CN104236623A - 输水渠道冻胀多功能自动化监测系统 - Google Patents

Abstract

咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，包括监测中心、数据采集传输系统和监测仪器，监测仪器连接数据传输采集系统，数据传输采集系统通过网络连接监测中心，监测仪器中包括设置在各监控点的位移传感器、温度传感器、土压力计和含水率传感器；数据传输采集系统中的MCU测量单元控制各传感器进行连续、单次和定量的数据测量；MCU测量单元的测量数据存储入数据库；监测中心用于根据设定的测点数据采集时间，对各监控点的数据进行实时监测分析，当某个监控点的监控数据达到预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。该系统可以实现渠道渠基土的温度、含水率、冻胀变形和冻胀作用力的联合自动化监测，从而实现渠道冻胀的预报预警。

Description

输水渠道冻胀多功能自动化监测系统

技术领域

本发明涉及寒冷地区输水渠道多重指标的自动化监测系统，具体是可以实现冻胀-融沉变形、冻胀作用力、温度及含水率同时监测的多功能自动化测试系统，该系统可以实现渠道远程自动化监测和预警预报，特别适用于咸寒地区输水渠道的远程监控。

背景技术

我国人均年拥水量只有世界平均值的十分之一，其中渠道输水量占总输水量的70%，我国农业灌溉渠系利用系数仅约0.5，暨渠道平均输水渗漏损耗量占总输水量的50%以上。在我国北方和西部地区，渠道损坏的主要原因是渠基土冻胀所致，因渠道冻胀破坏造成的损坏占渠道破坏总量的40%以上，每年用于处理渠道损坏的费用超过总维修费的60%，严重影响了渠道的正常运行。

对渠道冻胀的研究，核心是明确渠基土的冻胀特性。目前已经有大量学者针对渠基土的冻胀-融沉特性，广泛开展了室内单元试验，明确了土体冻融变形基本规律。但室内单元试验受尺寸和边界条件制约，难以反映真实渠道的冻胀破坏情况。而渠道冻胀的物理模型试验需要在大型土工离心机上进行，仪器设备要求条件高。

对输水渠道工程直接进行冻胀变形观测是了解渠道冻胀破坏情况最直接和有效的办法。由于温度是影响渠基土冻胀的最直观因子，长期以来对渠道冻胀的监测基本上局限于预埋温度传感器监测渠道的地温。而对渠道的冻胀变形由于监测难度大，专门测试的很少，即便测试也是采用现场巡测，采用水准仪等工具人工测量，费时费力，效率低、精度不高，遇到恶劣天气更是难以实施。实际上渠道的冻胀是土、水、温三因素联合作用导致的结果，冻胀性土体是先决条件，并且可以通过土性试验直接确定其是否为冻胀性土体。而温度、含水率则是影响渠道冻胀的直接环境因素，冻胀变形和冻胀作用力则是渠道冻胀的最直接表现形式。要对渠道的冻胀进行全面了解分析，就不仅需要监测温度、含水率等环境因素，更需要同时测试冻胀发生时的变形和冻胀作用力情况，只有同时实现温度、含水率、冻胀变形和冻胀作用力的联合监测，才能为渠道的冻胀预报预警和科学处置提供理论和技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于寒冷地区输水渠道冻胀变形观测的监测系统，该系统可以实现渠道渠基土的温度、含水率、冻胀变形和冻胀作用力的联合自动化监测，从而实现渠道冻胀的预报预警。

实现本发明目的的技术方案是：

咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，包括监测中心、数据传输采集系统和监测仪器，所述监测仪器连接数据传输采集系统，数据传输采集系统通过网络连接监测中心，所述监测仪器中包括设置在各监控点的位移传感器、温度传感器、土压力计和含水率传感器；

所述位移传感器用于渠道冻胀-融沉变形的监测；所述温度传感器用于渠基土地温的监测；所述土压力计用于冻胀作用力的监测；所述含水率传感器用于渠基土含水率的监测；

所述数据传输采集系统包括MCU测量单元和数据库，所述MCU测量单元中设有与各传感器类型相应的测量模块，用于控制各传感器进行连续、单次和定量的数据测量；所述MCU测量单元的测量数据存储入数据库；

所述监测中心用于根据设定的测点数据采集时间，对原始采集数据进行自动过滤和计算，剔除异常值，并自动绘图，对各监控点的温度、含水率和变形设定预警值，对各监控点的数据进行实时监测分析，当某个监控点的监控数据达到预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。

所述监测中心进行渠道冻胀预报的步骤为：

步骤1  设定渠基土含水率的预警值为含水率A%，冻胀变形的预警值为冻胀变形率B%，冻胀温度的预警值为连续N天内最低气温低于0℃；

步骤2  当某个监控点的监控数据中的含水率、冻胀变形率和连续N天内最低气温均达到或超过预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。

所述位移传感器上套有PVC套筒，两端连接有万向节，一端的万向节固定在渠基土底部的基岩上，位移传感器垂直穿过渠基土层后另一端的万向节固定在混凝土板上。若渠基土底部没有类似基岩的固定端，则可以人工设置一个混凝土墩，并要求该混凝土墩必须具有一定的重量，以适宜作为位移传感器的相对固定端，当混凝土墩做成为立方体时，该混凝土墩的边长不宜小于0.3m。

所述含水率传感器周围铺设有一薄层细砂，以使含水率测试更准确。

渠道冻胀变形多功能自动化监测系统的关键在于兼容温度传感器、含水率传感器、位移传感器、力传感器等，能同时监测冻土的温度场、位移场和应力场，可实时远程监测各测点测量参数，可根据需要设定测点数据采集时间，对原始采集数据进行自动过滤和计算，通过设置变形或含水率阈值，可以对渠道的冻胀进行评估预判，以采取工程措施，减小或避免渠道冻胀的发生。

本发明采用了多种类型的传感器，可对渠道的冻胀情况进行了全面深入的研究，能成功预报渠道冻胀的发生，并为渠道冻害的防护和修复技术措施研究提供了支撑，该系统可以推广到咸寒区输水渠道的冻害监测和评估预报工程。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构框图；

图2为本发明实施例1土压力计埋设方式示意图；

图3为本发明实施例1位移传感器埋设结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

如图1所示，咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，包括监测中心、数据传输采集系统和监测仪器，所述监测仪器连接数据传输采集系统，数据传输采集系统通过网络连接监测中心，监测仪器包括设置在各监控点的位移传感器、温度传感器、土压力计和含水率传感器；

位移传感器用于渠道冻胀-融沉变形的监测；温度传感器用于渠基土地温的监测；土压力计用于冻胀作用力的监测；所述用于渠基土含水率传感器含水率的监测；

数据传输采集系统包括MCU测量单元和数据库，MCU测量单元中设有与各传感器类型相应的测量模块，用于控制各传感器进行连续、单次和定量的数据测量；MCU测量单元的测量数据存储入数据库；

监测中心用于根据设定的测点数据采集时间，对原始采集数据进行自动过滤和计算，剔除异常值，并自动绘图，对各监控点的温度、含水率和变形设定预警值，对各监控点的数据进行实时监测分析，当某个监控点的监控数据达到预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。

监测中心进行渠道冻胀预报的步骤为：

步骤1  设定渠基土含水率的预警值为含水率A%，冻胀变形的预警值为冻胀变形率B%，冻胀温度的预警值为连续N天内最低气温低于0℃；

步骤2  当某个监控点的监控数据中的含水率、冻胀变形率和连续N天内最低气温均达到或超过预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。

咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统进一步说明如下：

1. 监测仪器的设置

（1）位移传感器

如图3所示，冻胀-融沉变形的监测采用位移传感器1，位移传感器1上套有PVC套筒2，两端分别连接有万向节4a、4b，其底端的万向节4b固定在渠基土7底部的固定端5上，固定端5为基岩或混凝土墩，位移传感器1垂直穿过渠基土层后顶端万向节4a固定在混凝土衬砌板6上，万向节4a、4b用以位移传感器1设置调整角度使其垂直于渠道表面的混凝土衬砌板6，当位移传感器1长度不够时，需要使用钢筋3焊接加长。位移传感器1的监控点布设需要兼顾渠道底部和边坡的变形。

埋设过程如下：

①在渠道土7底部设置一固定端5，固定端5可以是渠底基岩，也可以是人为设置的混凝土墩，将加长钢筋3固定在固定端5上，加长钢筋3的长度根据土的冻深进行计算。固定的方法为：若固定端5为基岩，可以采用电钻在基岩上钻深约20cm的钻孔，然后将合适直径的螺纹钢筋插入到钻孔中，最后用水泥浆灌封密实，确保钢筋在渠道冻胀力作用下不会滑动；当固定端5采用现浇混凝土墩时，可以直接将螺纹钢筋浇筑在混凝土墩中20cm。

②将位移传感器的底端万向节4b拧紧在加长钢筋3上，注意万向节要能够自由转动；

③在位移传感器1上套上PVC套筒2，以保护位移传感器1，使位移传感器1可以自由行程；

④在位移传感器的顶端万向节4a上拧紧加长钢筋3，渠基土回填夯实，将加长钢筋的另一端固定在混凝土衬砌板6上，固定的方法可采用先将衬砌板按钢筋直径打孔，将将钢筋穿过衬砌板后，用弹性砂浆和聚氨酯材料灌封防水密封后，将螺帽拧紧在钢筋上使钢筋不会滑动。注意万向节4要能自由转动，位移传感器要能自由作动。

（2）温度传感器

渠基土地温的监测采用温度传感器，温度传感器可以直接埋设在渠基土内，为了了解渠基土温度场的变化，可分别在渠道底部和边坡不同深度布设温度传感器，一般可在混凝土盖板下5cm、10cm、20cm、40cm、80cm、160cm深度处各布设温度传感器，具体可根据当地的冻深情况进行合理优化。同时为了了解空气环境温度，可以在渠道底部衬砌板地表放置一支温度传感器。

温度传感器的埋设

温度传感器的埋设比较简单，由于温度传感器的探头外有金属壳保护，因此，可以直接采用挖槽法埋设于渠基土内，需要注意的是埋设好后用原土回填钻孔，并注意对电缆线和温度传感器的保护。

（3）土压力计

渠基土冻胀变形的同时会对混凝土衬砌板产生向上的推举力，本质上是冻胀作用力，该力不容易测定，本发明采用界面式土压力计来测试冻胀作用力。如图2所示，土压力计10采用界面式土压力计，应力感应面11朝向渠基土7，这样当渠基土7冻胀变形时会对土压力计10产生推力作用，渠基土刚开始发生冻胀时，冻胀作用力小于上覆混凝土板的自重应力和找平砂浆层的粘结力及自重应力之和时，混凝土衬砌板6不会隆起变形，即可由土压力计10测出其冻胀力，而当冻胀变形累计达到一定程度时，混凝土衬砌板6会沿伸缩缝隆起甚至或脱落，因此，采用土压力计10可以测试到混凝土衬砌板6发生大的变形时的临界冻胀作用力。

土压力计10的埋设

①将渠基土7按设计干密度压实，在需要埋设土压力计的监控位置，按土压力计10大小将渠基土开槽，土压力计的监控点，应重点布置在渠道底部和渠道行水位以下部分；

②将土压计的应力感应面11朝向渠基土，接触感应面的土体不能有石子等异物，以避免造成应力集中，并要使得土压力计的上表面与渠基土面平齐；

③在土压力计和渠基土7上面铺设水泥砂浆找平层8，然后铺设混凝土衬砌板6。

（4）含水率传感器

在将渠基土按设定干密度逐层压实的过程中，在需要埋设含水率传感器计的监测位置，将传感器放入，并保证将传感器的探针插入到土体中充分接触。

含水率传感器的埋设

适宜的含水率是土体发生冻胀的一个必要条件，含水率的测试采用含水率传感器为了准确测得渠基土含水率，在不同的渠道工程中进行应用时，应事先用该含水率传感器通过室内含水率试验进行标定。

2.  数据的采集和传输

上述各类型传感器安装完毕后，将电缆线接入数据传输采集系统，数据传输采集系统中MCU测量单元可以自动采集频率、电压、电流、电阻等各类型的测量数据，因此，需要根据传感器的类型配置相应的测量模块，例如电压模块、电阻模块或振弦模块等。MCU测量单元可以实现连续数据测量，也可以单次测量和定时测量。采集的数据自动存储进入数据库，并可按仪器类型、设计编号等排列查询。数据传输采集系统既可以采用交流电源供电，在不具备交流电的情况下，可以采用太阳能电池板供电，并需装有避雷装置。

测量单元采集的数据自动建立数据库，数据的传输系统可采用 RS485、TCP/IP网络传输、无线电台传输、公用移动网传输（GPRS/CDMA）等方式，组建方便灵活。系统不仅支持野外就地拖拽式数据下载，更重要的是可实现远程实时数据流传输和文件包下载。

3.  数据的分析和处理

（1）在监测中心可以通过数据处理系统进行长时间连续实时数据处理，数据解算可以对原始数据进行自动过滤，剔除异常值，并自动绘图，同时支持温度、含水率、变形等不同类型数据同时绘图，图形坐标的范围、比例自动调节，也可根据需要自行手动设定和更改。数据的并具有功能强大的图表编辑器，可修改图标标题、图例、颜色等图形参数，所绘图形可存储为BMP、JPEG等格式。

冻胀的预警预报

（2）由于土、水、温是渠道冻胀的三大主导因子，在渠基土已经确定为冻胀性土的情况下，则可以通过水和温的监测预判渠道冻胀发生的可能性，由于我们国家对渠道冻胀的设计采取“允许一定冻胀位移量”的工程设计标准，因此，在确定了允许的冻胀位移量之后，再联合水和温的测定，就可以实现对渠道冻胀的评估预报预警。根据对渠基土各测量数据的实时监测分析，可以设定各监控点的温度、含水率、变形等报警限值，当渠基土的参数达到预设警界值时，可自动发出预警预报信号，包括网络客户端报警、电话语音报警、与预定手机短信息报警等多种形式，从而告知值班人员采取相应措施。

渠道冻胀的预警预报方法

本发明可以根据监测系统的参数设定实现渠道冻胀评估预报的功能，其实现方法如下：

步骤1  首先确定该渠基土是否为冻胀性土：冻胀性是粉土和粘性土具有的特性，粗粒土例如砂土和戈壁料不具有冻胀性，确定渠道是否会发生冻胀破坏的第一步是对渠基土进行土性试验，判断是否为冻胀性土。

步骤2  确定该种渠基土的冻胀含水率：由于土体的性质不同，不同土体发生冻胀的含水率范围也会不同，可以通过室内单元试验或物理模型试验确定需要检测渠基土的冻胀含水率范围，假定该渠基土发生冻胀的起始含水率范围为ω≥A%，那么A%就是含水率的预警值。

步骤3  设定冻胀变形的警戒值：渠基土冻胀时会产生作用力，促使衬砌板变形，但非常微小的变形不会对衬砌板产生明显变位影响，而只有当渠基土冻胀变形达到一定程度时，衬砌板才会隆起、错动或开裂滑落，定义渠基土当其变形率δ超过B%就认为发生了明显的冻胀会对混凝土板产生影响，需要引起注意和采取措施，B%也就是渠道设计时所计算得到的“允许一定冻胀位移量”值，即B%是变形的预警值。

步骤4  设定冻胀温度警戒值：一般情况下，水在0℃下会冻结成冰，从而造成体积膨胀变形，根据我们前期开展的室内试验，渠基土的冻胀在冰点附近变化很剧烈，连续的环境负温是渠基土冻胀的必要条件，假设大气温度t连续N天内最低气温低于0℃，此时渠道渠基土的温度也会逐渐降温至零下，因此渠基土会发生冻胀。

步骤5   渠道冻胀的预报：综合上述含水率、温度和冻胀变形对渠道冻胀产生的影响，满足条件：

，则进行渠道冻胀报警。

Claims (6)

1.咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，包括监测中心、数据采集传输系统和监测仪器，其特征是，所述监测仪器连接数据传输采集系统，数据传输采集系统通过网络连接监测中心，所述监测仪器中包括设置在各监控点的位移传感器、温度传感器、土压力计和含水率传感器；

所述位移传感器用于渠道冻胀-融沉变形的监测；所述温度传感器用于渠基土地温的监测；所述土压力计用于冻胀作用力的监测；所述含水率传感器用于渠基土含水率的监测；

所述数据传输采集系统包括MCU测量单元和数据库，所述MCU测量单元中设有与各传感器类型相应的测量模块，用于控制各传感器进行连续、单次和定量的数据测量；所述MCU测量单元的测量数据存储入数据库；

所述监测中心用于根据设定的测点数据采集时间，对原始采集数据进行自动过滤和计算，剔除异常值，并自动绘图，对各监控点的温度、含水率和变形设定预警值，对各监控点的数据进行实时监测分析，当某个监控点的监控数据达到预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。

2.根据权利要求1所述的咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，其特征是，所述监测中心进行渠道冻胀预报的步骤为：

步骤1  设定渠基土含水率的预警值为含水率A%，冻胀变形的预警值为冻胀变形率B%，冻胀温度的预警值为连续N天内最低气温低于0℃；

步骤2  当某个监控点的监控数据中的含水率、冻胀变形率和连续N天内最低气温均达到或超过预警值时，发出预警渠道冻胀预报信号。

3.根据权利要求1所述的咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，其特征是，所述位移传感器上套有PVC套筒，两端连接有万向节，底端的万向节固定在渠基土底部的基岩上，位移传感器垂直穿过渠基土层后顶端的万向节固定在混凝土板上。

4.根据权利要求1所述的咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，其特征是，所述含水率传感器周围应采用原状土回填压实。

5.根据权利要求1所述的咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，其特征是，所述土压力计采用界面式土压力计，应力感应面朝向渠基土埋设。

6.根据权利要求1所述的咸寒区渠道冻胀多功能自动化监测系统，其特征是，所述温度传感器应直接埋设于渠道不同深度内，传感器周围应采用原状土回填压实。