基于多源数据融合监测预应力钢筒混凝土管沉降错动的装置及监测方法与流程

本发明涉及基于多源数据融合监测预应力钢筒混凝土管沉降错动的装置及监测方法，属于管道监测领域。

背景技术：

1、预应力钢筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe，简称pccp)是一种复合多用途管材，目前已广泛应用于各种长距离引水工程的建设中。传统的pccp结构可分为内衬式和埋置式。内衬式pccp是由钢筒和混凝土内衬共同组成管芯，并在钢筒外侧缠绕环向预应力钢丝，然后制作水泥砂浆保护层。埋置式pccp是由钢筒和钢筒内外两侧的混凝土层共同组成管芯，并在芯混凝土外侧缠绕预应力钢丝，然后制作水泥砂浆保护层。预应力钢丝可对管芯的混凝土产生均匀的初始预压力，从而使得管道能够抵抗由内水压产生的拉应力。相邻pccp管道之间通过承插形式接头进行拼接，并采用柔性砂浆对接头进行回填灌浆。因此pccp管道接头具有一定柔性，可适应一定程度的地基不均匀沉降及变形。

2、相关研究表明，竖向荷载作用下，承插式供水管道接口的破损过程一般表现为：管道接口首先在竖向荷载作用下产生一定的竖向变形和弯曲转角。若接口密封圈不能满足竖向变形和弯曲转角的要求，将出现管道接口渗漏。随着竖向变形的不断增大，管道接口的渗漏将变为泄漏。若管道泄漏检测不及时，泄漏出的水流将不断冲刷管道下方的土体，使得管道下方形成空洞。此时，管道及其接口部分将成为一根简支梁，造成接口破损，甚至导致爆管和地面塌陷等重大事故发生。

3、保障pccp管道的安全运行，实时掌握管道接头产生的相对沉降错动数值，对于pccp管道结构健康状态的实时诊测和评估将具有十分重要的意义。因此，当前亟需考虑对传统pccp结构进行优化设计，使其具有能够判别管道接头相对沉降错动的优越性能。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多源数据融合监测预应力钢筒混凝土管沉降错动的装置及监测方法，通过充分利用管道截面中部的静力水准仪及管道接头的位移计数据，基于数据融合算法对管道相对沉降错动值进行判别。本方法求解过程所考虑的数据更为全面，计算结果更为合理。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于多源数据融合监测预应力钢筒混凝土管沉降错动的装置，包括安装在管道中部截面的管顶上侧的静力水准仪和布置在管道承插口截面的位移计，在所述静力水准仪上设置有防护件，所述防护件包含上侧防护罩、中心压杆、四根弹簧、下侧防护盒和压板，所述静力水准仪安装在下侧防护盒中，所述下侧防护盒固定安装在混凝土管上，在下侧防护盒的顶部设有通孔，在静力水准仪的上表面安装有压板，中心压杆穿过下侧防护盒的顶部通孔与压板相连，在下侧防护盒上方固定安装有上侧防护罩，四根弹簧位于上侧防护罩内，通过四根弹簧的拉力，压住中心压杆，将压板紧贴静力水准仪；所述位移计固定在插口端位移计固定件中，位移计固定件包含第一夹持块、第二夹持块、底座、连接转轴及螺栓。底座预留有用于和埋置在管芯混凝土中螺栓连接件连接的螺栓孔，并通过转轴与第一夹持块和第二夹持块连接，第一夹持块和第二夹持块用于夹持位移计，位移计的另一端与l型挡板接触，l型挡板安装在承口端上；所述位移计固定件及l型挡板外侧需安装位移计柔性防护装置，该装置包含第一内侧防护层、第二内侧防护、外侧防护壳、第一连接弹簧、第二连接弹簧和第三连接弹簧。在管道承口端和插口端分别固定安装第一内侧防护层和第二内侧防护层，第一内侧防护层和第二内侧防护层外设有外侧防护壳，外侧防护壳与第一内侧防护层和第二内侧防护层之间分别设有第一连接弹簧和第二连接弹簧，第一内侧防护层和第二内侧防护层之间通过第三连接弹簧连接，在第一内侧防护层和第二内侧防护层下方设有用于和管芯混凝土连接的螺栓孔洞。

3、作为优选，直径3m及以上的管道在承插口截面布置七个位移计，直径2～3m的管道在承插口截面布置五个位移计，直径小于2m的管道在承插口截面布置四个位移计，管道下侧至少布置有两个位移计，且不能布置在管底位置。高精度静力水准仪布置在管道中部截面的管顶上侧，通常每节管道布置一个。高精度位移计布置在管道承插口截面。

4、作为优选，所述预应力钢筒混凝土管通过以下步骤制备：

5、s1、制作用于连接管道接头的承口钢圈、插口钢圈及钢筒，并将承口钢圈和插口钢圈焊接至钢筒两端；

6、s2、分别制作螺栓连接件、静力水准仪防护件、位移计固定件、位移计l型挡板以及位移计柔性防护装置。这几类装置应采用具有防水、防潮、防腐蚀等功能的材料制成，能够保证传感器在规定使用年限内正常工作；

7、s3、将螺栓连接件埋置在模板中需要安装静力水准仪及位移计的指定部位，浇筑管芯混凝土；

8、s4、将养护完毕的管芯立于旋转台上，缠绕预应力钢丝；

9、s5、辊射砂浆保护层；

10、s6、辊射环氧煤沥青防腐涂层。

11、一种上述的基于多源数据融合监测预应力钢筒混凝土管沉降错动的装置的监测方法，包括以下步骤：

12、(a)把管道吊装至现场安装定位，将静力水准仪安装至指定位置后，在静力水准仪外侧安装静力水准仪防护件，采用固定螺栓将静力水准仪防护件固定，在管道承口端和插口端分别安装位移计的l型挡板以及位移计固定件，安装完成后将位移计固定在位移计固定件中并拧紧螺栓，随后再安装位移计柔性防护装置；

13、(b)将实际的接头沉降错动值分解为四个位移分量：水平偏转θ、竖向偏转φ及轴向平移δz和竖向平移δy；

14、(c)依据静力水准仪及位移计布置的位置和数量，利用刚体位移等相关理论，分别推导出四个位移分量单独作用下造成静力水准仪和位移计读数的变化数值；

15、(d)考虑四个位移分量的联合作用，依据叠加原理，计算出每个传感器所在位置的理论读数，建立如下数学模型，求解管道发生的相对沉降错动数值：

16、

17、式中，为该处传感器读数的理论值，mi为实际监测值，n为传感器的数量，实际监测中传感器读数的理论值与监测值往往存在一定偏差，在此综合考虑所有传感器的影响，建立上述优化模型，求解出满足所有传感器的理论值与监测值偏差最小的沉降错动数值，得出对应的水平偏转θ、竖向偏转及轴向平移δz和竖向平移δy值，根据θ、δz、δy值与手册上的阈值比较，判断预应力钢筒混凝土管沉降是否安全。

18、有益效果：本发明相比现有技术，具有以下优点：

19、(1)本发明提供的一种基于多源数据融合监测沉降错动的新型pccp管及其制造方法，通过设计相应的传感器防护件、固定件对静力水准、位移计等传感器实施固定和防护，该方式相比于直接在管道外壁粘贴传感器的方式更为牢固可靠，且外接传感器防护件、固定件等均采用具有防水、防潮、防腐蚀等功能的材料制成，可最大限度保证传感器在规定使用年限内正常工作。

20、(2)本发明提供的一种基于多源数据融合监测沉降错动的新型pccp管及其制造方法，工艺简便，仅需在传统pccp结构生产线上再增加相应的传感器防护件、固定件的生产及安装步骤即可，并不对已有的pccp生产线造成太大影响。

21、(3)本发明提供的一种基于多源数据融合监测沉降错动的新型pccp管及其制造方法，对管道接头布设的位移计采用的是柔性防护装置，相比于传统的刚性防护装置，该柔性防护装置既可使得位移计读数不受外部土体的干扰，又可保证管道接头在安装位移计后保留原有的接头特性，能够自由适应地基不均匀沉降及变形。

22、(4)本发明提供的一种基于多源数据融合监测沉降错动的新型pccp管及其制造方法，通过充分利用管道截面中部的静力水准仪及管道接头的位移计数据，基于数据融合算法对管道相对沉降错动值进行判别，计算结果更为合理。