專利名稱：一種沉井傾斜測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維傾斜測(cè)量裝置，它用于沉井法施工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行傾斜度和
傾斜方向的監(jiān)測(cè)，是一種埋入被測(cè)物體的內(nèi)部進(jìn)行快速測(cè)量其整體傾斜的裝置和技術(shù)，因 此本發(fā)明還涉及利用該裝置測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)物傾斜變形的方法。
背景技術(shù)：
水利水電工程有時(shí)需要采用沉井的方法進(jìn)行臨時(shí)擋土墻的施工，其中沉井傾斜是 一個(gè)重要的影響沉井下沉施工的因素之一。準(zhǔn)確地了解沉井傾斜的角度和方向，是正確指 導(dǎo)沉井下沉施工的要素，特別是需要準(zhǔn)確計(jì)算井壁摩阻力的豎直分量時(shí)，必須取得沉井的 傾斜角度和方向。
目前工程上觀測(cè)沉井傾斜的方法一般有兩種 1)人工采用傾斜尺(或傾斜儀)測(cè)量井壁內(nèi)側(cè)的垂直傾斜角度，忽略傾斜方向偏 差的影響。顯然，這種方法是不夠準(zhǔn)確的，而且需要人員下到井下作業(yè)，費(fèi)工，費(fèi)時(shí)，安全性較差。 2)人工采用精密水準(zhǔn)法或電子水平尺測(cè)量井壁頂部在每一次下沉前后的水平傾 斜度。由于沉井是分段澆筑后依次下沉，只能在澆筑層頂面進(jìn)行該次下沉?xí)r的測(cè)量，為不同 位置的不連續(xù)測(cè)量，因此不能準(zhǔn)確的測(cè)量井體下部的垂直傾斜度。

發(fā)明內(nèi)容
為準(zhǔn)確測(cè)量沉井的傾斜角度和方向，本發(fā)明提供了一種新的沉井傾斜測(cè)量裝置， 同時(shí)本發(fā)明還提供了建立于該裝置上的測(cè)量和計(jì)算方法。 本發(fā)明提供的沉井傾斜測(cè)量裝置由環(huán)狀連通管、四根立管、安裝在立管中的水位 計(jì)構(gòu)成，立管的一端與大氣相通，水位計(jì)的電纜從立管口引出。 本發(fā)明還提供通過(guò)測(cè)量四根立管中液位的相對(duì)變化量計(jì)算沉井的傾斜度和傾斜 方向的方法，該方法包括如下步驟 1)將本發(fā)明提供的傾斜測(cè)量裝置安裝埋設(shè)在沉井四周井壁混凝土中，其4根連通 立管分別位于沉井的4角，在立管和環(huán)狀連通管中注入液體； 2)采用測(cè)量?jī)x表分別檢測(cè)出4個(gè)立管中水位計(jì)在井體傾斜前后的讀數(shù)，從而求得 4個(gè)立管中水位的相對(duì)變化量； 3)4個(gè)立管中液位的相對(duì)變化量即是沉井4個(gè)角的相對(duì)垂直變化量，再采用解析 幾何的有關(guān)計(jì)算方法求得沉井的傾斜角度和傾斜方向。 現(xiàn)代解析幾何的計(jì)算方法是多樣的，除了坐標(biāo)法還有向量法等，是本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員具備的常識(shí)，甚至可以采用立體幾何的方法來(lái)計(jì)算。本發(fā)明實(shí)施例中給出的方法是 先用平移變換得到相對(duì)于一個(gè)角點(diǎn)(設(shè)為傾斜計(jì)算的坐標(biāo)原點(diǎn))變化量，再利用空間向量 的夾角公式和方向角的推導(dǎo)公式計(jì)算出沉井的傾斜角度和傾斜方向。 —般來(lái)說(shuō)，沉井的截面是矩形的，因此，四根立管可以設(shè)置在沉井截面的四個(gè)角的位置。對(duì)于非矩形截面的沉井，也可以在其井壁中設(shè)置環(huán)狀連通水管，其4根立管構(gòu)成的平 面形狀為矩形即可。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在4個(gè)立管的上端各設(shè)一個(gè)彎頭向井壁內(nèi)側(cè)引出，使管內(nèi) 與大氣連通。 將液體介質(zhì)灌入上述立管中時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意使液體介質(zhì)處于合適的液位，避免在沉 井發(fā)生傾斜時(shí)液體從立管上端溢出，或者，另一個(gè)極端的情況是，使一側(cè)或一個(gè)立管中的液 面低于環(huán)狀管與立管的接口面。 沉井下沉施工的過(guò)程主要表現(xiàn)為靜態(tài)(沉井停止下沉施工)時(shí)沉井底口反力較 大，井壁摩阻力較小，此時(shí)沉井底口反力與井壁摩阻力之和等于沉井自重。沉井下沉施工 時(shí)，沉井底口反力迅速減小，井壁摩阻力逐漸增大到極大值，當(dāng)沉井底口反力與井壁摩阻力 之和小于沉井自重時(shí)，沉井開始下沉。如果井體產(chǎn)生了較大的傾斜，其井體的下沉將受到影 響，甚至不能靠自重下沉。 沉井傾斜監(jiān)測(cè)是在上述沉井下沉施工過(guò)程中進(jìn)行的，按需要進(jìn)行測(cè)試，為技術(shù)研 究、控制和指導(dǎo)沉井的下沉施工提供必要的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 在現(xiàn)有技術(shù)中，為了能夠快速進(jìn)行檢測(cè)提供了自動(dòng)化檢測(cè)單元設(shè)備。例如，在沉井 群施工中對(duì)沉井進(jìn)行了結(jié)構(gòu)施工下沉期觀測(cè)，其主要觀測(cè)項(xiàng)目有沉井底部(刃口 )反力、 井壁外側(cè)土壓力、井壁外側(cè)摩阻力、沉井結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)力、以及沉降施工過(guò)程中 沉井的整體傾斜等。自動(dòng)化檢測(cè)單元設(shè)備由計(jì)算機(jī)、分布式測(cè)量單元和網(wǎng)絡(luò)通信電纜組成， 可完成自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作、異常測(cè)值報(bào)警等工作。因此，本發(fā)明提供的沉井傾斜 測(cè)量裝置可與上述現(xiàn)有技術(shù)中的自動(dòng)化檢測(cè)單元設(shè)備匹配，嵌入到該單元設(shè)備中，將水位 計(jì)的電纜接入分布式測(cè)量單元，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化巡測(cè)。 本發(fā)明提供的三維傾斜測(cè)量裝置可以應(yīng)用于各種混凝土結(jié)構(gòu)、地面及基巖的三維 傾斜測(cè)量。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中傾斜測(cè)量裝置布置在沉井井壁內(nèi)的平面圖；
圖2是圖1中A-A向的剖面圖；
圖3是圖1中B-B向的剖面圖。 其中1-沉井，2_四周環(huán)狀連通水管，3_四角連通立管，4-立管頂部彎頭出口， 5-液體，6-水位計(jì)，7_電纜。
實(shí)施例 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的沉井傾斜快速測(cè)量裝置是一種用于沉井施工期
監(jiān)測(cè)其傾斜的測(cè)量系統(tǒng)，由矩型的環(huán)狀連通水管、四角立管、液體介質(zhì)、安裝在立管中的高
精度水位計(jì)構(gòu)成。在澆筑第一節(jié)沉井混凝土?xí)r，將矩型環(huán)狀連通水管2和四角立管3埋設(shè)
在沉井井壁中，4個(gè)立管的上端各設(shè)一個(gè)彎頭4向井壁內(nèi)側(cè)引出，使管內(nèi)與大氣連通。在4
個(gè)立管的底部各安裝1支高精度水位計(jì)6，其電纜7從立管頂部出口引至沉井頂部觀測(cè)站。
向環(huán)狀連通水管2和四角立管3內(nèi)注入液體介質(zhì)5，并控制液面在合適的高度。 實(shí)際上沉井下沉施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，高度49m的沉井，共分7次澆筑井體混凝土
4(每次澆筑7m高)并進(jìn)行一次下沉7m的施工，最終使49m高的井體頂部與地面平齊。通過(guò) 對(duì)布置在沉井結(jié)構(gòu)中各傳感器(包括布置在四角立管中的水位計(jì))的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以了解 和控制沉井的下沉施工，同時(shí)也為沉井設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)資料。 本發(fā)明提出的沉井傾斜快速測(cè)量裝置首次在向家壩水電站沉井施工中應(yīng)用，包括 傾斜測(cè)量裝置的制作、埋設(shè)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立、以及建立計(jì)算模型和數(shù)據(jù)分析等工 作，取得了成果資料。沉井截面尺寸23x17m(長(zhǎng)x寬)，矩型環(huán)狀連通水管19x13m(長(zhǎng)x寬)， 4角立管長(zhǎng)3m，具體的沉井傾斜監(jiān)測(cè)、傾角和方向的計(jì)算敘述如下 1)以矩形環(huán)狀連通水管所在的平面為xy平面，短邊為x軸，長(zhǎng)邊為y軸，井高方 向?yàn)閦軸，構(gòu)成三維坐標(biāo)體系，則4個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)分別為ai (0， 0， 0) ;a2 (13， 0， 0) ;a3 (13， 19， 0) ;a4(0，19，0)。 2)設(shè)沉井初始狀態(tài)為垂直，測(cè)得4個(gè)角點(diǎn)立管的液位分別為z/ ，z2' ，z3' ，z4'; 沉井下沉后產(chǎn)生了傾斜，測(cè)得4個(gè)角點(diǎn)立管的液位分別為z/' ，z2〃 ，z3〃 ，z4〃 ；得到4個(gè)角 點(diǎn)立管液位的變化量分別為AZl = Zl" -V ，Az2 = z2" _z2' ，Az3 = z3" -z3' ，Az4 = z4〃 _z4';再經(jīng)過(guò)平移變換得到21 = AZ「 AZl = 0，z2 = —(Az2—AZl)，z3 = —(Az3—AZl)， z4 = _( Az4_Az》。 3)因4個(gè)角點(diǎn)均在同一個(gè)平面內(nèi)，可以分別采用包含&的任意3個(gè)角點(diǎn)求得沉井 的傾斜角度和方向?，F(xiàn)以A、a2、 三個(gè)角點(diǎn)為例，采用向量法導(dǎo)出的計(jì)算公式如下 " =arccos(T^T化、2 , M2)(公式i) 〃 = arccos( ^ 、2 ,、2)(公式2) 其中 a -傾斜平面的法向量與Z軸正方向的夾角，即沉井傾斜角度。 |3 -傾斜平面的法向量在xy平面的投影與X軸的夾角，即沉井傾斜的方向角。 設(shè)X軸的正方向?yàn)檎龞|方向，則當(dāng)z2 < 0， z4 < O，傾斜方向?yàn)闁|偏北|3 ; 當(dāng)22>0，24<0，傾斜方向?yàn)槲髌眧3 ;當(dāng)22>0，24>0，傾斜方向?yàn)槲髌蟶3 ;
當(dāng)z2 < 0， z4 > O，傾斜方向?yàn)闁|偏南|3 。
a_角點(diǎn)ai至a2的長(zhǎng)度。
b_角點(diǎn)ai至a4的長(zhǎng)度。 4)沉井初始狀態(tài)時(shí)，測(cè)得4個(gè)角點(diǎn)立管的液位分別為Zl' =2m，z2' =2m，z3'= 2m， z4' = 2m ;沉井產(chǎn)生傾斜后測(cè)得4個(gè)角點(diǎn)立管的液位分別為z/' = 2. 3m， z2〃 = 2. lm， z3〃 = 1. 7m， z4〃 = 1. 9m ;4個(gè)角點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)平移變化后得到= 0m， z2 = 0. 2m， z3 = 0. 6m， z4 = 0. 4m，則沉井的傾斜角度和方向?yàn)?
a = arccos(O. 99966) " 1. 494°
P = arccos(O. 59002) " 53. 84° 所以，此時(shí)沉井傾斜角度為1.494° ，傾向西偏南53.84。。
權(quán)利要求
一種包括矩型環(huán)狀連通水管、四角立管、液體介質(zhì)、安裝在立管中的水位計(jì)構(gòu)成的沉井傾斜測(cè)量裝置，其特征在于矩型環(huán)狀連通水管與四角立管連通，且頂部開口與大氣連通，管內(nèi)裝入液體介質(zhì)，四角立管底部各安裝一支水位計(jì)。矩型環(huán)狀連通水管、四角立管和液體介質(zhì)為靜力平衡裝置，水位計(jì)為傾斜測(cè)量傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利l所述的沉井傾斜測(cè)量裝置，其特征在于矩型環(huán)狀連通水管和四角立管隨 同井壁混凝土澆筑水平埋設(shè)在沉井底部的井壁中，四個(gè)立管的上端各設(shè)一個(gè)彎頭向井壁內(nèi) 側(cè)引出，使管內(nèi)與大氣連通。
3. 根據(jù)權(quán)利1和2所述的沉井傾斜測(cè)量裝置，其特征在于將液體介質(zhì)灌入上述連通水 管中，使其處于合適的液位，并將水位計(jì)安裝固定在立管的底部。
4. 權(quán)利1至3所述沉井傾斜測(cè)量裝置對(duì)沉井傾斜角度和方向進(jìn)行測(cè)量的方法，包括如 下步驟1) 權(quán)利1至3所述沉井傾斜測(cè)量裝置水平埋設(shè)在沉井底部的井壁中，使立管內(nèi)液位為 合適的高度。2) 采用測(cè)量?jī)x表分別檢測(cè)出各立管中水位計(jì)在沉井傾斜前后的液位高度，求得各立管 中液位的變化量，再經(jīng)過(guò)平移變換得到相對(duì)于一個(gè)角點(diǎn)(設(shè)為傾斜計(jì)算的坐標(biāo)原點(diǎn))變化3) 采用解析幾何的計(jì)算方法確定沉井的傾斜角度和傾斜方向。
全文摘要
本發(fā)明提出的沉井傾斜測(cè)量裝置是一種用于沉井施工期快速監(jiān)測(cè)其傾斜的測(cè)量系統(tǒng)，主要由矩型的環(huán)狀連通水管、四角立管、液體介質(zhì)、安裝在立管中的高精度水位計(jì)構(gòu)成。將其安裝埋設(shè)在沉井井壁(四周)混凝土內(nèi)，通過(guò)監(jiān)測(cè)位于沉井四角立管中液體的相對(duì)液位及變化量，確定沉井下沉施工前后和過(guò)程中井體的傾斜，為沉井設(shè)計(jì)和沉井法施工研究，以及控制和指導(dǎo)沉井的下沉施工提供必要的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。沉井傾斜快速測(cè)量采用自動(dòng)化連續(xù)檢測(cè)方式，通過(guò)監(jiān)測(cè)位于沉井周邊四角立管的液位變化，自動(dòng)推算出沉井的傾斜角度和傾斜方向。
文檔編號(hào)E02D23/08GK101787712SQ20091022673
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者馮樹榮, 劉劍鳴, 文富勇 申請(qǐng)人:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院