关于高精度在线监测预警设备在洪泽湖大堤周桥大塘老石工墙倾斜安全监测中的应用研究

张 杰 章成伟 付雨晨

(1.江苏省洪泽湖水利工程管理处,江苏 淮安 223100;2.江苏省灌溉总渠管理处,江苏 淮安 223200)

1 工程概况

周桥大塘位于洪泽湖大堤45+050～45+550段堤后,是国家重点文物保护单位,已列入世界文化遗产名录。周桥大塘形成于清道光四年(1824年),内堤长737m,顶宽33m,用条石外砌石工墙,石工墙采用俯式重力式挡土结构,内衬大青砖,后填三合土,外部的条石每砌筑一层,向堤身内收1～2cm,使墙体重心向内堤倾斜,倾斜度约8.5°。石工墙断面见图1。

图1 石工墙断面

限于当时工程设计、施工水平及外部条件发生改变,其结构稳定性达不到现行技术规范要求,1950年和2005年曾部分倒塌,后修复。

2018年,江苏省洪泽湖堤防管理所(以下简称“管理所”)巡查发现,周桥大塘石工墙有3处墙面开裂,墙体鼓肚、前倾,存在坍塌风险。周桥大塘倾斜石工墙现状见图2。

2 监测方案对比分析

发现问题后,管理所随即对问题部位进行了应急处理,根据江苏省地方标准《水利工程观测规程》(DB32/T 1713—2011),设位移监测点7个,采用3种方法对石工墙倾斜量进行观测。

一是采用吊线锤法(观测精度为1mm),锤球系于带刻度的标尺一端,将锤球置于问题石工墙顶测点外口,使锤球自然垂直落下,与石工墙脚测点重合,量测顶部标尺刻度,以此计算墙顶倾斜位移量,每周观测一次,比测位移量变化情况,据此反映石工墙变化。但在实际操作中,锤球易受外力因素干扰,观测精度较低,不能准确反映石工墙位移变化情况。

二是采用全站仪点坐标观测法(观测精度为1mm),每周观测一次,经多次比测后发现,监测点坐标前后两次观测差值较大,约1cm,观测精度较低,不能准确反映位移量的变化。

三是采用普通测距法(观测精度为1mm),在每个监测点后3～4m处埋设一个工作基点,用钢卷尺量测工作基点与监测点之间的直线距离,每周观测一次,比测距离变化,据此反映石工墙位移变化情况。经近6个月观测数据处理分析,7个监测点累计位移量均不超过3mm,观测精度较吊线锤法、全站仪点坐标观测法有所提高,但仍不能满足观测精度要求。

2020年7月,管理所组织人员对测距法及测量设备进行改进提升,经过技术筛选、论证,利用高精度的激光测距仪(观测精度为0.1mm)对周桥大塘石工墙倾斜进行观测。管理所在最严重段(长44.5m,高6m,面积267m2,石工墙顶向内堤倾斜0.06m,倾斜度约0.6°)安装了一种安全监测设备——高精度激光测距仪,实时观测与监测点间距离,密切关注该段石工墙变化情况。

3 主要方案、技术措施

3.1 方案及优点

高精度激光测距仪是一款非接触式测量仪器,有很强的抗干扰能力,安装、维护、使用非常方便。它采用低功率、小盲区专用激光镜头,测量范围大、测量精度高[1]。可选择观测频次为1/次min～1次/24h,量程为0.05～50m,测量精度为0.1mm[2]。整套设备由激光测距仪、数据采集模块(RTU)、无线传输设备(GPRS)及传输线、电源线组成。

3.2 技术措施

激光测距仪是利用激光测距技术原理来进行距离测量的,将一束激光从激光传感器发射出来,经反射面反射回到传感器中,测量对比两束激光的相位差,通过计算得到两点相对距离[3]。观测数据通过RTU设备自动采集,再通过GPRS实时传输,可在观测软件上随时查看。同时,后台人员可设置数据报警阈值,当观测数据高于最大值或低于最小值时,可通过服务器发送报警短信至预定手机上[4]。

4 应用案例与实施效果

4.1 应用案例

将上述设备应用在洪泽湖大堤周桥大塘石工墙倾斜安全监测中,通过两个固定点间相对位移的变化情况进行观测[5],在石工墙顶浇筑0.4m×0.4m×0.8m平台作为观测点,同时也作为激光测距仪激光反射面,在距离观测点东侧约10m处浇筑0.4m×0.4m×0.5m基础作为激光测距仪固定观测平台,用螺丝将测距仪固定在该平台上,假定该平台稳定,不发生位移变化[6]。激光发射点前接PVC管作为激光传输通道,经调试后确保激光束无障碍投影至观测反射面。设备布置断面见图3,现场布置见图4,观测点见图5。

图3 设备布置示意图

图4 现场布置

图5 观测点

设备观测频次设置为每半小时测量、传输一次。激光测距仪与观测点距离始测值为10.1199m,由于激光测距仪观测精度受光强、环境温度影响,抽选连续5天的观测数据进行分析,以确定一天中最优观测时段[7]。7月21—25日数据见表1。

表1 7月21—25日数据 单位:m

根据表1数据,绘制数据过程线,见图6。

图6 7月21—25日数据过程线

选取7月21—25日中每日5—19时数据进行分析,并绘制数据过程线,见图7。

图7 7月21—25日5时至19时数据过程线

选取气温变化小且无降雨的7天数据进行计算,选取时间段为每日19时至次日5时,数据去掉最大值和最小值后取平均值,分析总体变化趋势[8]。7月21—27日19时至次日5时数据平均值见表2。

表2 7月21—27日19时至次日5时数据平均值

根据表3数据,绘制数据过程线。7月21—27日19时至次日5时数据平均值过程线见图8。

图8 7月21—27日19时至次日5时数据平均值过程线

分析过程线可得出结论:每日19时至次日5时数据较为稳定。每日5——19时数据波动较大,因为该时段温度较高,影响激光反射接收值,导致测量结果产生误差。观测数据总体变化稳定、可靠[9]。

4.2 实施效果

在观测期间,经历了暴雨、高温、大风等天气影响,剔除了高温时间段对观测有影响的数据,选取较为稳定的夜间数据进行分析[10],监测数据总体变化较为稳定,可以为石工墙的安全监测提供数据支撑。

5 结 论

5.1 创新点

此项创新,减少了恶劣天气对观测的影响,提高了观测精度和稳定性,为险工险段的高精度观测提供了新思路、新方法;还可以实现实时监测且超过设定的阈值时能够及时报警,能够全天候不间断地对问题石工墙进行精准监测。

5.2 先进性

高精度激光测距仪与传统的吊线锤测量、全站仪测量等观测方法相比:一是精度大大提高,可实现0.1mm级的数据观测,更为精准地反映出老石工墙的位移变化趋势。二是与人工观测相比,实现了问题石工墙的实时监测和预警报警机制。观测数据通过GPRS实时传输,可随时查看。设定最大阈值为10.1229m,最小阈值为10.1169m,当观测值超过阈值范围时,观测设备实时发布报警信息,通过短信方式传输至相关责任人手机。该预警报警机制,为第一时间抢险节约了宝贵时间,意义重大,大大提高了工程精细化管理水平。