井回填施工過程中用沖抓機造孔，然后用粘土回填并用夯實錘夯實粘土，一般沖抓孔直徑110 cm，孔距0.8 m，孔與孔之間呈連環套形布置。按照工程需要可以設置單排或者多排套井，一般以雙排套井為多。套井沖抓回填土料施工的流程為布孔、安機、造孔、清理、回填夯實、質量檢查[8]。套井造孔深度一般要求穿過碎石土層達到強風化基巖以下0.50 m，井底以上1.0 m范圍采用1：1.5（水泥：粘土）回填夯實，其上用粘土夯實回填，回填每層厚度控制在15～20 cm，回填后的粘土要求壓實度≥0.96，滲透系數小于1×10-5cm/s，依據規程夯錘高度不少于2 m，每層打夯次數不少于20次[9]。原來采用人工方法，每處需要2個工人，共100多處，夯填2個月，需要12 000人工×天。而采用該設備后，每處只需1個工人，人工費用減少一半，且精度有很大提高，因避免了偷工減料而使得質量也有很大提高。

5 結束語

振動型水利大壩套井回填打夯次數監測裝置是一款具有很強實用性和可推廣性的專利產品，該裝置有效解決了人工打夯次數計量的缺點，減少人工成本、提高計量精度和提升夯實回填的質量。該裝置成本低，經濟性好，值得推廣應用。