CN105442520B - 边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，包括：布设于边坡上用于感测边坡岩体的微破裂信号的若干微震传感器，布设于边坡上用于感测边坡不同深度变形的分布式MEMS变形观测仪，布设于大坝上用于感测坝体施工期、初次蓄水期全过程变形的分布式MEMS变形观测仪，MEMS变形观测仪由无线传输模块及若干MEMS加速度传感器串联而成；数据采集及处理子系统，用于采集微震传感器感测的边坡岩体的微破裂信号，及MEMS加速度传感器感测的边坡、坝体的变形数据，根据采集的数据分析、监测边坡与坝体的变形稳定情况。本发明能够连续监测整个施工过程以及初次蓄水全过程中，高混凝土坝近坝区的整体变形稳定情况。

Description

边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统

技术领域

本发明涉及一种高混凝土坝近坝区边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，属于水利水电施工技术领域。

背景技术

目前的高坝多建设在高山峡谷，施工过程主要包括边坡开挖、基础开挖、基础处理、坝体浇筑(填筑)等，每个施工环节都会对山体产生扰动，随着施工工序的进展引起边坡变形，不利条件下会引起局部的垮塌，甚至导致边坡失稳。当坝体开始浇筑后，山体的变形会对大坝产生挤压作用给大坝带来初始应力，施工期触发的时效变形有时会在大坝竣工后很长时间难以收敛。高混凝土一般是以分缝分块的方式浇筑，当坝块浇筑到一定高度时采用接缝灌浆的方式将坝块连成整体，从第一仓混凝土浇筑起坝体就在自重、温度及基础变形的作用下发生变形，导致应力的不断变化，这些变形和应力会一直影响着坝体后期的工作形态。因此，对自边坡及基础开挖起到第一仓混凝土浇筑直至水库蓄水全过程的边坡和坝体进行连续的变形监测，监测边坡的稳定与安全性，具有重要意义。

现有监测边坡变形的常规方法包括：布设外观测点监测表面变形、布设固定或滑动式测斜仪、多点位移计、水平位移计等监测深部变形；上述监测过程在施工期均难以实现自动化，难以实时连续监控施工期边坡的稳定性。

现有监测高坝坝体变形的方法主要依赖于垂线及其他外部变形监测方法，这些技术手段在施工后期临近蓄水过程才具备实施条件，难以捕捉拱坝施工早期的变形过程。事实上，目前拱坝建设中，对垂线安装前拱坝所产生的变形的大小，及其对拱坝初次蓄水期工作性态的影响是坝工界争论的焦点。因此，有必要开展拱坝施工期全过程的变形监测。

综上所述，目前的高坝近坝区边坡及大坝变形稳定的监测方法存在空间上离散、时间上断续的缺点，无法对近坝区边坡和高坝坝体自施工开始到运行期进行空间上的全过程监控。

发明内容

有鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，能够实时、连续的监测近坝区边坡和高坝坝体整个施工过程及初次蓄水期全过程中的变形稳定情况。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，包括：

布设于边坡上用于感测边坡岩体的微破裂信号的若干微震传感器，

布设于边坡上用于感测边坡不同深度变形数据的分布式MEMS变形观测仪，

布设与拱坝上用于感测坝体施工期、初次蓄水期全过程变形数据的分布式MEMS变形观测仪，

该MEMS变形观测仪由无线传输模块及若干MEMS加速度传感器串联而成；

数据采集及处理子系统，用于采集微震传感器感测的边坡岩体的微破裂信号，及MEMS加速度传感器感测的边坡、岩体的变形数据，根据采集的数据分析、监测边坡与坝体的变形稳定情况。

进一步的，

所述数据采集及处理子系统包括数据采集分站和数据处理中心，所述微震传感器经电缆与该数据采集分站的主处理器建立数据连接，所述MEMS变形观测仪的无线传输模块与该数据采集分站的无线传输模块建立无线数据连接，该数据采集分站与数据处理中心通过有线、无线或网络连接方式建立数据连接。

所述数据采集分站部署于边坡上相对稳定的区域以及坝体廊道内。

所述MEMS变形观测仪由串联于电缆上的MEMS加速度传感器及无线传输模块构成，该电缆上每间隔30cm～100cm设置一个MEMS加速度传感器，该电缆的上端部电性连接无线传输模块。

所述MEMS变形观测仪通过钻孔安装于所述边坡上，所述MEMS变形观测仪通过埋孔安装与所述拱坝上。

将多个所述MEMS变形观测仪呈竖直束状通过埋孔方式安装于所述拱坝上。

本发明的优点是：

1、本发明能够实时、连续的监测从边坡开挖、基础开挖、直至大坝浇筑整个施工过程以及初次蓄水的全过程中，高混凝土坝近坝区边坡变形、边坡稳定、大坝坝块及整体变形稳定情况；

2、本发明能够覆盖较大的监测范围，能够对近坝区边坡和高坝坝体自施工开始到运行期的变形稳定进行空间上全过程的实时监测；

3、本发明能够获取边坡与大坝施工早期的变形过程数据，为高混凝土坝全生命周期安全稳定评价提供有力的数据支撑。

附图说明

图1是本发明的监测系统的总体布置示意图。

图2是本发明的监测系统的网络拓扑示意图。

图3是本发明的微震监测子系统的布置示意图。

图4是本发明的微震监测子系统的网络拓扑示意图。

图5是本发明的MEMS变形观测仪的布置示意图。

图6A是本发明的MEMS变形观测仪的使用状态示意图之一。

图6B是本发明的MEMS变形观测仪的使用状态示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明公开的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，包括微震监测子系统、分布式MEMS变形观测仪、数据采集及处理子系统；

微震监测子系统包括布设于边坡上的若干微震传感器，用于感测边坡岩体爆破开挖、混凝土浇筑及蓄水过程中产生的各种触发岩石微破裂的信号。其中，微震传感器的布设位置根据前期的地质调查确定，一般布置于边坡断层、节理裂隙较为发育处，可圈定和识别近坝区岩体的潜在危险区域。

MEMS变形观测仪由若干MEMS加速度传感器及一个无线传输模块串联而成，于一具体实施例中，电缆上每间隔30cm～100cm设置一个MEMS加速度传感器(外套壳体)，电缆上端部电性连接无线传输模块，用于将各个MEMS加速度传感器感测的数据传输至对应的数据采集分站；在实际施工过程中，MEMS变形观测仪可根据需要通过串联不同个数的MEMS加速度传感器灵活改变仪器长度，可观测仪器轴线沿程的变形情况。

分布式MEMS变形观测仪布设于边坡上可能存在滑动变形风险的位置，用于感测边坡上不同深度的变形，观测坝区边坡在施工和蓄水干扰影响下的变形情况，实现对边坡稳定性的监测；在安装位置通过钻孔安装仪器。

分布式MEMS变形观测仪布设于拱坝上的典型坝段位置，用于实时连续感测拱坝于施工期及初次蓄水期的变形，观测坝段随浇筑、蓄水、水位变化引起的变形情况。安装方法是：在坝段内部合适的位置通过埋孔的方式安装仪器，将仪器的一端固定于基础内钻孔的底部(多个MEMS变形观测仪呈竖直束状安装于孔底)，也可以固定于坝基础部位，仪器另一端卷成捆状放置于坝段混凝土浇筑的顶面，随着混凝土浇筑坝体不断升高，捆状仪器不断展开埋设于坝体内部。

数据采集及处理子系统包括数据采集分站和数据处理中心两部分。数据采集分站部署于边坡上相对稳定的区域以及坝体廊道内，各个微震传感器经电缆与数据采集分站的主处理器建立数据连接，各个微震传感器采集的边坡岩体的微破裂信号经电缆传输至数据采集分站，各个MEMS变形观测仪上的无线传输模块与数据采集分站的无线传输模块实现无线数据连接，各个MEMS加速度传感器采集的边坡、拱坝的变形数据经无线传输模块传输至数据采集分站；

数据处理中心部署于施工现场指挥中心，根据施工现场的实际情况，数据采集分站与数据处理中心可通过有线(电缆、光缆)、无线(无线传输模块)或是网络连接方式建立数据连接，数据采集分站将接收的边坡岩体的微破裂信号及边坡、拱坝的变形数据传输至数据处理中心，数据处理中心可根据微震传感器感测的边坡岩体的微破裂信号，分析微破裂的大小、集中程度、破裂密度，分析岩体微破裂时空分布规律及稳定性演化进程，圈定和识别近坝区岩体潜在危险区域，进而判断边坡局部和整体的可能失稳情况，数据处理中心还根据MEMS加速度传感器采集的边坡、拱坝的变形数据，监测边坡在施工和蓄水干扰影响下的变形情况，监控边坡的稳定性，并监测坝段随浇筑、蓄水、水位变化引起的变形情况。

数据处理中心进一步可将采集的数据上传至远端的控制中心。

本发明的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，通过布设于边坡上的微震监测子系统、布设于边坡上的分布式MEMS变形观测仪、布设于拱坝上的分布式MEMS变形观测仪所构成的全监测网，可实现从边坡开挖、基础开挖、直至大坝浇筑整个施工过程以及初次蓄水过程中，实时、连续地监测高混凝土坝近坝区的边坡变形、边坡稳定、大坝坝块及整体变形的总体情况；本发明的系统能够覆盖较大范围的区域，能够对近坝区边坡和高坝坝体自施工开始到运行期的变形稳定进行空间上的全过程实时监测，获取边坡与大坝施工早期的变形过程数据，从而为高混凝土坝全生命周期安全稳定评价提供有力的数据支撑。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，其特征在于，包括：

布设于边坡上用于感测边坡岩体的微破裂信号的若干微震传感器，

布设于边坡上用于感测边坡不同深度变形数据的分布式MEMS变形观测仪，

布设于拱坝上用于感测坝体施工期、初次蓄水期全过程变形数据的分布式MEMS变形观测仪，

该MEMS变形观测仪包括串联于电缆上的若干MEMS加速度传感器，该电缆上每间隔30cm～100cm设置一个MEMS加速度传感器，该电缆的上端部连接无线传输模块，

将MEMS变形观测仪的一端固定于基础内钻孔的底部，或是固定于坝基础部位，另一端卷成捆状放置于坝段混凝土浇筑的顶面，随着混凝土浇筑坝体不断升高，卷成捆状的MEMS变形观测仪不断展开埋设于坝体内部，

数据采集及处理子系统，用于采集微震传感器感测的边坡岩体的微破裂信号，及MEMS加速度传感器感测的边坡、岩体的变形数据，根据采集的数据分析、监测边坡与坝体的变形稳定情况。

2.根据权利要求1所述的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，其特征在于，所述数据采集及处理子系统包括数据采集分站和数据处理中心，所述微震传感器经电缆与该数据采集分站的主处理器建立数据连接，所述MEMS变形观测仪的无线传输模块与该数据采集分站的无线传输模块建立无线数据连接，该数据采集分站与数据处理中心通过有线、无线或网络连接方式建立数据连接。

3.根据权利要求2所述的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，其特征在于，所述数据采集分站部署于边坡上相对稳定的区域以及坝体廊道内。

4.根据权利要求3所述的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，其特征在于，

所述数据处理中心根据微震传感器感测的边坡岩体的微破裂信号，分析微破裂的大小、集中程度、破裂密度，分析岩体微破裂时空分布规律及稳定性演化进程，圈定和识别近坝区岩体潜在危险区域，判断边坡局部和整体的可能失稳情况；数据处理中心根据MEMS加速度传感器采集的边坡、拱坝的变形数据，监测边坡在施工和蓄水干扰影响下的变形情况，监控边坡的稳定性，并监测坝段随浇筑、蓄水、水位变化引起的变形情况。

5.根据权利要求1所述的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，其特征在于，所述MEMS变形观测仪通过钻孔安装于所述边坡上，所述MEMS变形观测仪通过埋孔安装于所述拱坝上。

6.根据权利要求5所述的边坡和大坝施工期、初次蓄水期全过程变形稳定监测系统，其特征在于，将多个所述MEMS变形观测仪呈竖直束状通过埋孔方式安装于所述拱坝上。