简述岩土工程自动化监测系统应用和发展前景.doc

简述岩土工程自动化监测系统应用和发展前景摘要: 本文介绍了用于岩土工程监测的目前国际上先进的一些仪器的性能、使用方法以及由这种仪器组成自动化监测系统的方法,代写硕士论文并与目前我们常用的监测方法进行了比较,预测了自动化监测系统应用和发展前景。 关键词: 岩土工程；自动化监测系统；GSM网络；测斜仪；孔隙水压仪 前言在深基坑工程施工中,对基坑周边进行监测是控制施工进度预防事故发生的一个有效手段。一些高边坡,象位于三峡库区内的边坡,由于三峡工程的蓄水发电,水位将上升,导致边坡内水位的变化,容易诱发边坡塌滑,而在这种边坡上布设监测点进行变形和地下水位等监测是预防边坡破坏的一个重要方法。随着岩土工程信息化施工的进一步应用,监测方法将越来越广泛地得到重视。就目前我们所采用的监测仪器和手段来看,如果和国际上目前较流行的方法比较,还存在自动化程度不高的缺点。例如,用于观测岩土工程变形目前大多采用的方法,是在土体内部埋设多点位移计。每一次获取监测数据时,需要技术人员到现场,一人将仪器向上、或向下沿固定套筒移动,另一人每隔一定拉升或降低距离,例如,1 m,读取数据,存储于仪器中,然后从监测现场拿回数据,进行计算分析。表面的位移观测一般用光学仪器,设计监测网,同样先观测,后处理。这种方法的主要缺点有:(1)手工操作,自动化程度不高;(2)人为因素干扰大,监测数据的可靠性难保证;(3)受天气气候的影响,如遇大风暴雨等恶劣环境,监测可能受到影响,有时甚至无法进行;(4)在丛山峻岭上观测,人才物力消耗较大;(5)无法实现实时监测、实时预报,当前所监测的数据,需要拿回处理之后,才能知道结果;(6)无法实现1天24小时连续观测。本文将介绍的岩土工程监测方法实现了全自动化监测预报过程。其特点是:监测仪器一旦安装完毕,监测系统实现监测数据自动收集、存储发送,技术人员只需在办公室打开计算机,就可以看到监测现场当时仪器所收集的数据,随时可以下载,然后用相应的工具处理数据,马上就可以知道结果,可以避免手工操作带来的种种不利因素。 2.自动化监测仪器能实现自动化监测的仪器很多。以下仅介绍用于监测土体内位移、孔隙水压力两个指标的仪器。多数其它自动化监测仪器与之类似。2.1固定式测斜仪(in-place inclinometer)该仪器的目标监测值为转角,单位为度。就功能来看分为两种:水平式和垂直式测斜仪,也可以按监测值不同分为单向和双向式,高精度和低精度等。下面主要介绍固定式垂直双向高精度测斜仪有关情况。这种仪器被广泛地应用于岩土工程水平方向的位移监测,至少有两种产品可供选择:1种是英国生产的,另一种是美国生产的。下面用美国生产的测斜仪加以说明。在套筒中,最下面的测斜仪有一个悬于空中的重物连接,使得测斜仪链条垂直。在套筒顶部,有一特殊的盖子盖于其上,所有测斜仪重量通过连接杆,传于该盖子上。测斜仪间联接有多点式和多间断式两种方式,由连接杆连接。只不过前一种方式将测斜仪附于套筒上,后一种将连接杆中点附于测斜仪上,两者差别不大。图1所示测斜仪安装为多点式。另外,所有的测斜仪都分别由各自的电缆线连接,延伸于套筒之外,连接到其它仪器上。该测斜仪长241 mm,直径39 mm, 0.35 kg,圆形的ABS外壳,可以在10到+70环境下工作,有防水功能,测角范围为10。该仪器的工作原理1:长条圆形的测斜仪中,靠近顶部有1空腔,其中充满了带有1个气泡的电解质。当测斜仪发生转动时,电解质液随即流动,使得气泡从1低处向相对较高的位置流动,以维持平衡。由于气泡的位置变化,使得电解质的阻抗在某1区域发生变化。例如,顺时针转动时,电解质中某1区域阻抗增加,另1区域减小。通过反复的试验,可以得到电解质阻抗的变化值和测斜仪转角之间的关系。2.2孔隙水压仪(Piezometer)水是影响岩土工程的1个重要因素。水位的升高或降低,引起土体中浸润线位置的变化,直接影响边坡的稳定性。武汉地区以前很多深基坑工程的失事,都是由渗透破坏引起的。目前常用监测水压的方法是技术人员到现场,放入仪器到钻孔中,进行观测,然后读取数据。这种方法的缺点之一,是无法及时准确地掌握水压的变化情况,从而丧失采取工程补救措施的良好时机。目前国际上流行的水压观测方法,如在大坝中或由于孔隙水而容易引起滑坡的高边坡中等,是通过布设孔隙水压仪,1天24小时不间断监测,一旦水位上升到或下降到某一设定值,监测系统即刻报警,监测人员马上就可以采取相应补救措施。可以用于自动化监测的孔隙水压仪有很多种,从安置的方法来看,可以分为3种:(1)埋入式:将孔隙水压仪直接埋入需监测的部位;(2)压入式:将孔隙水压仪直接压入软土中;(3)悬挂式:将孔隙水压仪放入已设置好的钻孔中。下面介绍加拿大生产的PWS孔隙水压仪的一些情况。该种仪器既可以直接埋入土、砂或混凝土中,也可以放入钻孔中,用以观测水压的变化。仪器形状为长圆管形。长20 cm,径19 mm,外壳为不锈钢。监测水压范围从几米到几百米,据使用的目的来确定,精度与可测量的最大水头h有关,一般可达5%h。须注意的是,若在有可能发生变形的土坡、大坝等之中埋设孔隙水压仪,其连接电缆埋于土中的部分,须按图(3)所示布设,以免在土体变形过程中将电缆拉断。孔隙水压仪的工作原理有点像弹钢,如图4所示。当水从末端进入后,推动隔水板,引起拉伸钢线的刚度发生变化。磁线圈拨动钢线,同时计下振动的次数。不同的水压,引起钢线振动的次数不一样,通过试验得到水压和振动次数之间的关系,确定CF值的大小,从而测量水压的变化。以上仅介绍了两种在岩土工程中最常用的自动化监测仪器,其他还有很多种,如TDR,雨量仪(rain gage),拉伸仪(extensometer),压力盒(pressure cells),应变仪(strain gage)等等,都可以用于自动化监测。 3.监测数据的存储与远距离传输这部分将介绍的内容将是自动化监测与工程操作系统的最大差别所在,其中包括:(1)现场监测数据的处理方式;(2)远距离数据传输。3.1数据储存控制仪(Datalogger)目前,我们广泛采用的方式是技术人员到现场,通过读取器(Readout)记录下数据,然后拿回办公室进行分析。自动化的监测系统是将数据存储在Datalogger中,按需要对其下载或读取。Datalogger有很多种,可根据存储量通道数和精度等的不同要求进行选择。以下介绍英国生产的Datalogger,型号为CR10X。数据储存控制仪实际是1个微型计算机,它由用户编写的程序所控制,有一定大小的存储空间。用户可以通过程序对监测系统所控制的指标有:取样率、预报阀值、监测仪器的数量、类型、参数、远程数据传输的方式以及监测数据显示等。该程序为CSI文件,是1种EDLOG语言。当用户编写好源程序后,由相应软件将它送入Datalogger,并存放在存储区,只要用户不重新更新它,不管有无电源供应,该程序就永远保存在其中。通常Datalogger存储空间为1 MB,如果利用可选择的存储容量,它可以存储2 MB的监测数据。一般情况下,它可以存储1个月的数据,这依赖于取样率、仪器的数量这样两个指标。取样率越大,或连接的仪器数量越多,存储的天数就会越少。2MB的内存空间有524288存储位,若有20个仪器连接在Datalogger上,每小时读取并存储1次数据,每天24次,若每个仪器1次读取的数据占12个位,则可存储的天数= 524288/(122024) = 91(d)由此可见,在短期监测情况下,如深基坑监测中,可以不考虑数据被丢失。当然,用户根据需要,可以随时下载。值得注意的是,数据只能被下载1次。数据每下载1次,Datalogger会记录下正在下载的数据区,当下次下载时,已被下载过的数据就无法再下载了,直到被完全覆盖为止。CR10X仪器,大小为19.8 cm8.9 cm3.8 cm,其基本指标为:工作温度-20+50; 8通道;最大输入输出电压为2500 mv;内存1 MB等等。3.2ModemModem用于远距离数据通信。有两种方式用来数据传输:(1)常规的电话网络;(2)无线网络。若监测现场可以很方便地铺设电话线,一般都采用第1种方式。因为用这种方式传输数据速度快,稳定可靠。但是,若监测现场位于野外,周围没有标准的电话线可以连接,这时就采用无线(Wireless)通信方式,这种方式传输数据速度可能慢一点,但目前仍不失为1种可靠有效的通信手段,其最大优点是不受监测场地的限制,任何地方都可以采用。因此,第2种方法越来越被人们所采用。可用于无线通信的Modem种类很多。一般采用9600波导率(Baud)最大传输速率的Modem。选择Modem时,首先要知道本地区可利用的电信网络的类型。例如在香港,有GSM、PCS等网络。有的Modem可适用于多种网络,有的只能在1种网络中使用。Modem买好之后,还要到电信部门购买SIM卡,这时需申请有数据通信功能的电信帐号。一般的卡只能用于语音通信,象用于手机的那种,须在同一帐号中增加用于数据通信的不同的号码。只有利用数据通信的号码,监测数据的传输才能得到保障。在实际的监测过程中,监测现场的Modem可以用以上两种方式将数据传回办公室,而在办公室中则优先采用标准的电话线进行数据通信。若办公室使用电话的频率不高,则可以利用常规的已铺设好的电话线,通过Modem连接到计算机上。可以适应这种通信方式的Modem很多,一般常用的56K Modem即可满足要求。在办公室中采用已有的电话线进行数据通信,最大的优点是数据传输较快且费用相对低廉。因为整个通信过程只需申请1个帐号(监测现场Modem中的SIM卡所使用)。若在办公室中也采用无线的方式,则不得不申请另1个SIM卡。型号为M20 Modem可用于无线数据通信,尺寸107mm63.5mm31.3mm,重145克,它只能在GSM 900网络中使用,不能设置用户密码。工作温度范围-20+50,最大传输速率9600波导率。它实际上是1个具有特殊功能的手机,最大优点是节约能源。3.3电源在监测现场须有电源供应。电源供应方式分两种:(1)220V民用电源;(2) 12 V蓄电池与太阳能或风能发电机相连,充当电源。前面所介绍的所有仪器工作电压均需12V,低于10.5V,仪器将不能正常工作。当采用民用交流电时,须经变压器转为12V直流电。一般情况下,采用12 V蓄电池与Datalogger相连,以便在停电的情况下系统能继续工作。由于蓄电池存储量有限,一般只能独立供电3小时左右(由传感器等数量确定)。在没有民用电源可以铺设到野外的情况下,一般利用太阳能或风能设施与蓄电池相连,可以保证系统能源的供应。 4 自动化监测系统的形成与手工操作的岩土工程监测系统相比,自动化监测系统无论在硬件或软件上都存在一些差别。从硬件上讲,所有的传感类型的仪器,如测斜仪等,一旦安装完毕,在它完全稳定之后就可以自动读取数据,无须人为干预;Datalogger代替了Readout作为监测数据在现场的存储仪,并控制着监测的所有过程;增加了Modem作为数据传输的工具;监测现场需要不间断的电源供应。从软件上看,用户须编写EDLOG程序,并存储于Datalogger之中;在办公室内的计算机中还须用软件来下载数据,实现实时监测。从功能上来分析,自动化监测系统可分为5大部分:(1)传感部分,如测斜仪;(2)数据存储部分,如Datalogger;(3)数据通信部分,如Modem;(4)实时监测、数据下载部分,如办公室的计算机;(5)数据处理部分,如分析软件,得到监测结果.本文前面部分已经介绍了组成自动化监测系统的监测仪器的性能和使用方法等,利用这些仪器就可以组成1个完成数据自动化读取存储传输实时数据监测下载的全过程自动化监测系统,剩下的工作就是开发针对不同监测目的的数据分析软件,这是不难做到的。 5.仪器价格及应用前景预测显然,自动化监测系统具有手工操作系统无法比拟的优越性。根据目前国际上的市场行情来看,同1种类型的仪器有不同的国家不同的厂家生产,只要仪器的性能指标相似,价格相差并不大。另外,先进的技术不断地被应用到产品上,旧产品很快被淘汰,产品间存在激烈竞争,这对用户是有利的。现列举前面介绍的几种仪器的参考价格(单位:美元/个):(1)测斜仪:500600;(2)孔隙水压仪:350500;(3)Datalogger包:50006000;(4) Modem :200300;(5)太阳能装置:200300;(6)附件:1000以内。根据目前的价格估算,20万元人民币以内就可以买到组成1个自动化监测系统的主要仪器和完成基本功能的软件。目前手工操作系统在岩土工程监测中被普遍地采用,主要原因之一