CN101936956A - 一种拱坝监测系统和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拱坝监测系统和监测方法，涉及水利水电工程中的泄水建筑结构自动监测技术领域，在拱坝上安装水平振动位移传感器，通过分析频谱图可以实现对拱坝的各种工作状态进行监控，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制；并且通过使用水平振动位移传感器减少了干扰、提高了监测的精度，满足了实际应用中的需要。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程中的泄水建筑结构自动监测技术领域，特别涉及一种拱坝监测系统和监测方法。
背景技术
高水头大流量水利枢纽工程的泄水建筑物多采用拱坝形式，它属于空间壳体高次超静定结构，其稳定主要依靠坝体整体呈拱型受力状态，通过拱的作用将力传递到两岸。
目前对于拱坝的监测主要为变形监测、渗流渗压监测、应力应变监测、缝隙开合度监测和温度监测等。上述监测基本为静态或准静态监测，对于坝肩稳定性以及坝体的整体位移，静态方法还是适用的，但对于反映拱坝成拱条件的内部应力应变、缝隙开合度的情况，静态监测很难把握拱坝工作状态的瞬时变化和随时间的演变过程，而拱坝的瞬时成拱失效和裂缝累积效应造成的成拱失效会威胁拱坝的安全运行。另外，由于目前的传感器一般都是在拱坝施工期预埋进坝体内，长时间运行会造成传感器失效而又无法更换，失去对坝体的有效监测，使运行管理部门对拱坝的健康情况无法准确把握，造成拱坝运行的安全隐患。而且，目前使用的传感器一般都为加速度传感器，通过加速度传感器来实现对拱坝状态的识别和健康诊断，实际应用时，使用加速度传感器得到的频谱图的低频段噪声干扰比较严重，而拱坝振动的频段主要是在低频段，故使用加速度传感器无法得到较为精确的结果。
发明内容
为了对拱坝的各种工作状态进行监控，及时发现拱坝可能产生的损伤、快速找出损伤位置、减少安全隐患、减少干扰、提高精度，本发明提供了一种拱坝监测系统和监测方法，
所述拱坝监测系统包括：拱坝、水平振动位移传感器、信号传输导线和计算机监测模块，所述拱坝主要包括：拱坝坝段、施工横缝、表孔、中孔、顶拱、拱冠梁、1/4顶拱轴线位置梁和3/4顶拱轴线位置梁，
在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段中心点的下游坝面处各布置一个所述水平振动位移传感器；在所述拱冠梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/5、2/5、3/5、4/5和全坝高处各布置一个所述水平振动位移传感器；在所述1/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高处各布置一个所述水平振动位移传感器；在所述3/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高处各布置一个所述水平振动位移传感器；当所述表孔和所述中孔放水时，所述水平振动位移传感器的信号由所述信号传输导线连接到所述计算机监测模块中，所述计算机监测模块对所述水平振动位移传感器的信号进行处理，得到不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图，通过对所述频谱图的分析，实现对所述拱坝的监测，其中，所述水平振动位移传感器的安装角度误差不能大于±1.5°。
所述水平振动位移传感器的信号由所述信号传输导线连接到所述计算机监测模块中，所述计算机监测模块对所述水平振动位移传感器的信号进行处理，得到不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图，通过对所述频谱图的分析，实现对所述拱坝的监测，具体为：
所述水平振动位移传感器的信号由所述信号传输导线连接到所述计算机监测模块中的数据采集子模块，所述数据采集子模块接收所述水平振动位移传感器的模拟电信号，并将所述模拟电信号转换为数字信号，经过光纤远程数据传输子模块和数据分析子模块处理得到不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图，实现了对所述拱坝的监测。
所述拱坝监测系统还包括：
在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段中心点的下游坝面、在所述拱冠梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/5、2/5、3/5、4/5和全坝高、在所述1/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高及在所述3/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高中任一处或一处以上布置垂直振动位移传感器，所述垂直振动位移传感器的安装角度误差不能大于±1.5°。
所述方法包括以下步骤：
(1)当表孔和中孔放水时，水平振动位移传感器的信号由信号传输导线连接到计算机监测模块中；
(2)所述计算机监测模块接收所述水平振动位移传感器的信号，并对所述水平振动位移传感器的信号进行处理，获取不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图；
(3)对所述获取到的频谱图进行分析，实现对拱坝的监测。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
在拱坝上安装水平振动位移传感器，通过分析频谱图可以实现对拱坝的各种工作状态进行监控，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制；并且通过使用水平振动位移传感器减少了干扰、提高了监测的精度，满足了实际应用中的需要。
附图说明
图1为本发明提供的拱坝监测系统示意图；
图2为本发明提供的拱坝结构剖视图；
图3为本发明提供的顶拱处的水平振动位移传感器的工作频谱图；
图4为本发明提供的拱冠梁处的水平振动位移传感器的工作频谱图；
图5为本发明提供的1/4顶拱轴线位置梁和3/4顶拱轴线位置梁处的水平振动位移传感器的工作频谱图；
图6为本发明提供的拱坝失效时水平振动位移传感器的频谱图；
图7为本发明提供的拱坝监测方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：拱坝坝段；2：施工横缝；3：表孔；4：中孔；5：顶拱；6：拱冠梁；7：1/4顶拱轴线位置梁；8：3/4顶拱轴线位置梁；9：第1阶频率；10：第2阶频率；11：第3阶频率；12：第4阶频率；13：低频、低能量窄带频谱；14：单峰；15：拱坝；16：水平振动位移传感器；17：信号传输导线；18：计算机监测模块；19：数据采集子模块；20：光纤远程数据传输子模块；21：数据分析子模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了对拱坝的各种工作状态进行监控，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，本发明实施例提供了一种拱坝监测系统，参见图1和图2，详见下文描述：
该拱坝监测系统包括：拱坝15、水平振动位移传感器16、信号传输导线17和计算机监测模块18，其中，拱坝15包括：拱坝坝段1、施工横缝2、表孔3、中孔4、顶拱5、拱冠梁6、1/4顶拱轴线位置梁7和3/4顶拱轴线位置梁8，水平振动位移传感器16在拱坝15浇筑完成后用膨胀螺丝固定在拱坝15的混凝土坝面上，在浇筑拱坝15的过程中采用分拱坝坝段1浇筑，各拱坝坝段1间设置施工横缝2；
在顶拱5的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段1中心点的下游坝面处各布置一个水平振动位移传感器16；在拱冠梁6相应拱坝坝段1中心点的下游坝面1/5、2/5、3/5、4/5和全坝高处各布置一个水平振动位移传感器16；在1/4顶拱轴线位置梁7相应拱坝坝段1中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高处各布置一个水平振动位移传感器16；在3/4顶拱轴线位置梁8相应拱坝坝段1中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高处各布置一个水平振动位移传感器16；
当表孔3和中孔4放水时，水平振动位移传感器16的信号由信号传输导线17连接到计算机监测模块18中，计算机监测模块18对水平振动位移传感器16的信号进行处理，得到不同位置处的水平振动位移传感器16的频谱图，通过对频谱图的分析，实现对拱坝15的监测，上述水平振动位移传感器16的安装角度误差不能大于±1.5°。
具体为，水平振动位移传感器16的信号由信号传输导线17连接到计算机监测模块18中的数据采集子模块19，数据采集子模块19接收水平振动位移传感器16的模拟电信号，并将该模拟电信号转换为数字信号，经过光纤远程数据传输子模块20和数据分析子模块21处理得到不同位置处的水平振动位移传感器16的频谱图，实现了对拱坝15的监测。
参见图3，顶拱5处的水平振动位移传感器16的频谱图有4个峰值，分别为一阶频率9、二阶频率10、三阶频率11、四阶频率12和一个低频、低能量窄带频谱13；参见图4，拱冠梁6处的水平振动位移传感器16的频谱图有2个峰值，分别为一阶频率9、三阶频率11和一个低频、低能量窄带频谱13；参见图5，1/4顶拱轴线位置梁7和3/4顶拱轴线位置梁8处的水平振动位移传感器16的频谱图有3个峰值，分别为一阶频率9、二阶频率10、三阶频率11和一个低频、低能量窄带频谱13；参见图6，当拱坝15出现轻微损伤时，顶拱5、拱冠梁6、1/4顶拱轴线位置梁7和3/4顶拱轴线位置梁8的各位置的水平振动位移传感器16的频谱图的峰值频率和峰值大小没有明显改变，但低频、低能量窄带频谱13向低频方向移动，同时值增大，这时需对拱坝15进行检修，而当拱坝15严重损伤时，顶拱5、拱冠梁6、1/4顶拱轴线位置梁7和3/4顶拱轴线位置梁8的各位置的水平振动位移传感器16的频谱图不再出现多峰值情况，而都表现为如图6所示单峰14的情况，同时峰值频率向高频方向移动，低频、低能量窄带频谱13消失，这时需要对拱坝15进行抢修。
进一步地，为了取得更好的监测效果，可以增加辅助决策，具体为：在顶拱5的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段1中心点的下游坝面、在拱冠梁6相应拱坝坝段1中心点的下游坝面1/5、2/5、3/5、4/5和全坝高、在1/4顶拱轴线位置梁7相应拱坝坝段1中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高及在3/4顶拱轴线位置梁8相应拱坝坝段1中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高中任一处或一处以上布置垂直振动位移传感器；上述垂直振动位移传感器的安装角度误差不能大于±1.5°。
具体实现时可通过在线实时监测拱坝15的动态安全指标或对离线数据进行详细分析，当某项指标超过预先设定的指标时，拱坝监测系统根据实测信号特征给出分级预警信息，工作人员根据实测信号可以快速地判断出拱坝15可能发生损伤的位置和级别，有针对性的加以维护，实现了对拱坝系统的远程监测。例如：当振幅、频率，超过预先设定的指标时，拱坝监测系统可以根据实测信号特征给出分级预警信息，工作人员根据实测信号可以快速地判断出拱坝15可能发生损伤的位置和级别，有针对性的加以维护。
其中，本发明实施例中采用的拱坝15为现有技术中所普遍采用的混凝土双曲薄拱坝，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。在对拱坝15的工作状态进行实时监测和安全评估时，为了取得较好的监测效果，可以采用高坝泄流结构安全监测系统软件(软件著作权，天津大学，2008年1月)对拱坝15的工作状态进行实时监测和安全评估。
综上所述，本发明实施例提供了一种拱坝监测系统，在拱坝上安装水平振动位移传感器，通过分析频谱图可以实现对拱坝的各种工作状态进行监控，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制；并且通过使用水平振动位移传感器减少了干扰、提高了监测的精度，满足了实际应用中的需要。
本发明实施例还提供了一种拱坝监测方法，参见图1、图2和图7，详见下文描述：
101：当表孔3和中孔4放水时，水平振动位移传感器16的信号由信号传输导线17连接到计算机监测模块18中；
102：计算机监测模块18接收水平振动位移传感器16的信号，并对水平振动位移传感器16的信号进行处理，获取不同位置处的水平振动位移传感器16的频谱图；
103：对获取到的频谱图进行分析，实现对拱坝的监测。
综上所述，本发明实施例提供了一种拱坝监测方法，通过分析不同位置处的水平振动位移传感器的频谱图可以实现对拱坝的各种工作状态进行监控，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固；并且通过使用水平振动位移传感器减少了干扰、提高了监测的精度，满足了实际应用中的需要。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种拱坝监测系统，其特征在于，所述拱坝监测系统包括：拱坝、水平振动位移传感器、信号传输导线和计算机监测模块，所述拱坝主要包括：拱坝坝段、施工横缝、表孔、中孔、顶拱、拱冠梁、1/4顶拱轴线位置梁和3/4顶拱轴线位置梁，
在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段中心点的下游坝面处各布置一个所述水平振动位移传感器；在所述拱冠梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/5、2/5、3/5、4/5和全坝高处各布置一个所述水平振动位移传感器；在所述1/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高处各布置一个所述水平振动位移传感器；在所述3/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高处各布置一个所述水平振动位移传感器；当所述表孔和所述中孔放水时，所述水平振动位移传感器的信号由所述信号传输导线连接到所述计算机监测模块中，所述计算机监测模块对所述水平振动位移传感器的信号进行处理，得到不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图，通过对所述频谱图的分析，实现对所述拱坝的监测，其中，所述水平振动位移传感器的安装角度误差不能大于±1.5°。
2.根据权利要求1所述的拱坝监测系统，其特征在于，所述水平振动位移传感器的信号由所述信号传输导线连接到所述计算机监测模块中，所述计算机监测模块对所述水平振动位移传感器的信号进行处理，得到不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图，通过对所述频谱图的分析，实现对所述拱坝的监测，具体为：
所述水平振动位移传感器的信号由所述信号传输导线连接到所述计算机监测模块中的数据采集子模块，所述数据采集子模块接收所述水平振动位移传感器的模拟电信号，并将所述模拟电信号转换为数字信号，经过光纤远程数据传输子模块和数据分析子模块处理得到不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图，实现了对所述拱坝的监测。
3.根据权利要求1所述的拱坝监测系统，其特征在于，所述拱坝监测系统还包括：
在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段中心点的下游坝面、在所述拱冠梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/5、2/5、3/5、4/5和全坝高、在所述1/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高及在所述3/4顶拱轴线位置梁相应拱坝坝段中心点的下游坝面1/3、2/3和全坝高中任一处或一处以上布置垂直振动位移传感器，所述垂直振动位移传感器的安装角度误差不能大于±1.5°。
4.一种用于权利要求1所述的拱坝监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)当表孔和中孔放水时，水平振动位移传感器的信号由信号传输导线连接到计算机监测模块中；
(2)所述计算机监测模块接收所述水平振动位移传感器的信号，并对所述水平振动位移传感器的信号进行处理，获取不同位置处的所述水平振动位移传感器的频谱图；
(3)对所述获取到的频谱图进行分析，实现对拱坝的监测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111228 Termination date: 20120705 |