NSC型水管式沉降仪

一 NSC型水管式沉降测量装置原理 分类及构成1 工作原理水管式沉降测量装置亦称水管式沉降仪 它是利用液体在连通管两端口保持同一水平面原理 即连通器原理 制成的 见图3 1 当观测人员在观测房内测出连通管一个端口的液面高程时 便可知另一端 测点 的液面高程 前后两次高程读数之差即为该测点的相对沉降量 计算公式如下 S1 H0 H1式中 S1为测点的沉降量 H0为埋设时沉降测头的溢流测量管口的高程值 H1为观测时刻测得的液面高程值 NSC型水管式沉降测量装置 图3 2 水管式沉降装置构造示意图 二 系统构成 1 沉降测头在沉降测头底部分别装配了进水管 排水管 通气管接头 测头内部装有两根竖管 分别为进水竖管和通气竖管 见图3 3 2 管路在沉降测头的筒底的三个接头 装接 10 1 10 1 14 1尼龙管 管路外必须用保护管保护 连通水管与观测房的测量板相应编号的有机玻璃量管相接 排水管 通气管也必须接至观测房 沉降测头 进水管 10 1尼龙管 的作用是将沉降测头连通水管水杯口与量测板的测量管口连通 形成U形管 尼龙管应尽可能用整根 避免用接头 确保管路的可靠性 通气管 10 1尼龙管 的作用是使沉降测头内的气压与大气压平衡 使连通水管符合U形管原理 每个沉降测头的通气管也必须引至观测房 切不可几个测头合用一根通气管 同样 应尽可能少用管接头 排水管 14 1尼龙管 的作用是使沉降测头筒中连通水管水杯口溢出的水排出 3 保护管各沉降测头至观测房的管路必须外套保护管 每个测点采用单独的一条保护管 保护管一般采用1 5英寸的热镀锌钢管 也可以采用聚乙烯管 两根保护管之间采用外径较大的伸缩管连接 伸缩管长80cm左右 伸缩管可以采用2英寸的热度锌钢管 也可以采用PVC管或聚乙烯管 伸缩接头的密封 用宽1米 0 5米的土工布包裹伸缩接头 土工布应折迭在左中右三处用细铅丝扎紧 这样两保护管在伸缩管内各有足够的伸缩余地 完全能适应土石坝内部的沉降 水平位移 土工布的作用是防止泥砂进入保护套管内 4 观测台NSC型水管式沉降测量装置的观测台布置在土石坝沉降测量高程下游坡面处的观测房内 量测板安装有量测管 旁边装有不锈钢测尺 最小刻度为1mm 从测头引至观测房的排水管 通气管也应固定在观测台附近 进图3 4所示是观测台布置图 图例 1 沉降测头 2 管路 保护管 3 测量管 4 供水分配器 5 压力水罐 6 气压罐 7 储水桶 8 打气筒或空压机 9 压力表图3 4 观测台布置图 观测房内地面设有观测标点 该标点由设在大坝两端的视准线标定 管路埋设高程必须低于沉降测头内连通水管水杯口的高程 管路埋设坡度一般采用1 左右 倾向于观测房 有利于进水管排气 有利于排水管的排水 通气管内也不易积水 三 观测房内的测量装置1 测量装置组成 水管式沉降仪观测房内主要由观测柜 储水桶 气压罐 水压罐 尼龙管等组成 具体情况如图3 6所示 2 观测柜观测柜由测量管 上安装板 下安装板等部分组成 上 下安装板上分别装有分配器 电磁阀 压力传感器等部件 具体结构参见图3 7 观测柜 2 1上安装板 安装板 上安装板安装有自动分配器E 测量分配器F 压力传感器 测量电磁阀C和注水电磁阀B 他们之间的管路已经连接好 安装者只需要将图3 6中的3 尼龙管的一端接入 E进 口即可 2 2下安装板 下安装板安装有手动分配器D和五通接头 他们之间的管路已经连接好 安装者只需要将五通接头空余的一个接口连上沉降测头出来的10mm进水管即可 3 首次测量系统管路连接 1 储水桶的出水口用1 尼龙管 6mm 连到水压罐的进水口 2 气压罐的出气口用2 尼龙管 6mm 连到水压罐的进气口 3 水压罐的出水口用3 尼龙管 6mm 连到观测柜上安装板的 E进 口 4 观测柜下安装板五通接头上的空余接口连接到沉降测头的进水管 10mm 上 4 首次测量方法 1 拧开水压罐上的排气堵头 让水压罐通大气 2 打开水压罐进水口上的阀门 让储水桶内的水流入水压罐 水流满后关闭进水阀门 重新拧上排气堵头 3 用打气桶对气压罐充气 直到压力表读数为0 2Mpa 4 打开气压罐出气口上的阀门 压力将水压罐内的水压向沉降测头 5 经过一段时间的充水排气 当回进水管水中的气泡排净时 打开观测柜测量管下部的阀门 当水冲到测量管顶部时 关闭进水阀门 让测头水杯口与测量管形成 U 型管 当水面稳定时就可以读数了 5 日常测量系统管路连接直接将储水桶的出水口用1 尼龙管 6mm 连到观测柜上安装板的 E进 口即可 6 日常测量方法 1 打开观测柜内下安装板上一个测点的手动进水阀 2 冲水一定时间后 打开观测柜测量管下方的阀门 当水面接近测量管顶部时 关闭手动进水阀 让测头水杯口与测量管形成 U 型管 当水面稳定时就可以读数了 当沉降测头浇筑混凝土 沟槽回填工作完毕后 必须立即按规定充水排气 再次对各沉降测头的测量水管水位进行读数 这个读数与沉降测头和沟槽回填前的读数应当接近 这个读数和测尺零刻度即为起始读数 必须记入观测表内 量测管的稳定数值判定方法 每20分钟读一次数 直至最后两次读数不变为止 若读的数值与排气前的读数相同或稍大均属正常 若低些或大得较多均属不正常 应分析原因 主要应考虑前后排气是否正确 再考虑其它原因 寒冷地区 应用防冻液代替无气水 防冻液可采用乙二醇 甲醇和水混合液 配比为 乙二醇 甲醇 655 345 体积比 这样混合液的密度为1 再掺入0 4 体积比 的水 这种防冻液可达到 52 C不冻的效果 每次观测时 均应测读各测量水管的稳定水位 即沉降测头溢流水杯的水位 并以水准仪测出测量水管不锈钢测尺零刻度的高程 换算出沉降测头的实际沉降量 7 自动化测量自动化测量时 不需要接入气压罐和水压罐 储水桶出水口引出的1 尼龙管直接接到观测柜上安装板的 E进 口即可 8 三测点沉降仪系统管路连接表 四 NSC型水管式沉降测量装置的安装埋设方法由于沉降测量装置的埋设是在土石坝施工期间 埋设剖面经常贯穿坝面上下游 涉及坝面较大区域 施工干扰大 影响因素多 埋设技术复杂 又不能有任何差错 否则会影响埋设后沉降仪的质量 有时甚至无法测出正确的数据 造成无法挽回的损失 因此必须结合具体工程做好以下工作 才能做到减少对坝面施工的干扰 不降低埋设部位坝体碾压质量 保证埋设后仪器能长期正常工作 1 准备工作 1 埋设方案按观测设计要求确定具体的合理埋设方案 大坝设计单位与仪器埋设安装单位 大坝施工单位 仪器供货单位等商讨埋设方案 大坝设计单位还应根据大坝实际施工状况 随时做必要的埋设方案的修改 并及时出图给大坝施工单位和仪器埋设单位 2 仪器设备的检查仪器安装单位 按供货清单验收 数量 规格 合格证等 3 培训由仪器供货单位按合同规定对参加仪器埋设 观测人员进行业务培训 4 工具与材料仪器安装埋设单位应有计划地做好各项准备工作 施工用工具 材料 场地等 5 其他a 沉降测头木模加工 木模尺寸为35cm 长 35cm 宽 60cm 高 木模底部留一个10cm 10cm的缺口 以便尼龙管接入 b 剪土工布 尺寸为1米 0 5米 数量等于伸缩套管的个数 c 准备一些铅丝 作为绑伸缩套管外的土工布用 d 尼龙管气密性试验 检查尼龙管经过运输后的完好性 实验方法是 将尼龙管的一端用堵头堵上 另一端连在气压罐上 加压到0 1Mpa 如果压力表能稳定5分钟 则说明管路完好 否则将仔细检查破损处 并用尼龙管接头进行连接 2 管路坡降设计为保证观测质量 符合连通管原理 应使沉降测头到观测房之间有一定坡降 也就是沉降测头水杯口与管路出口间有一定的高差 其作用 一是使沉降测头内连通管水杯口的溢流水顺利迸人排水管排至观测房的排水沟 防止沉降测头内积水 二是适应坝体变形 如果管路与沉降测头在同一高程 坝体沉降变形后 沉降测头就会比管路位置低 排水管内的积水会倒流入测头内 影响沉降测量装置的正常工作 当某一段管路高于沉降测头水杯口时 就可能无法测量 三是当管路较短时 测头内溢流水可经由排水管自行排出 不必加气压 这样 观测操作就较方便 沉降测头水杯口与管路出口间高差大小应结合具体工程 埋设高程等分析估算埋设剖面最大沉降量和沉降差的基础上确定 一般不应小于1 0 1 5m 管路坡降大小和方式 应根据管路的长短 预估坝体沉降变形的大小 填筑坝面形状等因素决定 满足沉降测头水杯口与管路出口高差的要求 又使管路出口与沉降测头间的高差不致很大 增加埋设工作量 对于粗粒料坝体 一般采用局部坡降法 它比均匀坡降法优 可节省埋设工作量和碎石保护料 对于习粒料坝体 一般采用均匀坡降法 局部坡降法是在距沉降测头约10 20m的一段管路上设置较大坡降 约0 5 15 其余部分则采用水平埋设 见图3 12局部坡降法观测剖面图 图3 12 局部坡降法 均匀坡降法观测剖面图 3 埋设施工按施工方式不同 水管式沉降仪的埋设可分为挖沟法和预留沟法 具体采用何种方法应根据设计要求 具体工程和施工条件等因素而定 1 挖沟法当坝填筑到高于沉降测头埋高程约0 8 1 2m后 沿埋设剖面线挖沟 沟底宽度约7米左右 沟式法的优点是易于保护管路 回填料易压实 但施工时间长 对坝面施工干扰大 挖沟较费劲 图3 13 挖沟法 图3 14 管路沟开挖示意图 仪器安装沟挖好后 在沟的一侧挖管路沟 管路沟可以采用局部坡降 也可以采用均匀坡降 2 预留沟法预留沟法就是当达到仪器安装高层时 在仪器安装中心线两侧预留一深度为1米左右的仪器安装沟 然后再仪器沟的一侧挖管路沟 4 碎石保护料因埋设管路时 在管路周围必须用碎石料保护 对碎石料的基本要求 一是粒经不宜太大 要能起到保护管路的作用 二是应有一定的级配 易于压实 三是应满足上坝坝料的要求 碎石粒最大料径应小于50 80mm 并有一定的级配 5 沉降测头的埋设沉降测头的埋设基础应自辗压坝面或开沟后的沟底做起 即不可在铺垫的碎石料上做基础 否则会影响坝体变形测量的准确性 埋设测头的基础可用混凝土 200 浇筑或桨砌石块砌成 其顶面尺寸为50cm 50cm 顶面应水平 用水平尺校对 不平度 2mm 基础顶面高程比沉降测头水杯口高程 即设计的测量高程 低约45cm 见图3 15 沉降测头基础将已安装管路的测头放置于基础顶面 应用水平尺再次校准测头容器口 取去容器的螺盖 的水平 图3 15 沉降测头基础 测量容器的高程H 水杯口的高程h0 H h h是容器口至水杯口的尺寸 仪器出厂时已测定 标在出厂检验证书上 在沉降测头周围建立浇筑混凝土的木模 模板至少离测头容器10cm 6 观测房与观测固定标点NSC型水管式沉降测量装置观测房一般建在坝后坡上 应在装置埋设前 或与装置埋设同时进行 观测房的基础应布置钢筋 浇筑砼 靠坝体一侧设挡土墙 内外均应有排水沟 观测房面积 仅有水管式沉降测量装置观测设备 其面积约12 15m2 若同时有引张线观测台 则面积约16 20m2 观测房高约3 5m 7 测量装置埋设部位的填筑为保证测量装置埋设部位 管路和沉降测头 坝体碾压质量达到设计要求 应使埋设部位能按设计要求填筑的厚度和机具进行正常的碾压 选择易压实的碎石保护料 对沉降测头部位局部人工夯实 总之 应防止由于仪器埋设而可能带来的对坝体的不利影响 确定沉降测头上部和管路允许施工机具的坝料覆盖厚度是沉降测头和管路埋设后能否正常碾压的关键 一般管路埋设部位可按设计每层回填厚度 垫层区大于40cm 主堆石区大于80cm 进行正常碾压 对具有恰当的碎石料保护层的管路埋设部位 其碾压质量是能保证的 沉降测头位于埋设剖面最高处 坝料新回填一层后常不能将沉降测头全部埋入 因此 在它周围2m范围内必须分多层回填 人工夯实 直至高于沉降测头顶部0 8m后用机具压实 在浇筑沉降测头混凝土封包 对管路 沉降测头回填过程中应随时注意观测房测量水管读数的变化 若有异常 应停止施工 找出原因处理 8 观测记录和考证表当沉降测头顶面浇筑一层后 即进行正式观测 将测读数记入观测记录表 沉降测量装置埋设过程中必须做好施工记录 如测量装置编号 安装位置 安装日期 测点起始高程 沉降测头连通水管水杯口的高程 测量水管起始读数 固定标点起始高程 人工填筑情况 回填土料性质 气象因素 参加埋设人员等均应准确地填入考证表内 并附位置图 结构示意草图等 记录员 观测员 施工负责人均应签名 考证表 记录表等必须递交大坝管理单位 挖沟1 挖沟2 埋设1 埋设2 五 NSC B1型水管式自动沉降测量装置1 概述在NSC A1型基础上 如果要实现全自动化监测 即成为NSC B1型水管式自动沉降测量装置 除了采用DAMS 型自动化数据采集系统中的NDA1564数据采集模块对水管式沉降测量装置所配有的压力传感器进行自动化采集外 还要对人工充水排气部分进行自动化改造 即增加控制阀及控制管路 测量控制单元控制模块控制电磁阀 当注水电磁阀开启 箱内的水进入测量管 水位上升 同时水继续流入沉降测头的连通水管 并从沉降测头溢出后 注水电磁阀关闭 测量电磁阀开启 连通水管内水流平衡 NDA1564按水管式沉降测量装置测读要求进行过程控制 采集 存储 其原理框图如图3 16所示 将埋设在坝体内的水管式沉降测量装置的测头与观测站内的自动测控装置用管路连接 使其形成连通管 坝内沉降测量装置测头的溢流面高程与坝体外部观测站内的水管水位相同 当坝内沉降测量装置测点发生沉降时 坝体外部观测站内的水管水位变化值加上观测房自身的沉降即为坝体内沉降测量装置测头的沉降量 为了观测坝体外部观测站内水管水位变化 将在观测站的水管用连通管与压力传感器连接 在具有多个测量水管的情况下 使用电磁阀 依次将各个测量水管与压力传感器相联 选用陶瓷电容式或压阻式压力传感器 0 5 FS精度 量程1m 4m 测量水柱的高度 采用检测仪表测读传感器信号 可满足规范SL60 94的要求 因此 用检测仪表观测的NSC B1型水管式沉降测量装置 即观测房测量管接压力传感器 采用检测仪表测读传感器的信号 使沉降观测精度大大提高 同时NSC B1型还保留了NSC A1型的液面人工读尺 2 NSC B1型水管式自动沉降测量装置主要技术参数 1 测量装置的量程 1000 1500 2000mm等 2 测量装置的最小读数K 1mm 3 测量装置两次平行测量互差应 2mm 4 测量装置配用压力传感器技术指标a 最小读数 K 0 05 F S F S为满量程 以下同 b 基本误差 0 5 F Sc 线性误差 1 0 35 F Sd 重复性误差 2 0 25 F Se 迟滞误差 3 0 25 F Sf 温度附加误差 t 0 05 F S 5 测量装置测控单元技术指标a 测量范围 电流0 000mA 20 000mAb 分辨率 0 01 F Sc 测量误差 0 05 F Sd 温度附加误差 0 005 F S e 测点容量 7通道 6 比测差值 自动化测量与人工测量的比测差值应 1 F S 7 工作环境 温度 20 60 测控单元为 10 C 50 C 湿度 95 3 NSC B1型水管式自动沉降测量装置主要用途和功能NSC B1型水管式自动沉降测量装置主要用于自动观测土石坝的沉降 自动沉降测量装置按图3 17与计算机组成系统 使用南瑞大坝监测公司的数据采集软件 即可具备以下常用功能 1 定时测量可根据需要 设置所接入的沉降测点 实现定时自动测量 自动存储 起始测量时间及定时测量周期可由用户设置 2 选测功能根据需要对所接沉降测点进行选择设置 完成一次测量 并输出这些测点的测量数据 3 自诊断功能可对数据存储器 程序存储器 中央处理器 实时时钟电路 供电状况 电池电压 测量电路进行自检查 实现故障自诊断 4 其他功能NSC B1型水管式自动沉降测量装置还具有测量周期查询 测点群查询 定时测量的测量次数 测量时间和测量数据的查询及清除复位等功能 所有设置参数及自动定时测量数据都存储于专用的存储器内 可实现掉电后的可靠保存 电源线 通信线 传感器引线的入口均采取了抗雷击的措施 可有效地防范雷电产生的损害 4 NSC B1型水管式自动沉降测量装置主要部件及其用途NSC B1型水管式自动沉降测量装置由贮水罐 水泵 储水桶 压力传感器 沉降测头 测量管 手动阀 电磁阀 压力传感器 NDA6700模块 NDA1564模块等部件组成 各部件的连接见图3 18 其中NDA1564模块安装在DAU测控单元中 负责沉降测量装置的自动化测量 模块NDA1564 NDA6700的接线说明如下 1 沉降测量装置的压力传感器为两线制4 20mA输出 红线接入NDA1564的测量输入的CH1 蓝线接入NDA1564的测量输入的CH1 2 沉降测量装置的压力传感器为四芯电缆 红线接入NDA1564的控制输入的DI1 白线接入NDA1564的控制输入的DI1 黄线接入NDA1564的控制输入的DI2 绿线接入NDA1564的控制输入的DI2 3 NDA1564模块控制输出采用四芯屏蔽电缆与NDA6700模块控制输入相连 其中 5V与 5V G与G DA与DA CP与CP OE与OE一一对应联接 4 NDA1564电源端口的CHGIN CHGIN 分别接电源模块NDA5300的8V 8V 通讯端口的A B G分别接485的A B和地 5 NDA6700的220V端口应接交流220V电源 6 NDA6700的AC1 AC3 AC5 AC7 AC9 AC11 AC13依次分别接沉降测量装置观测柜内中间继电器的13 14脚 1 7号测量管的注水电磁阀电源线接相应的中间继电器的5 8脚 AC2 AC4 AC6 AC8 AC10 AC12 AC14分别接沉降测量装置观测柜内中间继电器的13 14脚 1 7号测量管的测量电磁阀电源线接相应的中间继电器的5 8脚 AC16接中间继电器的13 14脚 水泵电源线接中间继电器的5 8脚 中间继电器的12和9脚接220V交流电的正负端 具体情况如图3 19所示 继电器1 继电器2 模块 5 NSC B1型水管式自动沉降测量装置操作过程说明如下 当自动测量装置进行定时测量或选测时 装置按如下步骤自动操作 1 根据注水罐中的水位计对注水罐进行注水至水位计设定位置 如超过预先设定时间t0 注水罐水位仍未达到设定位置 则停止注水 并不再对测量头进行注水和平衡操作 但仍测量各测量管的水位值 2 依次开通与所需测量的测量头相连的注水电磁阀 注水一定时间t1 预先设定 后 关断该电磁阀 3 所需测量的测量头全部注水完毕后 待所有测量