DE19931167A1 - Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes - Google Patents
Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines GeländesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes zwischen zwei verschiedenen hoch gelegenen Ebenen oder geneigten Begrenzungsflächen, z. B. eines Dammes oder dergleichen Sperrbauwerkes mit mindestens einem Steigrohr, welches in die Böschung verbracht und dort bodenseitig verankert ist, wobei am Steigende faseroptische Sensorkabel angeordnet sind.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen der
Neigung eines Geländes zwischen zwei verschiedenen hoch
gelegenen Ebenen oder geneigten Begrenzungsflächen, z. B. eines
Dammes oder dergleichen Sperrbauwerkes mit mindestens einem
Steigrohr, welches in die Böschung verbracht und dort
bodenseitig verankert ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
Es ist bekannt, z. B. zum Überwachen von Böschungsrutschungen
Neigungsmesser in Steigrohren anzuordnen.
Die Neigungsmesser, d. h. sogenannte Inklinometer, werden in die
Steigrohre eingeführt, und durch ein z. B. vorgesehenes Pendel
wird die Rohrbiegung als Maß für Geländebewegungen ermittelt.
In dem Falle, wenn der Rohrquerschnitt aufgrund des Abgleitens
der Böschung sehr stark verformt ist, kann eine Neigungsmessung
mit bekannten Mitteln nicht oder nur teilweise durchgeführt
werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß ein im Rohr
befindlicher Neigungsmesser aufgrund der Rohrverformung
beschädigt wird. Hier wäre es notwendig, eine neue Bohrung auf
der an sich gefährdeten Böschung einzubringen und ein neues
Steigrohr abzuteufen. Es besteht dann jedoch die Gefahr, daß
Mensch und Technik in Mitleidenschaft gezogen werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes zwischen
zwei verschieden hoch gelegenen Ebenen, z. B. einer Böschung
oder geneigten Begrenzungsflächen eines Dammes oder dergleichen
Sperrbauwerkes anzugeben, wobei die Meßgenauigkeit zu verbes
sern ist, ohne daß auch im Falle starker Verformungen der
einzusetzenden Steigrohre die Meßtechnik vor Ort erneuert
werden muß.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Vor
richtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die
Unteransprüche mindestens vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausgestaltungen darstellen.
Erfindungsgemäß wird die Durchbiegung des Steigrohres oder
eines entsprechenden elastischen Stabes mittels faseroptischen
Sensorkabels bestimmt. Hierfür werden mehrere Kabel mit dem
Rohr bzw. Stab form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden
und verschiebungsfrei geführt.
Die Durchbiegung des Rohres, bedingt durch Geländebewegungen in
der Böschung, bewirkt eine Streckung bzw. Stauchung des Rohres.
Die hier auftretenden Kräfte werden mindestens teilweise auf
die Faseroptik übertragen und sind durch faseroptische Meß
mittel bestimmbar. Die Durchbiegungsrichtung des oder der
Steigrohre(s) kann durch eine Dehnungsmessung an verschiedenen
Punkten des Rohres oder Querschnittes ermittelt werden.
Durch die faseroptische Sensorik ist es möglich, über die nicht
unerhebliche Länge des Steigrohres ortsaufgelöste Biegemaße zu
ermitteln.
Die Meßwerte respektive die ermittelten Durchbiegungen liegen
in einem wesentlich größeren Bereich als mit Dehnmeßstreifen
nachweisbar, bei welchen lediglich Dehnungen bis ca. 3% be
stimmbar sind.
Mit einer Winkelanordnung der Fasern, d. h. einem vorgegebenen
Steigungswinkel, und dem spiral- oder wendelförmigen Fixieren
der Faseroptik am Rohr oder Stab kann die Meßauflösung erhöht
werden, ohne daß die maximal zulässige Faserdehnung über
schritten wird. Bevorzugt werden Faser- oder Bragg-Gitter-Sen
soren eingesetzt.
Dadurch, daß umfangsseitig sich in axialer Richtung, d. h. längs
des Rohres, mehrere faseroptische Sensorkabel erstrecken, ist
die Bestimmung einer Biegerichtung möglich, und es kann die
Bewegungsrichtung einer Gleitfläche beim Abrutschen z. B. einer
Böschung ermittelt werden.
In einer Ausführungsform werden mindestens drei Kabel umfangs
seitig sich in Längsrichtung erstreckend verteilt angeordnet,
wobei das Optimum unter dem Aspekt der Erkennung der Biege
richtung im Bereich von vier bis acht Kabeln liegt.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, durch die
Wahl des Rohrmaterials bzw. der Wandstärke oder durch Verfüllen
des Rohres mit einem Medium die Biegeelastizität gezielt zu
verändern, um z. B. auch nachträglich eine Anpassung an die
geologischen oder sonstigen Umweltgegebenheiten herbeizuführen,
so daß der Meß- und Einsatzbereich der Vorrichtung vergrößert
wird.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Innenquer
schnitt des Steigrohrs frei und kann eine zusätzliche, ver
änderbare, stabilisierende Funktion übernehmen. Wie erwähnt,
kann bei starker Verformung des Trägerrohrs durch Einbringen
eines zweiten Mediums in den Innenraum des Rohres dieses
stabilisiert werden, wodurch der Meßbereich des Sensors quasi
voreinstellbar ist oder der Meßbereich eines bereits
bestehenden Sensors erweitert werden kann.
Weiterhin wesentlich ist die Möglichkeit der gekoppelten Über
wachung von Temperatur- und Streßprofil mittels des faser
optischen Sensors. Demnach können bevorzugte Fließwege entlang
der Gleitfläche bestimmt werden, da diese regelmäßig Verände
rungen im Temperaturprofil hervorrufen.
Der Sensor selbst weist eine lange Lebensdauer auf und die
Gefahr einer plötzlichen Unbrauchbarkeit ab einer bestimmten
Teufe ist gering.
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit der Kopplung mehrerer
Sensoren unter Bildung einer Sensorkette, wodurch eine drei
dimensionale Online-Überwachung z. B. einer Böschungsrutschung
oder eines lawinengefährdeten Gebiets realisierbar ist.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei
spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
Die Fig. 1 zeigt hierbei eine Draufsicht auf ein Steigrohr 5
mit außenumfangsseitig angeordneten faseroptischen Sensorkabeln
1 bis 4, und die Fig. 2 eine seitliche Ansicht einer Böschung
6 mit dort eingebrachtem Steigrohr 5.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein an sich bekanntes Steigrohr 5
außenumfangsseitig mit z. B. vier faseroptischen Sensorkabeln 1
bis 4 versehen, die fest, z. B. stoffschlüssig, mit dem Rohr
mantel verbunden sind. Die Sensorkabel 1 bis 4 sind so verteilt
umfangsseitig fixiert, daß eine möglichst genaue Bestimmung der
Biegerichtung erfolgen kann.
Bei der mit Pfeildarstellung versehene Einwirkungsrichtung der
Biegekräfte ergibt sich eine Biegezone -2 und -3 sowie eine
Druckzone +1 und +4.
Das Steigrohr 5 gemäß Fig. 2 befindet sich z. B. in einer
Böschung 6 und ist bodenseitig verankert, wobei beim Ausbilden
einer Gleitfläche Biegekräfte auf das Rohr einwirken. Figürlich
ist mit A der Ausgangszustand und mit B der Biegezustand
bezeichnet.
Die Fig. 3 zeigt einen Längsteilschnitt sowie einen Querschnitt
eines Sensorrohrs gemäß Ausführungsbeispiel und die Fig. 4
einen solchen Sensor in einer teilweggebrochenen perspekti
vischen Darstellung.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, ist das Sensorkabel 1
zwischen einem Außenrohr 7 und einem Innenrohr 6 über Halte
ringe 8 fixiert. Die Halteringe 8 klemmen oder pressen das
Sensorkabel 1 an das Innenrohr, wobei die Halteringe 8 in
Ausnehmungen 9 längsverlaufender Rippen 10 befindlich sind. Das
Innenrohr 6 mit den Längsrippen 10, welche die Ausnehmungen 9
aufweisen, kann bevorzugt einstückig aus Kunststoff gefertigt
sein.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt einer konstruktiven Variante
eines Sensorstücks, das aneinandergefügt ein längeres Rohr
entsprechend der gewünschten Teufe ergibt. Durch die leicht
handhabbaren Rohrstücke gemäß Fig. 5 ergibt sich eine akzep
table Transportlänge, ohne daß die maximale Sensorlänge ein
geschränkt ist. Das in den Fig. 3 bis 5 erkennbare Außenrohr 7
schützt das Sensorkabel bzw. die Fasern gegen den Druck des
umgebenden Mediums, z. B. Erddruck.
Das Sensorkabel kann vor Ort am Innenrohr montiert werden mit
anschließendem Überschieben des Außenrohrs, jedoch können auch
komplette Segmentstücke fertiggestellt werden, wobei entspre
chende Verbindungen für die Faserkabel vorzusehen sind.
Fig. 6 demonstriert tabellarisch dargestellt Versuchsergeb
nisse, die mit einem realisierten Sensor erhalten wurden, wobei
Durchbiegungsrichtungen gut erkennbar sind.
Durch die Vorspannung der Faserkabeln lassen sich sowohl
Dehnungs- als auch Stauchungszonen bestimmen. Hierbei werden an
vier Punkten des Sensors Daten gewonnen, die die erwähnte
Richtungsbestimmung der Verschiebung über Zeit und Weg
gestatten. Bei einer einfachen Versuchsanordnung wurde ein
Richtungsfehler < 10% bis maximal 30% bei einer Durchbiegung von
270° festgestellt. Als Fehlerursache konnte ein Nachgeben der
Vorspannung eines der Faserkabel festgestellt werden, was durch
eine optimierte Befestigung, welche rutschfrei gestaltet ist
und die eine gleiche Vorspannung auf allen Fasern sichert,
überwunden wurde.
Das Innere des Rohres kann bei veränderten Umgebungsbedingungen
durch ein Medium verfüllt oder ausgefüllt werden, so daß das
Rohr größeren Biegekräften Stand hält und damit quasi eine
Meßbereichserweiterung bewirkbar ist. Auch ist der Einsatz von
elastischen Stäben anstelle von Rohren möglich.
In einer figürlich nicht dargestellten Ausführungsform besteht
die Möglichkeit, das faseroptische Sensorkabel wendel- oder
spiralförmig außenseitig des Steigrohres, auch mit gegenläufi
ger Wicklung anzuordnen, um größere Durchbiegungen erfassen zu
können, ohne daß eine maximale Dehnung oder Stauchung des fa
seroptischen Kabels überschritten wird.
Mittels der Erfindung gelingt es in besonders einfacher Weise,
bekannte Neigungswinkelmesser zum Ermitteln von z. B. Rutschun
gen an Böschungen zu ersetzen, wobei gleichzeitig eine verbes
serte Ortsauflösung und ein größerer Meßbereich, insbesondere
bezüglich bekannter Dehnmeßstreifen gegeben ist. Faseroptische
Sensoren sind kostengünstig herstellbar, wobei durch Hinter
einanderschalten mehrere Sensoren auch über mehrere Steigrohre
eine leichtere Auswertung der Meßergebnisse erfolgen kann.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes
zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Ebenen oder Punkten
oder geneigten Begrenzungsflächen z. B. eines Dammes oder der
gleichen Sperrbauwerkes mit mindestens einem Steigrohr oder
Stab, welches bzw. welcher in die Böschung verbracht und dort
bodenseitig verankert ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß am oder im Steigrohr oder Stab form-, kraft- und/oder
stoffschlüssig mehrere faseroptische Sensorkabel angeordnet
sind, wobei die Durchbiegung des Steigrohres ortsaufgelöst über
die Faseroptik ermittelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die faseroptischen Sensorkabel sich in axialer Richtung
längs des Steigrohres erstrecken und mindestens drei Kabel
umfangsseitig verteilt vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Biegefestigkeit des Steigrohres durch nachträgliches
Einbringen eines Mediums an geänderte geologische bzw.
Neigungsbedingungen meßbereichserweiternd anpaßbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß bevorzugt umfangsseitig gleichverteilt vier bis acht sich
längs erstreckende Sensorkabel außenseitig des Rohres
angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das faseroptische Sensorkabel wendel- oder spiralförmig das
Steigrohr umgibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erfassung von Stauchungen und Streckungen faseroptische
Sensorkabel paarweise gegenläufig versetzt das Steigrohr
umgeben.
7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6
zur Überwachung von Lawinen oder Gletschern sowie für die
Früherkennung möglicher Vulkaneruptionen.
Priority Applications (3)
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DE (1) | DE19931167A1 (de) |
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- 1999-07-06 DE DE19931167A patent/DE19931167A1/de not_active Withdrawn
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