AGI自动化监测系统应用实例

1、为 什 么 要 搞 自 动 化 监 测 美国 AGI 公司自动化监测系统应用实例 EG-04-03-V01欧美大地仪器设备中国有限公司 EARTH PRODUCTS CHINA LIMITED(EPC 为什么要搞自动化监测Jeff N. Schuyler, 美国 AGI 公司副总裁,是一位在岩体力学和地质工程领域具有 15年丰富 经验的工程地质学家,他直接领导有关滑坡、石油开采、地下水开采以及桥梁、大坝、隧道特 性等多种研究。同时, Jeff N. Schuyler 还在仪器安装、项目监测、资料整理、数值分析等方 面有着广泛的经验。他做为 AGI 公司的副总裁,主要负责有关本公司业已建立起来的

2、有关倾斜 计和自动监测系统的技术服务、技术支持。报纸、杂志以及贸易出版物到处都充斥着振奋人心的有关新技术来临的消息,它将会改变 人们的生活方式:INTERNET 彻底改变了我们的习惯,涵盖我们生活各个角落的大量信息在 人们之间免费自由交流;无线技术将我们从纷繁的电缆、各式各样的适配器以及插座中解放出 来;计算机在体积越来越小的背后其功能却不断增强。面对这一切,年轻的工程师和科学家无 法想象究竟应怎么评价并实际应用它们。对我们岩土工程师而言,新技术给我们带来的最大冲 击就是现场监测,尤其是自动化监测:各种传感器安装在现场,自动采集系统按照要求的采样 速率自动测读数据。传感器、数据采集系统以及数据

3、管理等方面的技术进展,已经扩展应用于 土木工程项目。本文用几个例子来说明自动监测的益处,如边坡监测、深基坑监测和桥梁监 测。这些例子都说明了要搞监测的三个主要原因:节省投资、保障安全作业、确保建筑施工安 全。1. 前言监测系统技术的进步,使大大小小的土木工程公司以及政府部门从中获益匪浅。如果项目 设计采用这样的监测系统,它会降低本项目因过于保守的设计而导致的投资浪费,不管是对在 建的新建筑物还是既有建筑物,监测都能提供稳定性预报,以便我们有足够的时间来解决所发 现的问题,从而保障建筑物的安全。同时,监测能确保在建建筑物的质量符合设计要求。2. 实例 1 拉古纳·尼格勒滑坡本项目提示我

4、们:简便易行的自动化监测系统可提供滑坡早期预报。2.1 项目概况1998年冬天一次灾难性的降雨引发了加利福利亚滑坡。在治理和清除滑坡过程中 ,设计 安装了几个自动化监测系统来监测边坡的稳定性。其中一个监测系统位于南加利福利亚拉古 纳·尼格勒滑坡附近的坡体顶部。在显现滑移之前,民宅贴近坡体悬崖边沿而建,而边坡一直 处于运动状态。鉴于居民人身安全是首要关心的事, 因此 有几户民宅被迫腾出来,用于实施 自动化监测方案,以期可即时提供边坡失稳的提前预报。2 In-P lace InclinometerS ignal CableAutomated Data AcquisitionS ystem

5、Hills lope ContourS lide limits图 1. 拉古纳 . 尼格勒滑坡监测仪器平面布置示意图2.2 自动化监测仪器为了监测这个滑坡,沿着坡体顶部直接浅埋安装了固定式测斜仪,沿民宅外围布置,如图 1。测斜仪测得结构单元以及安装点所在地表的转动,这种仪器特别适合于监测圆弧形滑移体 的位移变化。即时边坡滑移以平移为主,也会产生转动倾斜,我们仍然可以用常规的倾斜计或 测斜仪很容易探测到。如果边坡处于滑移运动过程,使用倾斜计能确定滑移的方向、圈定滑移 范围,而且在多数情况下还能揭示滑移的力学机制,比如滑动、蠕变、沉降等。如图 2。 在拉古纳 . 尼格勒滑坡中,测斜仪用于测试监测区

6、域内界于地面与房屋基础深度范围的近 地表的运动情况。所埋入测斜仪的灵敏度为 0.1mm/m,因此可以保证监测到其它测试手段难 以探测到的微小变化。3本滑坡安装时用手工螺旋钻成孔,将测斜仪置于孔中,再用砂回灌;电缆沿地面引到装有调制 解调器和自动拨号器的自动监测系统。监测系统设定阀值,予以启动自动拨号器通过 BP 机向 项目工程师通报。监测数据每分钟与阀值进行一次比较、并且采集系统每十五分钟进行一次数 据记录。2.3 监测结果根据安装和监测的情况,测斜仪资料显示出坡体处于滑动阶段,参见图 2。悬崖区域内则 没有滑动。悬崖向上坡方向倾转,与滑动体方向相反。滑坡体起初呈匀速运动持续 10天以 上,在

7、随后的 7到 10天内,有几只测斜仪显示出缓慢的加速运动,而在 3月 15日,也就是 开始进行监测 20天后,有部分测斜仪显示出运动速率明显增加。slow change in raterapid change in rate图 3.坡体顶部 4只测斜仪数据随时间变化曲线2.4 破坏该斜坡于 1998年 3月 19日凌晨 2点突然滑动破坏,如图 4。位于滑体顶部的两间民宅被 毁,并随滑体下滑。其它三间民宅有部分保留下来悬于坡顶。 3月 20日,悬于坡顶的其中一 间也被毁。滑移搬运的物资是坡体成分构成的,滑坡体坡脚处分化成五部分。2.5 早期预报自动拨号器大约在 3月 17日凌晨 4点被激活,滑移

8、速率明显增大,从而坡顶临近的多处 民宅被搬迁,其中两间在安装自动化系统时就已经搬走。在滑移加速后 4天,也就是报警触发 后 2天,坡体发生了灾难性的破坏。用固定式测斜仪监测地表移动,可以对灾难性滑坡提前 4天进行预报。用这种高灵敏度仪 器监测比用肉眼观察能发现很微小的位移;测试仪器连续观测获取的数据可以提供有关地表下 滑移特性的重要信息,从而有助于工程师和地学家判断坡体破坏的开端。4 图 4 拉古纳 . 尼格勒滑坡红外影像视图3. 实例 2 阿勒美达通道本项目说明:能为保守设计节省数百万美元造价、而且工程质量能得到保障的根本因素是 监测。3.1 项目概况阿拉美达通道是 1999至 2000年洛

9、杉矶市最大的公共建设工程,它连接洛杉矶港和长滩与 洛杉矶市中心附近的洲际铁路货物中心。该通道长 10英里,由 33英尺深和 51英尺宽的开挖 沟组成 , 用于铺设双轨铁路和一条便道。通道侧墙稳定性数学模型由 URS 公司的 Dames and Moore 分公司建立, URS公司的设计工程师沃尔夫岗在一篇文章中这样叙述到:“通道侧墙由 直径为 3英尺、中心距离 4英尺的钢筋砼灌注桩组成,内侧喷射素砼。由于灌注桩数量很大, 因此桩长是影响投资成本的主要因素。为避免设计桩长过于保守,设计采用了土体结构协同 作用模型而不是用传统的极限平衡分析。如果用极限平衡分析则桩长将增加约 8英尺。仅这一 项节约

10、投资达几百万美元。3.2 自动化监测仪器为安全防范于不可预见的土体条件,侧墙稳定性采用固定式测斜仪连接到自动采集报警系 统 (RAS实时监测,本系统部件设计精良、可靠、精确、费用不高、易于安装和使用。监测系 统按 1分钟时间间隔测试桩端位移,并与软件中设置的报警阀值进行比较。另外针对安装期间 24小时内位移达到 0.2英寸的情况,提供了预备的意外事件方案。3.2.1 固定式测斜仪数值模型分析结果显示,剪切区处在桩尖下 5英尺之下。鉴于对破坏机制的这种分析,对 每根被监测的桩仅用了一个固定式测斜仪,如图 5所示。其做法是将固定式测斜仪安置在测斜 管里,测斜管深度达到桩尖以下 5英尺。一个模拟空探

11、头安置在桩尖处,以便做为倾转测试的 参考。这 5英尺长的倾转测试段由玻璃纤维杆、固定式测斜仪探头、通用枢轴组成。固定式测5斜仪是 AGI 制造的双向探头,带弹簧的滑轮组连接于底端通用枢轴上,在带槽的测斜管中起 导向作用。底端悬挂的重物质量块使整套组件处于拉紧状态。这样,桩尖以下 5英尺测段的相 对运动就能连续监测到,精度优于 +/- 0.01英寸。图 5 监测桩尖位移的固定式测斜仪的安装详图3.2.2 系统配置图 6示意 2000英尺处的测试断面,固定式测斜仪安装在通道两侧的灌注桩里。为减少固 定式测斜仪探头数量以及电缆长度,探头安装在底板已经处理好的开挖前端位置。可重复用于 开挖过程的测斜仪

12、探头,要求安装组件牢固而容易移动,翼片要尽可能短,电缆要有保护,特 别是在跨越开挖面的地方。所以,曾考虑采用无线系统,但无线系统会增加电力消耗,由此会 缩短电池工作时间。最终每个传感器的电缆都沿着同一侧墙布置而达到多路转换器或者自动采 集系统。这样,在多路转换器与自动采集系统之间就只有一条电缆跨越开挖面。CBDEG IFH J2000?long excavation from south to northA RAS Mx Recording and alarm station:Consists of AGI Model 796, 797,batteries, solar panel, spre

13、ad-spectrumradio and cellular phone in a steel enclosure.Multiplexer: consists of AGI Model 797with independent power supply (batteryin a steel enclosure.Monitored pile with IPILEGENDR A SM xR A SM xRAS and Mx moved duringcourse ofexcavationPLAN VIEW 图 6 阿拉美达通道 2000英尺处测试断面的仪器布置3.2.3 自动采集报警系统自动采集报警系统

14、的功能:1. 采 集数据,并将原始模拟量数据转换成工程单位物理量。2. 测 试数据与报警阀值进行比较,出现超限数据即做出报警响应。3. 储 存测试数据,供后续处理用。自动采集报警系统通过无线电和蜂窝电话支持实时遥测。并且,整个系统由太阳能电池供电。 这意味着还要紧密监控无线电和蜂窝电话以储备电能 - 因为他们消耗电力比较多。自动采集 报警系统包括一个 CR10X 处理单元,由固化程序控制基本功能,比如监测电量。3.3 实时监测在监测初期采用的是无线电遥测进行桩基实时监测,读数间隔每分钟一次,通过无线电发 送到附近的测站计算机,并将数据图形化显示出来。项目技术人员就能即时获取桩尖位移曲 线,如图

15、 7所示。采用实时监测是在开挖起初的 10来天,也就是直到桩尖位移变化在达到可 以接受的范围之前。在实时监测结束后,系统改用为蜂窝电话进行遥测。进入本阶段后自动采 集报警系统无人值守,它独立地对桩尖位移进行监测并将超限情况通报给承包商。 图 7 桩尖位移实时监测曲线所采用的超限报警阀值有两个:第一个设定是报警值为 0.1英寸,第二个设定值是启动报 警为 0.2英寸。每天 24小时连续超限报警监测是 RAS 系统的主要事项,它是由蜂窝电话和自 动拨号器实现的。发生报警事件,蜂窝电话即被开启,并触发自动拨号器,从而呼叫项目设计 人员。在报警模式下,蜂窝电话持续 1小时处于开机状态,以便进行报警验证

16、和数据下载。在 关闭报警后报警起点自动重置于下一个基准。这主要是节省电力,同时保证无需人工交互干涉 而正常激发下一个报警。3.4 网上数据报告另一个要求是需要周期性的数据报告。为节省人力,基于 Internet 的数据报告系统有两种 方式,一种是直接使用每小时更新的数据库并通过密码储存到指定的 IP 地址处。使用 AGI 开发的 TBASE II 软件自动进行下载以及传输。网络主机拨叫 RAS 自动采集报警系统,新数据 就加入原有的数据库文件里。随后这个数据库传输给指定的 IP 地址以便授权技术员可以随时 随地几乎是实时地用 TBASE II进行分析和作图,参见图 8。 图 8 TBASE I

17、I 时间序列分析第二种方式是用 HTML 格式准备并创建集所有传感器的 Web 日志概要报告。这些报告用 TBASE II 和 Excel 手工创建,准备时间每天用不到 10分钟。要查阅概要报告,需具备 Web 浏览器、用户 ID 和密码,见图 9。 图 9 Web 数据报告这两种方式的 Internet 数据报告允许项目管理员分层次访问来监测桩的特性。对实时数据 更新感兴趣的,可以用 TBASE II而获得每小时的情况,这层比较严格,要具备软件使用权。 而 Web 形式的报告任何人都可以用 Web 浏览器通过 Internet 进行查看。这些报告实现了监测 项目日报告要求,在项目主要技术人员

18、中得到推广。4. 实例 3 劳雷尔街大桥本项目说明灵敏的自动化监测可区分桥梁变形是自然条件还是施工诱导而产生的。实时监 测可以考虑常规位移变化模型,从而建立基本特征。模型特征与实测特征出现差异即报警,施 工诱导变化几乎即时得以通报,施工过程得以顺利进行。4.1项目概况1999年 6月, Hayward Baker完成了加州圣克鲁兹市劳雷尔街大桥基础加密灌浆施工。在 经过 1989年 Loma Prieta地震之后,这项工作是加州很多桥梁工程整个防震计划的一部分 。劳 雷尔街大桥是现浇钢筋砼结构,横跨圣克鲁兹市附近的 San Lorenzo 河,跨度大约 350英尺, 桩基础。中跨大约 150英

19、尺,两侧跨各为 100英尺。4.2 自动化监测本项目要求每个灌浆阶段桥墩的容许竖向位移为 0.1英寸。经验方法是选用分辨率至少比 容许位移小 20倍的传感器。高分变率倾斜计就是少有的几种传感器之一,分辨率可达 1秒。所 选的倾斜计是 AGI 生产的 800型和 711型,这种倾斜计的分辨率在 0.25到 0.5秒之间 - 也就是说 比容许位移小 50100倍。要将倾角转换成位移量,需要通过倾角测试参考区段的长度来换算。刚性结构可以用一个 很简单的方法计算出位移。用倾斜计测试桥板中心轴的倾转角度的方法来测得桥墩之间桥板的 竖向位移。假设端部桥墩为固定支点,桥面下桥柱是刚性的 (图 10 。沿整个

20、单跨长度发生倾转 角度为 ,由倾斜计测得,则竖向位移 h=(L(sin 。 AbutmentPier图 10 用倾斜计测试竖向位移的计算模型用 CR10X 采集系统连续监测着倾斜计,设定报警阀值,位移超限则驱动闪光灯。六只倾 斜计其中四只安装在支撑桥柱与桥板结合处以便即时发现桥板的位移变化。其中两只分别安装 在两侧跨的中间部位,如图 11所示,监测桥板的高程变化。 图 11 劳雷尔街大桥剖面和倾斜计布置示意图4.3 结果图 12显示安装于东侧的 21号倾斜计在进行东侧灌浆阶段的观测结果。倾斜计显示了与桥 板上四个竖向位移观测点在 60余天监测期间良好的相关性,而倾斜计测试位移的精度达到 0.0

21、2英寸。与常规手段相比,倾斜计的精度高于 10倍。本方法最具实际意义的是能实时监测桥梁的 位移。 1-Jun1-Jul 1-AugDateH e a v e (i n c h e s 图 12 用高分辨率倾斜计和常规监测仪器对东侧桥板的监测结果4.4 实时监测模型 倾斜计监测结果显示出正弦曲线特征，这是因为在昼夜之间温度循环变化桥梁热胀冷缩所 致。基本特征监测开始之后，发觉桥梁每天的位移接近容许位移值。区分常规位移和加密灌浆 而诱导发生的位移是一项最具挑战性的工作。 在本例中，选择简单的正弦函数模型分析桥梁每日的位移变化，其中包括调整波形振幅、 相位和对称性的参数。这就相对容易编制采集系统计划

22、对灌浆诱导位移作出警报响应，如图 13。为说明日变化特性-比如因基础灌浆刚度增强而引起的，周期性调整这些参数是很有必 要的。当模型分析与实测数据之差超过0.1英寸时，专门编写的程序会激发闪光灯进行提示。 闪光信号提示灌浆操作人员现阶段可以停止注浆泵。五分钟之后，程序关闭闪光灯，报警阀值 重新初始化以适应倾斜计目前的读数。 Tiltm eter N o. 22 0.3 Tiltm eter Model Total H eave (inches 0.2 A larm is triggered and resets w hen differ ence betw een model and actua

23、l measurem ent is 0.1 inch. 0.1 0 15-A ug 16- Aug 17-Aug 18-A ug 19-Aug Date 图 13 触发警报的模型分析与实测数据之差 5. 自动化监测的优点 自动化监测系统允许以任意间隔采样-典型间隔可以是按分钟、小时或者按天。测试精 度得以提高，数据可以远程处理，从而向项目组提供有用信息。当然，还有其它益处包括： 避免人工读数和记录引起的人为误差。 可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。 每天可进行 24 小时连续监测。 可以准确记录失事事件时间，使之与外部因素相关联，比如降雨、地震、人工建造活动。 连续监测能快速检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。 自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在超出预定极限值时自动报 警。 很多工程师认为自动化监测是“黑箱”，可见的查验以及宝贵的经验都被冷冰冰的电路板 和继电器将所存在的问题通过警报而取代了。事实上，自动化连续监测所获得的数据能向工程 师提供被监测结构很多肉眼不易察觉的新的特征信息。它们拓展了工程师的视野， 对结构响 应有深入的理解。不仅如此，应用自动化监测系统，结合先进分析工具，工程师能享受到这些 廉价的新技术优势，而不用牺牲建筑物的安全。 11 欧美大地仪器设备中国有限公司 EARTH PRO