CN109029349A - 基于gps定位的沉降监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于GPS定位的沉降监测装置及监测方法，其装置的特征在于，多个设置在混凝土底座上的静力水准仪，其中一个静力水准仪为基准点静力水准仪；所述基准点静力水准仪旁侧设置有静态GPS测量终端；全部所述静力水准仪分别由通液连通管和通气连通管构成相互连通；全部所述静力水准仪内的传感器和所述静态GPS测量终端均连接上位机。采用本发明进行监测点的高程测量，与传统水准测量和三角高程测量方法比较，具有测量精度高，作业效率高，可实现自动化实时监测等优点；与单纯的GPS测量方法比较，本发明仅采用了一个终端，即实现多点高程测量和监测的功能，在设备投入上大大降低了成本。

Description

基于GPS定位的沉降监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及建筑工程监测领域，尤其是大型储罐、大坝、核电站、高层建筑、基坑、路基、桥梁、地铁工程的垂直位移监测方法。

背景技术

为充分保障工程的质量和作业人员的人身安全，工程在施工过程中对重要参数指标进行实时性的监测显得尤为重要。随着建筑技术的发展，自动化监测设备正逐渐被应用，成为工程监测领域的有力手段。静力水准仪被广泛地应用于测量两点或多点间相对高程变化的一种紧密仪器，属于建筑工程沉降位移监测设备，由于具有精度高的优点，在测量领域中获得了广泛的应用。尤其在大型精密工程、大型科学科研工程测量中发挥着重要的作用。

静力水准仪在使用过程中存在较为明显的短板，它能较为方便地测得各监测点与基准点间的差异沉降，但是难于获得监测点的绝对沉降量。为了获得监测点的绝对沉降量，则必须将基准点设置于不受沉降影响的位置，为了确保基准点不受工程施工影响发生沉降，往往须远离施工现场，增大了施工和维护的难度。

发明内容

在传统的高程测量方法中，采用水准仪观测精度高但测量效率低下，采用经纬仪效率较水准仪高但测量精度较低，二者均以人工监测为主，无法实现实时监测的功能。静力水准仪可以较好地实时监测监测点的相对高程变化值，难于用于监测监测点的绝对高程变化值。针对以上不足，本发明提出静力水准仪结合GPS定位的技术手段，能够较好地解决以上问题。

本发明将主要实现以下目的：

(1)对监测点的绝对高程变化进行实时、精确地测量，并采集和记录绝对高程随时间的变化数值，为工程的沉降分析提供可靠有效的观测数据。

(2)对监测点的沉降值设定预警值，当监测点沉降达到预警值时，监测***自动报警。

(3)较好地解决静力水准仪在应用中，不易设置基准点的问题，解决了静力水准仪在工程应用中的痛点，扩展了静力水准仪的使用范围。本发明要解决的技术问题在于，通过本发明能够有效地监测监测点的绝对高程的变化值，对监测点绝对高程的变化值设定预警值，实现自动监测、报警的功能，保证工程的安全。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于GPS定位的沉降监测装置，其特征在于，包括：多个设置在混凝土底座上的静力水准仪，其中一个静力水准仪为基准点静力水准仪；所述基准点静力水准仪旁侧设置有静态GPS测量终端；全部所述静力水准仪分别由通液连通管和通气连通管构成相互连通；全部所述静力水准仪内的传感器和所述静态GPS测量终端均连接上位机。

优选地，所述静态GPS测量终端通过对接螺栓固定于设置在基准点静力水准仪旁侧的安装架上，所述静态GPS测量终端通过太阳能供电，通过无线通信连接上位机。

优选地，所述上位机连接有报警器，所述上位机为计算机。

优选地，所述静态GPS测量终端还可以替换为北斗定位装置。

一种基于GPS定位的沉降监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据工程监测方案的要求，在各监测点设置静力水准仪，采用连通管将所有静力水准仪的贮液容器相连，往贮液容器内注入液体，并等待液体液面完全静止；

步骤2：基准点初始高程H_1初的确定：选定其中一监测点为基准点，在所述基准点处设置静态GPS测量终端，所述静态GPS测量终端测量获得基准点的高程，并按照预设的测量周期更新基准点的高程H_1变；

步骤3：其它监测点高程H_i初的确定：由各静力水准仪内的传感器测得每一静力水准仪液面的初始液位值，分别为：H₁₀、H₂₀、H₃₀、H₄₀、······、H_i0，其中，H₁₀为基准点的静力水准仪初始液位值；

由于各监测点处静力水准仪液面初始液位值相对基准点的差值分别为：

Δh₂＝H₂₀-H₁₀，Δh₃＝H₃₀-H₁₀，······，Δh_i＝H_i0-H₁₀

则各监测点处高程可按下式计算获得：

H_2初＝H_1初-Δh₂，H_3初＝H_1初-Δh₃，······，H_i初＝H_i初-Δh₂；

步骤4：发生沉降后，高程的确定：

①液位变化量计算：

如果有监测点发生沉降，各监测点液位变化量分别按下式计算：

Δh₁＝H₁-H₁₀，Δh₂＝H₂-H₂₀，······，Δh_i＝H_i-H_i0；

如Δh_i＞0，则表示液面贮液容器内的液面升高，反之则表示贮液容器内的液面降低；

②监测点相对基准点的垂直变形量计算：

其它各监测点相对于基准点的垂直位移(沉降量)，分别按下式计算：

ΔH₂'＝Δh₁-Δh₂，ΔH₃'＝Δh₁-Δh₃，······，ΔH_i'＝Δh₁-Δh_i；

其中计算结果：ΔH_i'＞0表示该监测点相对于基准点为垂直向上变形，反之为垂直向下变形；

③监测点变形后的高程计算：

H_2变＝H_1变+ΔH₂'，H_3变＝H_1变+ΔH₃'，······，H_i变＝H_1变+ΔH_i'；

步骤5：监测点沉降预警：当监测点沉降变形达到预设的预警值，则进行报警处理，并给出具体监测点位的位置及沉降值，各监测点的绝对沉降量按下式计算：

ΔH₁＝H₁₀-H_1变，ΔH₂＝H₂₀-H_2变，······，ΔH_i＝H_i0-H_i变。

本发明及其优选方案装置结构精简、精确性高、实用性强，能够较好地解决静力水准仪在使用过程中难以设置基准点的困难。常规的静力水准仪在使用过程中能够方便地测得各监测点相对于基准点的垂直变形相对量，但是难于测得监测点的绝对沉降量和高程等数值。采用本发明的方案，不仅能够方便地得到监测点的绝对垂直变形量，而且方便地得到监测点的高程。采用本发明进行监测点的高程测量，与传统水准测量和三角高程测量方法比较，具有测量精度高，作业效率高，可实现自动化实时监测等优点；与单纯的GPS测量方法比较，本发明仅采用了一个终端，即实现多点高程测量和监测的功能，在设备投入上大大降低了成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例静力水准仪初始液面示意图；

图2为本发明实施例沉降变形后静力水准仪液面示意图；

图3为本发明实施例静力水准仪安装示意图；

图4为本发明实施例基准点安装架安装示意图；

图5为本发明实施例基准点之外的监测点安装架安装示意图；

图6为本发明实施例整体工作原理示意图；

图中：1-静力水准仪，11-静力水准仪初始位置，2-初始液位，21-沉降变形后液位，3-连通管，31-通气连通管，32-通液连通管，4-混凝土底座，41-基准点混凝土底座，42-监测点混凝土底座，43-安装架，44--预埋螺杆，5-静态GPS测量终端。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图3、图6所示，本实施例的装置包括：多个设置在混凝土底座上的静力水准仪1，令其中一个静力水准仪1为基准点静力水准仪，其设置于基准点混凝土底座41上，其余静力水准仪1设置在监测点混凝土底座42上；基准点静力水准仪旁侧设置有静态GPS测量终端5；全部静力水准仪1分别由连通管3构成相互连通，连通管3包括通液连通管32和通气连通管31；全部静力水准仪1内的传感器和静态GPS测量终端5均连接上位机。

如图4所示，静态GPS测量终端5通过对接螺栓固定于设置在基准点静力水准仪旁侧的安装架43上，静态GPS测量终端5也安装在其对应的安装架43上，安装架43均通过预埋螺杆44固定在基准点混凝土底座41上。静态GPS测量终端5通过太阳能供电，通过无线通信连接上位机，其测量获得的高程结果通过无线信号传输方式输入上位机。

需要特别说明的是，在本实施例中，静态GPS测量终端5也可以替换为北斗定位装置，采用北斗定位装置也能够起到相同的技术效果。

如图5所示，在监测点混凝土底座42上，静力水准仪1安装在其对应的安装架43上，安装架43通过预埋螺杆44固定在监测点混凝土底座42上。

如图6所示，在本实施例中，上位机连接有报警器，上位机为计算机。

在工作原理和具体的流程方面，本实施例对应的监测方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据工程监测方案的要求，如图1所示，在各监测点设置静力水准仪1，采用连通管3将所有静力水准仪1的贮液容器相连，往贮液容器内注入液体，并等待液体液面完全静止，当液体液面完全静止后***中所有连通容器内的液面在同一个大地水准面上，即为初始液位2；

步骤2：基准点初始高程H_1初的确定：选定其中一监测点为基准点，在基准点处设置静态GPS测量终端5，静态GPS测量终端5测量获得基准点的高程，可达到二等水准测量的精度，并按照预设的测量周期更新基准点的高程H_1变，静态GPS测量终端5为24小时连续监测；

如图6所示，静态GPS测量终端5开始工作时对基准点高程进行连续测量，直至获得满足精度要求的初始高程，并将该高程作为基准点的初始值输入上位机。

步骤3：其它监测点高程H_i初的确定：静力水准仪1安置完毕后，贮液容器内的液面将处于同一水准面，高程相等。由各静力水准仪1内的传感器测得每一静力水准仪1液面的初始液位值，分别为：H₁₀、H₂₀、H₃₀、H₄₀、······、H_i0，如图1所示，其中，H₁₀为基准点的静力水准仪1初始液位值；

由于各监测点处静力水准仪1液面初始液位值相对基准点的差值分别为：

Δh₂＝H₂₀-H₁₀，Δh₃＝H₃₀-H₁₀，······，Δh_i＝H_i0-H₁₀

则各监测点处高程可按下式计算获得：

H_2初＝H_1初-Δh₂，H_3初＝H_1初-Δh₃，······，H_i初＝H_i初-Δh₂；

步骤4：发生沉降后，高程的确定：

①液位变化量计算：

如图2所示，如果有监测点发生沉降，静力水准仪1离开了静力水准仪初始位置11，初始液位2偏离至沉降变形后液位21，各监测点液位变化量分别按下式计算：

Δh₁＝H₁-H₁₀，Δh₂＝H₂-H₂₀，······，Δh_i＝H_i-H_i0；

如Δh_i＞0，则表示液面贮液容器内的液面升高，反之则表示贮液容器内的液面降低；

②监测点相对基准点的垂直变形量计算：

其它各监测点相对于基准点的垂直位移(沉降量)，分别按下式计算：

ΔH₂'＝Δh₁-Δh₂，ΔH₃'＝Δh₁-Δh₃，······，ΔH_i'＝Δh₁-Δh_i；

其中计算结果：ΔH_i'＞0表示该监测点相对于基准点为垂直向上变形，反之为垂直向下变形；

③监测点变形后的高程计算：

H_2变＝H_1变+ΔH₂'，H_3变＝H_1变+ΔH₃'，······，H_i变＝H_1变+ΔH_i'；

其中，基准点高程H_1变采用静态GPS测量连续监测，并按预设的监测周期更新基准点的高程。

步骤5：监测点沉降预警：当监测点沉降变形达到预设的预警值，则进行报警处理，并给出具体监测点位的位置及沉降值，或者给出达到差异沉降量预警值的两个监测点位、两点的绝对沉降量和差异沉降量，各监测点的绝对沉降量按下式计算：

ΔH₁＝H₁₀-H_1变，ΔH₂＝H₂₀-H_2变，······，ΔH_i＝H_i0-H_i变。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于GPS定位的沉降监测装置及监测方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于GPS定位的沉降监测装置，其特征在于，包括：多个设置在混凝土底座上的静力水准仪，其中一个静力水准仪为基准点静力水准仪；所述基准点静力水准仪旁侧设置有静态GPS测量终端；全部所述静力水准仪分别由通液连通管和通气连通管构成相互连通；全部所述静力水准仪内的传感器和所述静态GPS测量终端均连接上位机。

2.根据权利要求1所述的基于GPS定位的沉降监测装置，其特征在于：所述静态GPS测量终端通过对接螺栓固定于设置在基准点静力水准仪旁侧的安装架上，所述静态GPS测量终端通过太阳能供电，通过无线通信连接上位机。

3.根据权利要求1所述的基于GPS定位的沉降监测装置，其特征在于：所述上位机连接有报警器，所述上位机为计算机。

4.根据权利要求1所述的基于GPS定位的沉降监测装置，其特征在于：所述静态GPS测量终端替换为北斗定位装置。

5.一种基于GPS定位的沉降监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据工程监测方案的要求，在各监测点设置静力水准仪，采用连通管将所有静力水准仪的贮液容器相连，往贮液容器内注入液体，并等待液体液面完全静止；

步骤2：基准点初始高程H_1初的确定：选定其中一监测点为基准点，在所述基准点处设置静态GPS测量终端，所述静态GPS测量终端测量获得基准点的高程，并按照预设的测量周期更新基准点的高程H_1变；

步骤3：其它监测点高程H_i初的确定：由各静力水准仪内的传感器测得每一静力水准仪液面的初始液位值，分别为：H₁₀、H₂₀、H₃₀、H₄₀、······、H_i0，其中，H₁₀为基准点的静力水准仪初始液位值；

由于各监测点处静力水准仪液面初始液位值相对基准点的差值分别为：

Δh₂＝H₂₀-H₁₀，Δh₃＝H₃₀-H₁₀，······，Δh_i＝H_i0-H₁₀

则各监测点处高程可按下式计算获得：

H_2初＝H_1初-Δh₂，H_3初＝H_1初-Δh₃，······，H_i初＝H_i初-Δh₂；

步骤4：发生沉降后，高程的确定：

①液位变化量计算：

如果有监测点发生沉降，各监测点液位变化量分别按下式计算：

Δh₁＝H₁-H₁₀，Δh₂＝H₂-H₂₀，······，Δh_i＝H_i-H_i0；

如Δh_i＞0，则表示液面贮液容器内的液面升高，反之则表示贮液容器内的液面降低；

②监测点相对基准点的垂直变形量计算：

其它各监测点相对于基准点的垂直位移(沉降量)，分别按下式计算：

ΔH₂'＝Δh₁-Δh₂，ΔH₃'＝Δh₁-Δh₃，······，ΔH_i'＝Δh₁-Δh_i；

其中计算结果：ΔH_i'＞0表示该监测点相对于基准点为垂直向上变形，反之为垂直向下变形；

③监测点变形后的高程计算：

H_2变＝H_1变+ΔH₂'，H_3变＝H_1变+ΔH₃'，······，H_i变＝H_1变+ΔH_i'；

步骤5：监测点沉降预警：当监测点沉降变形达到预设的预警值，则进行报警处理，并给出具体监测点位的位置及沉降值，各监测点的绝对沉降量按下式计算：

ΔH₁＝H₁₀-H_1变，ΔH₂＝H₂₀-H_2变，······，ΔH_i＝H_i0-H_i变。