测线式沉降监测及预警系统设计

通商品住宅售价的上涨，解决房价上涨速度过快的问题。实际证 不下的地价和低于成本的政策房价格，必然会导致开发商拼命挖
明 2013 年 ～ 2014 年期间北京市房产确实出现了成交量下滑以及 掘商品房利润，极力压缩自住型商品房的建造成本，以平衡收益，
较平稳的降价。上半年新房成交金额和成交套数比去年同期下跌 保障利润空间。例如朝阳区东坝南区地块，经过竞地价和竞配自
商品住房建设的意见》文件中提出： 供地区位应按照“全市统筹、 交通和环境的影响，抛弃惯常的价值体系和规划手法，形成新的开
区域均衡”的原则，优先安排在交通便捷、功能完善、公共服务设施 发模式，比如： 最大限度的压缩政策房的占地和资源，将有限的普
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山西建筑
SHANXI AＲCHITECTUＲE
Vol． 40 No． 35
Dec． 2014 ·223·
文章编号： 1009-6825（ 2014） 35-0223-03
测线式沉降监测及预警系统设计
张军荣1 周 丹2
（ 1． 国网电力科学研究院 / 南瑞集团公司，江苏 南京 211100； 2． 南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029）
文献标识码： A
时刻的险情预警。在 汛 期 高 水 位 或 暴 雨 时 刻，如 发 生 异 常 情 况， 系统即刻发出险情报警。管理单位便可根据险情信息采取降低 水位的措施，或采取加固措施，确保建筑物的安全，从而减少社会 财产损失和保护人民生命的安全。为了解决该超长范围监测技 术方案，达到以上 三 个 方 面 的 目 的，并 考 虑 该 类 变 形 监 测 的 精 度 级别要求并不高（ 1 mm 的精度已完全满足监测需要） ，对绝对位 移值的要求一般 等 情 况，结 合 建 筑 物 自 身 的 特 点 后，设 计 了 测 线 式沉降监测及预警系统。
0 引言
我国各类工程的建设兴旺发展，建筑物的沉降监测方法发展 呈现多样化，如人工水准测量广泛应用于混凝土大坝、桥梁、隧道 等工程的各种沉降变形监测； 静力水准自动化测量系统主要应用 于变形量较小，测量频次要求高的大坝、隧道等建筑物； 水管式沉 降仪、液压式沉降 仪、电 磁 沉 降 仪 等 主 要 应 用 于 变 形 量 较 大 的 大 型土石坝坝体内 部 的 沉 降 测 量。但 是，目 前 对 于 渠 道 堤 坝、边 坡 和防洪护坡的沉降变形至今未出现一种经济可靠的自动化测量 方法。主要原因是受渠道自身结构特点的限制。
摘 要： 从新型沉降监测和预警系统设计理念出发，对渠道堤坝、边坡和防洪护坡的监测目的进行了论述，并详细分析了测线式沉
降监测及预警系统的设计内容及其特点，指出该类测量系统可应用于低矮跨度沉降分布监测，具有广阔的应用前景。
关键词： 沉降监测，预警系统，安全监测，低矮跨度
中图分类号： TU433 DOI:10.13719/14-1279/tu.2014.35.122
等情况，并为建筑物的养护和修缮提供指导意见。3） 汛期或暴雨 3． 3 数据采集设计
收稿日期： 2014-09-24 作者简介： 张军荣（ 1982- ） ，男，工程师； 周 丹（ 1982- ） ，女，工程师
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山西建筑
基准线 钢丝绳
A
测点
B
H 2/3H
D
整体分析和修正，沉降位移测量的精度可以达到 0． 1 mm，按照建筑 物最大沉降超过 100 mm 计算，其测量精度高度达 0． 1% F / s。
无线
视频监控联动
广播终端
C 图 3 位移传递示意图
测线式沉降监测系统的原理主要是观测测点与测线之间的 距离变化，载体为 不 锈 钢 绳，选 择 高 精 度 大 量 程 电 位 器 式 位 移 计 为位移的度量设备。电位器式位移计可采用五线制输出，确保长 距离传输，信号稳定可靠。图 4 为数据采集装置和位移传递装置 的衔接示意图。
4 系统精度分析
目前市场上的传感器较为先进，精度可达 0． 01 mm，完全可以 满足位移测量需要。测线式沉降监测系统的测量精度受多方面 影响，系统精度会有所限制。主要影响系统精度的因素有基准线 的稳定性（ ΔX1 ） ，钢丝绳穿出建筑物部位的水平位移量（ ΔX2 ） ，位 移传递载体钢丝绳的张紧度（ ΔX3 ） 。
1 条状土质建筑物监测现状
引水渠道往往距 离 很 远，因 此 堤 坝 或 边 坡 的 跨 度 很 长，暂 且 称之为条状土质建筑物。如图 1 所示，渠道的堤坝高度一般不超 过 20 m，傍山开挖的边坡有可能超过 50 m，甚至上百米。水渠的 长度往往是几千 米，几 十 千 米，甚 至 上 百 千 米。 每 千 米 的 范 围 内 都有可能出现重 大 险 情，因 此，监 测 的 范 围 很 广。 渠 道 出 现 险 情 主要是基础发生 渗 流 破 坏，如 管 涌 等 现 象，造 成 堤 坝 或 边 坡 发 生 严重变形，导致发生决堤或滑坡等险情［1］。
堤顶巡视道 堤坝 堤顶巡视道
水渠 底板
巡视道
山体
边坡
较为合适。大范围需求时可以根据情况分段监测。
B 张拉体
A
堤坝
堤坝或边坡体
D
灌浆预埋桩 或安装钢管
巡视道
水渠 边坡
山体
C 灌浆预埋桩 或安装钢管
图2
基准线设计示意图
图 1 一般渠道建筑物布置图 渠道或堤防的监测一般分为两种监测，全段预警性监测和易 发事故段重点监 测。过 去，渠 道 堤 坝、边 坡 和 防 洪 护 坡 的 变 形 监 测主要采取观测墩、水准测量、测斜仪（ 水平安装） 、单（ 多） 点位移 计等方法，往往投入巨大的人力和财力［2］，但效果不佳。
基准线 电位器式位移计
测角器
无线
变换器 数据 采集装置
太 阳 能 电位器 电位器
监视器
便携终端
Hale Waihona Puke 净化电源手机终端电位器 电位器 电位器
图 5 网络结构设计示意图
基准线 ΔX1
钢丝绳
变形后钢丝绳位置
钢丝绳
ΔX2 ΔX3
相对位移 Δ
测头 图 4 位移传递连接及数据采集装置示意图
当测点发生沉降 位 移 时，线 体 将 带 动 电 位 器 旋 转，位 移 计 就 能精确获得钢丝的伸长量。位移计内部采用圈簧设置，确保位移 自由伸长或收缩。如果钢绳穿出建筑物时周边没有点位限制装 置，则会导致传感 器 测 值 不 稳 定。因 此 在 出 口 埋 设 固 定 节 点，如 比钢绳稍粗的细 钢 管，钢 管 焊 接 叉 状 体，以 便 与 表 层 土 结 合 稳 定 牢固。如果采用不锈钢杆则不存在以上问题。由于出口处钢丝 绳水平位移被限 制，建 筑 物 发 生 变 形 后 将 发 生 一 定 的 转 角，可 根 据需要在转角处增加测角器，对位移进行修正。
住型商品房 面 积，被 保 利—首 开 联 合 体 以 21 亿 元 摘 得，溢 价 率 20% ，表面上看楼面地价为 22 452 元 / m2 。但该地块需配建不少 于 8 500 m2 的限价商品房，又竞配了 50 000 m2 的自住型商品房。 刨去自住房和限价房，实际普通商品房面积仅为 35 000 m2 ，折合 商品房楼面地价达到 37 000 元 / m2 。这时开发商容易不顾对周边
2 沉降监测及预警系统的设计初衷
3． 2 位移传递设计
如何获得堤坝或边坡土体的内部位移情况，是位移传递的关 键。土质建筑物表面一般比较松散不容易固定测点，并且表面受 干扰比较大。因此选择将测点埋设在建筑物内部。根据土体力 学以及相关研究资料表明，土体建筑最大沉降变形点一般位于建 筑物 2 /3 高度处，也可根据设计需要及地质条件埋设不同深度的测
3． 4 预警系统设计
要实现预警功能，系 统 必 须 实 现 自 动 化 测 量，通 过 计 算 机 对 位移的实时采集和分析判断，发出险情预警报告。可在各段设置 分布式数据采 集 站，将 各 传 感 器 通 过 电 缆 连 接 至 自 动 化 采 集 装 置。数据传输可采用有线或无线方式，系统供电可采用远距离供 电或太阳能板供电方式。报警方式可设置成计算机显示报警、广 播语音报警、网路报警（ EMAIL / 视频联动等） 和短信报警等。系 统结构如图 5 所示。
［J］． 大坝观测与土工测试，2000，24（ 5） ： 11-13． ［2］ 李 欣． 郑西高速湿陷黄土路基沉降监测及预警系统研究
［D］． 西安： 长安大学硕士学位论文，2012． （ 下转第 232 页）
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山西建筑
式来化解刚性需求。加大自住型商品房供应力度，能大幅对冲普 于自住型商品房的用地采用“限房价、竞地价”的方式出让，高起
3 系统的设计
测线式沉降监测及预警系统主要包括四方面的设计。基准 线的设计、位移传递设计、数据采集设计和预警系统设计。
3． 1 基准线的设计
基准线的设计是整个测量系统设计中最重要的部分。如图 2 所示，在堤坝或边坡上选取两个点，安装 A 和 B 两个固定点。AC 和 BD 为两根钢管桩或混凝土桩，可在灌浆施工时预埋或后期钻 孔安装。AB 之间安装一张拉体，大致平行于堤坝顶部。张拉体可 以选择 5 mm ～ 10 mm 不锈钢索，采用固定张力张紧，长度根据材 料的特性以及荷载情况确定，一般正常测量范围设计 10 m ～ 100 m
测头
图 6 系统精度分析示意图
5 系统特点
测线式沉降监测及预警系统初步解决了长距离范围的沉降 监测及自动化预警问题。可按每百米分段或分区域监测。有以 下特点：
1） 测量方法简单，监测范围覆盖全线，观测成果直观。 2） 系统基础设施建设成本低，传感器廉价。除自动化采集系 统及软件报警系统外（ 根据市场决定，对于任何测量方法，自动化 成本为固定成本） ，在主体建筑物施工前期做好基准线固定桩的 施工，那么后期的实施成本是很低的。 3） 监测全线堤坝或边坡的沉降分布情况，及时发现薄弱区段。 4） 根据异常报警信息，获得险情地点、事发地点距离，以及发 生险情的范围或决口大概宽度。 5） 分析历史数据获得建筑物运行情况，以及发展趋势，为决 策人员提供相关参考意见。 6） 为年度修缮工作提供日程安排参考意见。 7） 测线式沉降监测系统施工简单，便于推广，设备外置，易于 维护。