基于智能傳感方法的建構(gòu)筑物變形自動化監(jiān)測技術(shù)

李世烜

(中核勘察設(shè)計研究有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著信息化與網(wǎng)絡(luò)化的普及,建構(gòu)筑施工監(jiān)管人員對于數(shù)字化監(jiān)測、智慧工地的需求逐漸增大。人工監(jiān)測、人工數(shù)據(jù)處理模式已無法適應(yīng)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理要求,自動化變形監(jiān)測在提高工程管理效率、動態(tài)監(jiān)測和及時預(yù)警等任務(wù)中發(fā)揮著越來越大的作用。

而在建構(gòu)筑物變形監(jiān)測中,通常采用傳統(tǒng)人工測量,這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)可靠,精度高,但是由于這種方法的非連續(xù)性以及勞動強(qiáng)度等弊端,加重了監(jiān)測難度。同時由于建筑施工現(xiàn)場環(huán)境條件復(fù)雜,變形測量作業(yè)時,需要按照建筑施工現(xiàn)場安全生產(chǎn)管理要求,采取必要的人身和儀器設(shè)備安全防護(hù)措施,避免人員和儀器設(shè)備受施工中的墜落物、危險物、障礙物以及出現(xiàn)異常情況等帶來的傷害,使得建構(gòu)筑物自動化監(jiān)測成為一種趨勢。

現(xiàn)階段,國內(nèi)外在此問題的研究上雖成果不多,但在工程中的利用成效顯著。進(jìn)入21世紀(jì)以來,運(yùn)用監(jiān)測理論及技術(shù)方法的領(lǐng)域越來越大,安全監(jiān)測中數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)成果分析、安全預(yù)報系統(tǒng)不斷完善,成為優(yōu)化設(shè)計、施工質(zhì)量控制、可靠度評價不可或缺的技術(shù)手段。目前在建構(gòu)筑物自動化監(jiān)測領(lǐng)域,采用較為廣泛的監(jiān)測儀器是靜力水準(zhǔn)儀[2]。建構(gòu)筑物自動化監(jiān)測可采用的儀器有MAS-TUH02-100超聲波靜力水準(zhǔn)儀、BK-J02系列磁致式靜力水準(zhǔn)儀及BK-J03系列壓差式靜力水準(zhǔn)儀。針對此,本文以磁致式靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主要研究對象[3],同時對比傳統(tǒng)人工二等水準(zhǔn)測量結(jié)果,多方面評價基于智能傳感方法自動化監(jiān)測系統(tǒng)在建構(gòu)筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 基于智能傳感方法的自動化監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

(1)傳感器原理

磁致式靜力水準(zhǔn)儀利用磁致伸縮液位計作為基本傳感器(圖1),其測量原理是通過測量電子倉內(nèi)部發(fā)射部位到浮球的距離,從而計算出浮球所在液面的液位變化量。該液位傳感器是利用磁致伸縮原理研發(fā)出的一種新型的高精度液位傳感器,此傳感器是一種非接觸式液位傳感器,因此具有實(shí)時測量使用壽命長、穩(wěn)定性好、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 磁致式液位傳感器

(2)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原理

系統(tǒng)依據(jù)連通器原理,將監(jiān)測點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)用導(dǎo)壓水管串聯(lián),并在水管內(nèi)充入液體(二甲基硅油),通過測量各監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的液面變化量,即可計算出各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量。本系統(tǒng)對各監(jiān)測點(diǎn)的容器安裝高程有一定要求,各監(jiān)測點(diǎn)容器高程差不應(yīng)過大。監(jiān)測點(diǎn)容器由上下端蓋及有機(jī)玻璃罩組成,上端蓋安裝一個磁致伸縮式液位傳感器。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)容器相對于基準(zhǔn)點(diǎn)容器和基準(zhǔn)傳感器或任意測點(diǎn)容器之間產(chǎn)生沉降或隆起變化時,整個系統(tǒng)水平面會有所變化,即可精確地計算出各個監(jiān)測點(diǎn)傳感器內(nèi)液位值相對于基準(zhǔn)點(diǎn)儲液罐中的液面的高差[4]。系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連接圖

每套磁致式靜力水準(zhǔn)儀都由磁致伸縮液位計、儲液罐、防凍液、通夜管、觀測電纜及安裝支架等部件組成。多只磁致式靜力水準(zhǔn)儀和基準(zhǔn)點(diǎn)連通,再與采集系統(tǒng)配合,就可組成一套完整的磁致式靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 安裝前準(zhǔn)備工作

設(shè)備安裝前,需對監(jiān)測點(diǎn)位的高程進(jìn)行測量,以便使同一套系統(tǒng)的各個測點(diǎn)傳感器安裝在同一高度,各測點(diǎn)與儲液罐的高差應(yīng)保持在傳感器的量程范圍內(nèi);管路中任何一段的高度均應(yīng)低于蓄水罐底部,但不應(yīng)低于 0.2 m。

(1)液體準(zhǔn)備

為了防凍和降低液體揮發(fā)性,通液管內(nèi)液體采用二甲基硅油。

(2)通液管充液

通液管充液前,先用同種液體預(yù)先浸潤管內(nèi)壁。為了避免微小灰塵顆粒吸附氣泡,可采用水泵將液體從通液管一頭注入,從另一頭流出,循環(huán)3分鐘后,將出入口調(diào)換連接水泵再反向循環(huán)3分鐘,之后將管內(nèi)液體排出。通液管正式充液采用自然流動方式,將盛放去氣液體儲液罐置于高于通液管位置,把通液管與儲液罐連通,通液管末端用另一容器接收液體,讓去氣液體通過自然流動充滿通液管。加液后要認(rèn)真檢查,一般在間隔24小時后進(jìn)行復(fù)查,查看是否有漏液及是否有氣泡滯留在液管內(nèi)。確定加液工作無誤之后,方可進(jìn)行下一步的初值采集等工作內(nèi)容。

(3)靜力水準(zhǔn)儀編號確認(rèn)

根據(jù)編號將傳感器分類完成后,將傳感器連接采集儀,用USB線將采集儀與筆記本電腦連接,使用12VDC給傳感器供電,通過調(diào)試軟件采集各傳感器編號和測值,確定傳感器編號與線纜標(biāo)簽是否一致,采集測值單位是否符合綜合管理軟件要求。

1.3 系統(tǒng)安裝及防護(hù)

(1)支架安裝

每個靜力水準(zhǔn)儀都配備一塊安裝板,安裝板具有側(cè)面和水平安裝功能,根據(jù)現(xiàn)場需求,先將安裝板用螺栓固在靜力水準(zhǔn)儀上,然后在測點(diǎn)安裝位置鉆孔布設(shè)。

(2)通訊線、線槽布設(shè)及安裝、通夜管連接。

(3)數(shù)據(jù)采集箱用膨脹螺栓固定在墻上。

(4)安裝在建構(gòu)筑物上的磁致式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng),應(yīng)采取措施保證全部連通管管路溫度均勻,避免陽光直射,同時安裝防護(hù)罩,以免在監(jiān)測過程中遭受破壞。

1.4 數(shù)據(jù)自動化采集與分析

在線監(jiān)測管理系統(tǒng)采用瀏覽器(B)/服務(wù)器(S)軟件體系結(jié)構(gòu),用戶須在瀏覽器上進(jìn)行工作,如圖3所示。

圖3 在線監(jiān)測管理系統(tǒng)登錄

通過在線監(jiān)測管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,應(yīng)注意以下要求:

①觀測時間宜選在氣溫比較穩(wěn)定的時段,觀測應(yīng)在液體完全呈靜態(tài)下進(jìn)行。

②每次觀測宜讀數(shù)3次,讀數(shù)較差應(yīng)小于 1 mm,取3次讀數(shù)的算數(shù)平均值作為觀測值。

③通過通信網(wǎng)絡(luò)連接至管理中心的監(jiān)控計算機(jī),實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、存儲、計算和圖表處理。

1.5 特殊情況處理

(1)設(shè)備異常處理

磁致式靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)在建構(gòu)筑物施工及運(yùn)行期間,會不可避免地發(fā)生液體蒸發(fā)引起的液面下降、個別傳感器損壞、局部管路滲漏等情況,應(yīng)定期對其進(jìn)行維護(hù),發(fā)現(xiàn)性能異常時應(yīng)及時修復(fù)或更換。當(dāng)發(fā)生意外情況時為保證數(shù)據(jù)具有延續(xù)性,應(yīng)與水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行互校。

①人工測點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)與自動化監(jiān)測設(shè)備安裝位置上下保持一致。

②采用幾何水準(zhǔn)測量方法,對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測。

③通過對同一位置監(jiān)測點(diǎn)分析變化趨勢是否保持一致。

(2)預(yù)警處理

當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化異常并超過規(guī)范要求時,及時向業(yè)主提出預(yù)警,并會同業(yè)主、施工單位和設(shè)計單位,綜合地質(zhì)勘測、建筑設(shè)計各方面因素,找出原因,避免發(fā)生事故。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

(1)通過人工監(jiān)測得到各監(jiān)測點(diǎn)的高程,再通過測得的高程計算各監(jiān)測點(diǎn)沉降變化量。各監(jiān)測點(diǎn)沉降變化量的計算公式如下:

△Hi=Hi-Hi+1

式中:△Hi為沉降變化量,Hi為第i次測量的高程,Hi+1為第i+1次的高程[5]。

(2)利用連通管原理,自動化監(jiān)測系統(tǒng)搭建完成后各測點(diǎn)基本處于相同標(biāo)高位置,當(dāng)連通管一端(末端)密封后,整個通液管路中的液體是靜止的,當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)隨結(jié)構(gòu)變形(沉降或隆起)時,監(jiān)測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)儲液罐中的液面的相對高差產(chǎn)生變化,監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)則相應(yīng)變化,此變化量即為該監(jiān)測點(diǎn)的相對沉降量。

3 自動化監(jiān)測儀器誤差源分析

(1)溫度的影響

在安裝靜力水準(zhǔn)儀的同時配有液體溫度傳感器,并對儀器進(jìn)行保溫及防曬處理,可利用下列算法對液位進(jìn)行溫度修正:

△h溫度=h深×β×△T

用20℃時液體狀態(tài)作為參考時的修正公式為:

△h溫度=h深×β×(T-20)

若工作液體為水,線膨脹系數(shù)β=200μm/(mc),這個公式為△h溫度=200h深×(T-20),△h溫度的單位為μm。

經(jīng)溫度修正后的垂直變形為:

△Y=(Y1-Y0)-(J1-J0)+△h溫度,上升為正。

(2)外界震動的影響

靜力水準(zhǔn)儀主要是獲取監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間液體的高差,施工環(huán)境復(fù)雜多變,受震動影響較大。外部震動使得局部壓力增大,導(dǎo)致測點(diǎn)讀數(shù)不穩(wěn),測點(diǎn)液面趨于上升;震動減弱至消失,使得該測點(diǎn)液面趨于下降。外界震動會影響靜力水準(zhǔn)儀的瞬間讀數(shù)的準(zhǔn)確性,進(jìn)而應(yīng)盡量減少監(jiān)測點(diǎn)附近的局部震動,或者避免在震動期間采集數(shù)據(jù)。

(3)延遲效應(yīng)的影響

靜力水準(zhǔn)儀液體變化相對于溫度變化趨勢相對之后。當(dāng)溫度發(fā)生變化的時候,容器中所裝的二甲基硅油吸熱或者放熱需要一定的時間,容器內(nèi)液體和外界溫度變化不同步,稱之為延遲效應(yīng),導(dǎo)致溫度改正模型中的溫度并非液體真實(shí)溫度,因此必須進(jìn)行延遲效應(yīng)改正。

(4)其他誤差來源

靜力水準(zhǔn)儀液體還受壓力、液體材料、液體揮發(fā)等影響。如果監(jiān)測點(diǎn)都比較近的話,在局部可認(rèn)為壓力是一樣的;不同環(huán)境對液體材料要求也不一樣,液體的選擇是一個關(guān)鍵,經(jīng)常使用的連通液體有水、玻璃水、防凍液等,本次案例在西北戈壁灘溫差較大,采用二甲基硅油作為液體材料,提高其監(jiān)測穩(wěn)定性。

4 實(shí)例分析

本次案例選取西北戈壁灘某建筑物,晝夜溫差大,環(huán)境因素惡劣復(fù)雜,具有一定的代表性。選取建筑物長 100 m,寬 25 m,上下共兩層,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。針對本建構(gòu)筑物變形監(jiān)測,布設(shè)一組磁致式靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng),包含10個監(jiān)測點(diǎn)。

建筑物從施工期間開始監(jiān)測,經(jīng)歷施工、裝修、運(yùn)營各個階段。施工期間周邊環(huán)境復(fù)雜多變,周邊有時常有鼓風(fēng)機(jī)等振動源,監(jiān)測期間溫差在-25℃～30℃之間,人工監(jiān)測嚴(yán)格按照國家二等要求施測,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析研究。

在建構(gòu)筑物施工及運(yùn)行過程中,采用磁致式靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)對建構(gòu)筑物變形情況和人工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析[6],選取具有代表性的兩個監(jiān)測點(diǎn)C01和C05進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析,變形數(shù)據(jù)結(jié)果如表1、表2所示,監(jiān)測曲線如圖4、圖5所示。

表1 沉降C01監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表

表2 沉降C05監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表

圖4 沉降C01監(jiān)測曲線圖

圖5 沉降C05測曲線圖

建構(gòu)筑物變形監(jiān)測采用自動化不間斷采集,數(shù)據(jù)量較多,需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

由圖4及圖5可見,在建構(gòu)筑物施工及運(yùn)行過程中沉降自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)在10月31日前變化趨于一致,在10月31日及以后由于氣溫變化較大,前者沉降變化量明顯大于后者,但經(jīng)過溫度修正后,自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本保持一致。在建構(gòu)筑物施工及運(yùn)行期間,自動化監(jiān)測過程中未出現(xiàn)報警情況,經(jīng)過3個月的沉降固結(jié)期,建構(gòu)筑物處于穩(wěn)定狀態(tài),上述數(shù)據(jù)同時也驗(yàn)證了基于智能傳感方法自動化監(jiān)測系統(tǒng)在建構(gòu)筑物變形監(jiān)測中的適用性,證明其具有良好的工程應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

(1)基于智能傳感方法自動化監(jiān)測技術(shù)在建構(gòu)筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用采用得到了良好的實(shí)際效果,完成了建構(gòu)筑物的自動化監(jiān)測,具有一定的可行性。將該技術(shù)手段應(yīng)用于建構(gòu)筑物變形監(jiān)測中,可以實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、存儲、計算和圖表處理。

(2)靜力水準(zhǔn)儀精度主要受電子器件的穩(wěn)定性、設(shè)備安裝、周邊外界環(huán)境、溫度氣壓、液體材料、延遲效應(yīng)等的影響。

(3)溫度升高,監(jiān)測值變大,溫度降低,監(jiān)測值變小;監(jiān)測值隨溫度變化呈現(xiàn)周期性,但在溫度突變,受延遲效應(yīng)及壓力等其他因素的影響,觀測值與溫度變化呈非嚴(yán)格線性關(guān)系。

(4)靜力水準(zhǔn)儀選型、液體材料應(yīng)充分考慮監(jiān)測環(huán)境;設(shè)備安裝應(yīng)精細(xì)嚴(yán)格,盡量避免周邊振動源;數(shù)據(jù)采集時間按實(shí)際需要設(shè)置,數(shù)據(jù)處理應(yīng)先剔除粗差后進(jìn)行修正。

(5)今后也應(yīng)該持續(xù)加強(qiáng)自動化監(jiān)測技術(shù)的研究,切實(shí)保障建構(gòu)筑物在施工和運(yùn)行過程中的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。