CN106226360A - 快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土石坝安全检测领域，进一步是一种电阻率法快速测试土石心墙坝表层裂缝空间特征的装置及其使用方法，快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，包括并行电法采集器，还包括1个或多个测试装置，测试装置包括带有至少20个小孔的基座和铜棒，所述铜棒插入基座的小孔内，铜棒的底端为圆饼状，铜棒的顶端通过铜线与并行电法采集器连接。本发明是一种间接的测试土石坝表层裂缝的手段，具有快速、立体、无损动态监测的优势，方便准确地描述出表层裂缝的形态及在地下的扩展程度，成功实现对当前大坝裂缝的全方位扫描式观测，预测或预防裂缝的恶性发展，为裂缝的安全性评价及有的放矢地治理工作提供资料。

Description

快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及土石坝安全检测领域，具体属于一种浅表土层裂缝检测技术，更进一步是一种电阻率法快速测试土石心墙坝表层裂缝空间特征的装置及其使用方法，本发明主要适用于水库、山塘、堤防、水渠、尾矿坝、路基等工程设施的表层裂缝隐患检测，也可适用于大坝劈裂灌浆表面裂缝伸缩过程的动态控制、滑坡体蠕动的位移连续测试以及煤矿塌陷区表层塌陷机理的测试工作等。

背景技术

土石坝是我国大坝类型中应用最为广泛，数量最多的挡水工程形式，尤其在中小型水库、山塘、河道等蓄水设施中占据举足轻重的地位，为保障人民群众日常生产、生活的供需发挥着重要地作用。然而，通常土石坝因运行年限、基础设计、施工质量、建筑材料以及日常管理等复杂因素综合作用下，导致在坝体表面或者内部形成明显或者隐伏的交错裂缝，按其延展方向细化分为龟裂缝，纵向裂缝和横向裂缝。大坝表层裂缝病害现象，尤其对于新建或除险加固完成后的心墙坝表层的裂缝病险问题，其大大破坏了心墙的整体性和稳定性，局部可能引起渗漏破坏或整体结构安全性不足，危机大坝的正常运行安全。

由于土石坝具有适应变形和自我愈合的特点，一般裂缝对大坝结构正常使用并无大碍，但是有些裂缝在内外动力作用之下不断扩展、贯通、恶化，降低土石坝的使用寿命，引发了局部的坝体垮塌、滑坡、渗漏等病害事件。尤其，对于新建或者除险加固完成后的粘土心墙坝，若坝顶防渗表层上出现裂缝不仅影响大坝的整体美观效果，且与水利工程的标准化管理相悖，也可能隐藏潜在地安全隐患问题。总之，针对土石坝裂缝必须要明确裂缝的空间展布特点及性状，为引起裂缝产生原因的论证提供支撑资料，从而针对性地选取恰当的修复工艺和材料以及指导大坝运行过程的防治措施工作，达到防患于未然的功效。

土石坝裂缝宽度、深度、走向等空间参数的获取，常规采取开挖的手段因破坏了土体原状内部结构，工作效率较低下，易受到自然条件的影响，且测量精度达不到要求，该方法已作为一种备选方案；红外热像法、全球定位系统、三维激光扫描、二维摄像等方法因费用较高且受外界干扰较大，虽具有“可见即所得”的优势，但看不到沿垂向上感兴趣裂缝的变化，在预测及预报性监测方面还存在实际操作力不强等问题，真正达到全面推广使用还存在差距。近些年，以介质之间的弹性、密度、导电性、介电性等差异作为识别依据的无损检测技术得到快速发展，在土体裂缝探测中发挥出了高效、准确、透视的优势。以电阻率法为例，利用裂缝体与周围土体具有明显的电阻率差异作为研究对象，一般通过在坝体表面上布置多道电极，利用电法仪器采集数据并结合配套软件解释，图像直观可靠，根据其发育特点及变化特征，从而判断出裂缝的大致位置以及宽度。相比先前的技术方法，测试速度较快，成本更低。

裂缝是具有一定空间形态的复杂“地质体”，研究裂缝的空间特征必须要立足于全局观测，然而目前的无损检测技术仅集中在通过获取裂缝的二维图像并不能诠释完整的裂缝规律，且垂直深度判断也夹杂人为误差。此外，大坝裂缝是不断发展地，坝体表面的裂缝可能是由隐伏的、潜在的裂缝逐步恶化形成的，对于裂缝的检测工作不应局限于当前的一次性检测，应多次、多方位更全面的监测，为准确地查明坝体裂缝的空间展布规律(裂隙的分布、深度、开度和延伸度)，同时对裂缝产生的前因后果有更为清楚、深刻、动态的认识，进而科学地制定预警和处理方案。

发明内容

针对当前大坝表层裂缝病害现象，在总结和分析了当前检测手段存在不足的背景下，本发明提出一种利用裂缝体与周围介质之间导电性地显著差异作为物性基础的检测装置及方法，该发明具有测试时间短，准确度高，可实现测试过程中电阻率成果的快速展示，结合大坝基本构架及长期运行资料，立体化地反映出裂缝的空间展布规律。采用多频次数据收录模式，勾画出裂缝形态在时间和空间中的孕育机理，为裂缝的专业化处理提供技术资料。

快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，包括并行电法采集器，还包括1个或多个测试装置，测试装置包括带有至少20个小孔的基座和铜棒，所述铜棒插入基座的小孔内，铜棒的底端为圆饼状，铜棒的顶端通过铜线与并行电法采集器连接。

还包括上位机、无穷远电极和参比电极，上位机分别与采集器、无穷远电极、参比电极之间通过通讯线连接；并行电法采集器接受采集命令、数据采集、数据存储以及数据传输到上位机；上位机发送命令﹑参数设置﹑数据回收以及数据处理。

优选的，所述基座形状为矩形，圆形，椭圆形或不规则形状。

优选的，所述基座为透明的有机玻璃板，小孔在基座上一字型排列。

优选的，所述有机玻璃板两侧边有四个可自由调节高度的支架。

优选的，铜棒的中心位于有机玻璃板内，并采用导电凝胶固定。

优选的，基座宽度为5cm，厚度为0.5cm；基座上小孔的间距为2～5cm等距或不等；小孔的孔径为0.25cm；铜棒外径为0.2cm，长度为4.5cm。

优选的，所述基座上设有20～40个小孔。

优选的，所述铜线外层有绝缘涂层，铜丝与铜棒连接处外层用防水胶带包裹。

优选的，所述铜线依次在基座一端汇聚成束组成模块端口。

优选的，所述模块端口通过多芯航空插头与并行电法采集器连接。

另外本发明还提供了快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置的使用方法，即现场测试方法，包括如下步骤：

1)根据现场工作条件、裂缝大致分布特点以及坝体结构在裂缝两侧或周边分别安放测量装置，测试装置的长度根据初步裂缝的具体调查情况选取，测试装置底座的形状依裂缝的走向而选择；

2)把测试装置的铜线有序地利用多芯航空插头与并行电法采集器连接；

3)当一个测站测量完成后，位于裂缝两侧的测试装置同步沿相同方向移动一样的长度；如此循环移动，待测试装置的尾端位于裂缝不明显的位置时，本次测试工作结束。

如果使用上位机进行实时控制，具体包括如下步骤：

1)根据现场工作条件以及坝体结构在裂缝两侧或周边分别安放测量装置，测试装置的长度根据初步裂缝的具体调查情况选取，测试装置底座的形状依裂缝的走向而选择；

2)把测试装置的铜线有序地利用多芯航空插头与并行电法采集器连接；

3)当一个测站测量完成后，位于裂缝两侧的测试装置同步沿相同方向移动一样的长度；如此循环移动，待测试装置的尾端位于裂缝不明显的位置时，本次测试工作结束；

4)分别把回收到上位机里的每个测站的数据进行处理，处理过程包括数据解编，畸变点剔除，曲线平滑以及格式转化；把处理后的每个数据按实际现场测试情况赋予空间坐标，并对全测站数据拼接起来形成海量的数据体；

5)把数据体导入到专业的立体化反演软件中去，设置反演参数，启动反演程序，最终得到裂缝空间分布的电阻率立体化图像。

本发明提供了一种土石坝表层裂缝测试装置，现场测试的工作方法以及裂缝形态的立体化展示等三个关键技术方案。具体分为以下几个方面：

1.一种土石坝裂缝的测试装置，其具体内容在于：

土石坝裂缝的测试装置为电法测试系统布置及信号采集的基本组成部分，该装置设计简单，操作方便，利于现场数据的快速采集。所述测试装置是由透明的有机玻璃板构成的基本基座骨架，所述有机玻璃板基座的尺寸采用宽度为5cm，厚度为0.5cm，长度可根据现场初步调查地裂缝的宽度及深度自由设定；所述有机玻璃板沿长度的中轴线方向上布置32个小孔，小孔孔径0.25cm，小孔间距由现场调查得到的裂缝宽度和深度自由设定，一般对于表土层裂缝优先推荐最小间距为2～5cm等距或不等；所述小孔用于插入铜棒，铜棒外径为0.2cm，长度为4.5cm，铜棒的中心位于基座中心上，所述铜棒与有机玻璃上的小孔采用导电凝胶固定耦合，所述铜棒数量为32根，一字型排列在有机玻璃板上，所述铜棒附近有序号标记，分别依次记作1#，2#，3#……32#；所述每一根铜棒的一端与铜线相连接，连接处采用铜丝紧密缠绕，外层利用防水胶带包裹；所述铜线外层有绝缘涂层，在有机玻璃的一端汇聚成束，组成模块端口，端口采用多芯航空插头并与并行电法采集器连接；所述铜棒的另一端为圆饼状，其直径为0.5cm。

上述所述铜棒圆饼状端头位于下部，圆饼状端头可以涂抹导电胶，所述导电胶增加铜棒与坝体的耦合效果；

所述基座两侧边有四个可自由调节高度的支架，通过支架的合理调节促使基座平稳放置；

所述有机玻璃板为无色透明的，方便从上方观察铜棒圆饼状端的耦合情况；

其中，有机玻璃板的铺设方向为裂缝的延展方向；

本发明采用的电法仪器为并行电法仪，该电法仪器具有拟地震数据采集的优势，单点供电，测试上所有点可以同步采集电位值，工作效率高；

特别地，所述上述测试装置有两个，分别在裂缝两侧或周边布设，且铜棒序号排序对应一致。

2.现场测试的工作方法，其特征在于：

对现场工作条件以及坝体结构初步了解认识的基础之上，设计施工方案，优化地布置现场工作系统；在裂缝的a、b侧分别安放如1所述的测量装置，测试装置的长度根据初步裂缝的具体调查情况选取。把裂缝a、b两侧布设地测试装置中的铜棒有序地通过铜线有序地利用多芯航空插头与并行电法采集器连接，所述采集器具有接受采集命令、数据采集、数据存储以及数据传输到上位机的多重功能；上位机具有发送命令﹑参数设置﹑数据回收以及数据处理的功能；上位机与采集器之间通过通讯线连接；无穷远电极和参比电极置于距离测线较远处，一般布置在测线移动方向上且距离最后一道测站的距离大于测试装置总长的3～5倍。

当一个测站测量完成后，位于裂缝两侧的测试装置同步沿相同方向移动一样的长度，一般移动的距离为测试装置的一半，避开了测试盲区对结果解译的干扰，同时多次覆盖提高了测试的精度；如此循环移动，待测试装置的尾端位于裂缝不明显的位置时，本次测试工作结束。

其中，测站的移动方向应与裂缝的最大延展方向一致。

3.成果展示及解译：

分别把回收到上位机里的每个测站的数据进行处理，处理过程包括数据解编，畸变点剔除，曲线平滑以及格式转化等步骤；把处理后的每个数据按实际现场测试情况赋予空间坐标，并对全测站数据拼接起来形成海量的数据体。

把数据体导入到专业的立体化反演软件中去，设置反演参数，启动反演程序，最终得到裂缝空间分布的电阻率立体化图像。

所述立体化图像可根据需要，选择不同的展布分析，包括沿不同方向上的电阻率切片图、反演立体图、动态展示图以及透视图等表达形式。

通过比较有无裂缝位置的电阻率差异，判断出裂缝的发育状况及变化特征，并结合有关的土石坝结构及运行资料，从而合理高效地判断出裂缝的形态、规模、埋深、走向及平面分布等空间位置参数。

重要的是，该发明涉及土石坝表层裂缝的检测装置和方法，所述探测装置有机玻璃骨架形状可根据裂缝的形状设计成矩形，圆形，椭圆形等以及不规则形状。

本发明的优点：

本发明是把利用介质之间电阻率差异探测技术引进到土石坝裂缝检测中来，并根据探测成果确定出裂缝的形状、宽度、长度、深度和错距等空间展布信息，实现对裂缝的全方位透视化检测，克服了当前检测手段不能多角度连续性检测的难题，达到了快速判读出裂缝产生原因的目的。本发明一种快速测试土石心墙坝表层裂缝空间特征的装置及方法与当前测试手段比较，凸显出以下优势：

1.本发明测试装置布设简单，操作方便，成本低廉，简单易携带，更为先进性、实用性的解决当前土石坝表层裂缝检测的诸多问题；

2.现场测试过程简单，利用人工建立的电流场为信息的载体，采用连续性滚动测量，避免了测试盲区，同时提高了测试的精准程度，用于提高对裂缝检测的准确性。

3.采用的测试技术为并行电法，该技术采用拟地震采集方式，单点供电，多通道电位同时采集，测试时间短，数据信息丰富，同步并行化测量有效的压制随机噪声干扰，高效地获取海量的数据为电阻率的立体化展示打下基础；

4.解译图像采用立体化展示形式，适应于规则或不规则裂缝，全面多角度可视化显示出不同空间位置的电阻率展布信息，结合有关大坝结构资料以及运行信息，更为精细化直观的反映出裂缝的具体形态。

5.本发明还可以用于对表层裂缝的发育过程进行连续性监测，实时地计算出裂缝的分布状况，并对裂缝的产生与发展动态进行记录与分析，进而研究裂缝形成的机理，为大坝灾害的预警及预防措施的设计提供技术资料。

本发明是一种间接的测试土石坝表层裂缝的手段，具有快速、立体、无损动态监测的优势，方便准确地描述出表层裂缝的形态及在地下的扩展程度，成功实现对当前大坝裂缝的全方位扫描式观测，预测或预防裂缝的恶性发展，为裂缝的安全性评价及有的放矢地治理工作提供资料。

附图说明

图1是心墙坝裂缝检测装置。

图2是现场检测布置示意图。

1―基座；2―铜棒；3―圆饼头；4―多芯电缆；5―多芯航空插头；6―支架；7―旋钮；8―长条形木块；9―测试迁移方向；10―裂缝；11―上位机；12―通讯线；13―采集器；14―无穷远极B；15―参比N电极。

具体实施方式

本发明是针对土石坝表层裂缝现象而提出的一种快速测试土石心墙坝表层裂缝空间特征的装置及方法，相比现状，其先进性、创新性体现对大坝表层裂缝的电阻率特征可快速查明，设计装置简单，易于操作、成本低廉、结果可靠，结合大坝结构及运行资料，准确判断出大坝裂缝的空间信息，为研究裂缝的产生及扩展过程提供资料，进而有的放矢地采取合理的维修治理技术和工程管理手段保证水库的安全运行。

为使本发明的创新性实用性能够很好的表达，结合附图全面详细地说明具体实施方式如下：

一种土石坝裂缝的测试装置包括装置的基座1，基座1的尺寸宽度为5cm，厚度为0.5cm；有机玻璃板1沿长度的中轴线方向上布置32个小孔，小孔孔径0.25cm，每个小孔中插入铜棒2，铜2外径为0.2cm，长度为4.5cm，铜棒2的中部位置与基座1之间用导电凝胶粘结；铜棒的下端端为圆饼头3与地面接触，圆饼状端头3可以涂抹导电胶，所述导电胶增加铜棒与坝体的耦合效果；铜棒的上端利用多芯电缆4串联起来，通过多芯航空插头5与并行电法采集器9相连接。基座1是由四个支架6支撑，支架6分别位于有机玻璃板的两侧并呈对称安置，同一侧两支架有一定的间距，支架6是由可自由调节角度的旋钮7以及长条形木块8构成，为增大木块8与地面的摩擦在其表面包裹绒布。

所述铜棒2数量为32根，一字型排列在基座1上，所述铜棒附近有序号标记，分别依次记作1#，2#，3#……32#。

所述基座小孔一般对于表土层裂缝优先推荐最小间距为2～5cm等距或不等；

所述有基座1为无色透明的有机玻璃板，方便从上方观察铜棒圆饼状端的耦合情况；

一种快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置及方法现场工作的步骤：

1.在初步了解裂缝的大致宽度、走向以及深部延伸范围的基础之上，设计出测试方案，包括电极极距的选择，位于裂缝两侧测试装置间距的大小，测线长度的控制以及测试装置的牵引方向等。测试过程中，把两测试装置a，b分别布设在裂缝10的两侧，其中测试装置a，b中的铜棒圆饼端3与大地通过导电溶胶良好耦合，其中测试装置a，b铜棒分别利用多芯电缆线4汇聚成束并通过多芯航空插头5与采集器13连接，采集器13用于接收上位机11发布的命令采集数据，采集器13可连接无穷远B极14和参比N电极15。

其中，无穷远B极14只用作构成电流回路的作用，对测试电极的所在电场无影响，一般布置在测线移动方向上且距离最后一道测站的距离大于测试装置总长的3～5倍。

其中，参比N极15作为电位的基准，用作各测试电极测量电位的归一化作用，一般布置在测线移动方向上且距离最后一道测站的距离大于测试装置总长的3～5倍。

2.通过测试装置支架6中的旋钮7和长条形木块8调节测试装置的平衡，待调节稳定后，上位机11设置供电时间，采样间隔，供电方式以及采集模式等参数，并发送命令到采集器13，采集器13接收命令并开始数据的采集与存储工作，数据采集结束后，上位机11发出数据回收命令，存储在采集器13的原始数据将通过通讯线传输到上位机上。

其中，采集器13和上位机11之间通过通讯线12进行命令的传达和数据的回收。

一个测站完成后，测试装置向裂缝的走向方向移动测线长度的一半距离进行下一次测量，测试步骤如同上述，逐次完成整个裂缝长距离快速检测工作。

值此提及到测站的移动，如图2所示。a，b分别记作位于裂缝两侧的测试装置；a₁₁记作装置a中第一次测量的起始点；a₁₂记作装置a中第一次测量的终点；a₂₁记作装置a中第二次测量的起始点；a₂₂记作装置a中第一次测量的终点，以此同理。b₁₁记作装置b中第一次测量的起始点；b₁₂记作装置b中第一次测量的终点；b₂₁记作装置b中第二次测量的起始点；b₂₂记作装置b中第一次测量的终点，以此同理。待一次测量完成后，测试装置a，b同步向裂缝走向方向移动装置长度的一半，即第二次测量的起始点位于第一次测量的中点，第三次测量的起始点位于第一次测量的终点。

3.回收到上位机11的多测站电探数据利用配套的软件进行畸变值去除、平滑滤波以及数据拼接处理后，根据不同测站的实际坐标位置，把所有数据按照空间坐标位置拼接起来，形成一个三维空间数据体；把该数据体导入数据反演软件内，改变反演参数，不断修正迭代，最终获取立体化的电阻率图像；结合有关资料，合理的判断出裂缝的空间参数，为裂缝的维护处理提供有效的指导。

Claims (10)

1.快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，包括并行电法采集器，其特征在于：还包括1个或多个测试装置，测试装置包括带有至少20个小孔的基座和铜棒，所述铜棒插入基座的小孔内，铜棒的底端为圆饼状，铜棒的顶端通过铜线与并行电法采集器连接，所述小孔间距等同或不等。

2.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：还包括上位机、无穷远电极和参比电极，上位机分别与采集器、无穷远电极、参比电极之间通过通讯线连接；并行电法采集器接受采集命令、数据采集、数据存储以及数据传输到上位机；上位机发送命令﹑参数设置﹑数据回收以及数据处理。

3.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：所述基座形状为矩形，圆形，椭圆形或不规则形状。

4.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：所述基座为透明的有机玻璃板。

5.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：铜棒的中心位于基座内，并采用导电凝胶耦合。

6.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：所述基座上设有20～40个小孔，小孔在基座上一字型排列；所述有基座两侧边有四个可自由调节高度的支架。

7.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：所述铜线外层有绝缘涂层，铜丝与铜棒连接处外层用防水胶带包裹。

8.根据权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置，其特征在于：所述铜线通过多芯航空插头与并行电法采集器连接。

9.权利要求1所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据现场工作条件以及坝体结构在裂缝两侧或周边分别安放测量装置，测试装置的长度根据初步裂缝的具体调查情况选取，测试装置底座的形状依裂缝的走向而选择；

2)把测试装置的铜线有序地利用多芯航空插头与并行电法采集器连接；

3)当一个测站测量完成后，位于裂缝两侧的测试装置同步沿相同方向移动一样的长度；如此循环移动，待测试装置的尾端位于裂缝不明显的位置时，本次测试工作结束。

10.权利要求2所述的快速测试心墙坝表层裂缝空间特征的装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据现场工作条件以及坝体结构在裂缝两侧或周边分别安放测量装置，测试装置的长度根据初步裂缝的具体调查情况选取，测试装置底座的形状依裂缝的走向而选择；

2)把测试装置的铜线有序地利用多芯航空插头与并行电法采集器连接；无穷远电极和参比电极置于距离测线较远处；

3)当一个测站测量完成后，位于裂缝两侧的测试装置同步沿相同方向移动一样的长度；如此循环移动，待测试装置的尾端位于裂缝不明显的位置时，本次测试工作结束；

4)分别把回收到上位机里的每个测站的数据进行处理，处理过程包括数据解编，畸变点剔除，曲线平滑以及格式转化；把处理后的每个数据按实际现场测试情况赋予空间坐标，并对全测站数据拼接起来形成海量的数据体；

5)把数据体导入到专业的立体化反演软件中去，设置反演参数，启动反演程序，最终得到裂缝空间分布的电阻率立体化图像。