CN109059845B - 一种面板堆石坝内部形变监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面板堆石坝内部形变监测方法及监测系统，监测方法包括：预先在待监测的坝体内部埋设柔性抗压管道，并投放监测装置；控制监测装置沿着柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，进行三维曲线测量，并将测量数据发送至处理终端；处理终端进行三维曲线解算，对不同时期的三维曲线进行配准与对比，得到柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系，并计算得到水平位移、垂直沉降以及面板扰度。相对于传统的点式埋设测量仪器的方法，本发明只需在测量时投放监测装置，规避了现有技术中对已经埋入的测量仪器维护的难题；节省了成本，并且发明可以同时监测出面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度，提高了监测效率与监测精度。

Description

一种面板堆石坝内部形变监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及大坝安全监测及测量技术领域，具体涉及一种面板堆石坝内部形变监测方法及监测系统。

背景技术

面板堆石坝是一种重要水坝类型。面板挠度和坝体内部垂直沉降、水平位移是反应面板堆石坝变形状况的重要安全指标。当这些安全指标超过一定阈值，将会影响大坝的安全性，因此需要对这些安全指标进行精密监测。

但是现有技术中对于上述安全指标的监测需要分别设置不同的测量仪器，并且对于测量仪器的设置均采用点式埋设的方式，而一旦将测量仪器安装埋设后便不能进行维修，且本身易损坏，仪器存活率较低，影响监测数据的完整性和测量精度。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种面板堆石坝内部形变监测方法及监测系统，旨在解决现有技术中的无法对安全指标统一测量，并且现有技术中的测量仪器无法进行维修，影响监测等问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述监测方法包括：

步骤A、预先在面板堆石坝的待监测的坝体内部埋设柔性抗压管道，并所述柔性抗压管道内投放监测装置；所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形；

步骤B、控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量，并将测量数据发送至预设的处理终端；

步骤C、所述处理终端在接收所述测量数据后，进行三维曲线解算，对不同时期的三维曲线进行配准与对比，得到所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述步骤A具体包括:

步骤A1、预先在所述面板堆石坝建造时，在待监测的坝体内埋设柔性抗压管道；

步骤A2、在所述柔性抗压管道的沿线接缝处均匀布设磁标志，所述磁标志与所述柔性管道之间通过铁箍固连；

步骤A3、在所述柔性抗压管道的起始点投放用于对所述柔性抗压管道内的三维曲线进行测量的监测装置。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述步骤A1具体包括:

在埋设所述柔性抗压管道时，利用细石或者细沙料对所述柔性抗压管道外表面进行包覆；

采用热熔的方式对不同段的柔性抗压管道进行熔接。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述柔性抗压管道采用抗压能力大于1.0Mpa的PE供水管。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述步骤B具体包括：

步骤B1、预先在所述柔性抗压管道的起始点处设置强制对中装置；

步骤B2、将监测装置上特定测量点与管口中心对齐，并通过强制对中装置上安装的棱镜准确测量管口中心位置；

步骤B3、控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，并在运动的过程中对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量；

步骤B4、将测量数据发送至与所述监测装置连接的处理终端。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述监测装置中的监测单元包括惯导、里程计以及磁力计。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述步骤C具体包括：

步骤C1、所述处理终端接收到测量数据后利用卡尔曼滤波算法对监测装置所测量到的惯导数据、里程计数据进行融合，并利用柔性抗压管道的起始点与终点对测量误差进行修正；

步骤C2、对滤波结果进行RTS平滑，得到所述柔性抗压管道的三维曲线；该三维曲线为埋设的柔性抗压管道的形变的中轴线；

步骤C3、对不同时期的同一柔性抗压管道的三维曲线按照里程距离进行粗配准，再按照磁标志的磁强度进行精确配准，并对比不同时期配准的三维曲线，得出所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系；

步骤C4、根据所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度。

所述的面板堆石坝内部形变监测方法，其中，所述步骤C3还包括：

对同一时期、同一柔性抗压管道多次测量的三维曲线进行配准，并根据三维曲线计算得到的精度进行加权平均，提高输送三维曲线的精度。

一种面板堆石坝内部形变监测系统，其中，所述系统包括：

预先埋设在待监测坝体的柔性抗压管道；

投放在所述柔性抗压管道内部并控制其按照所述柔性抗压管道的中轴线往返运动进行三维曲线测量的监测装置；

用于对监测装置的测量数据进行解算与分析，得出柔性抗压管道的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度的处理终端；

所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形。

所述的面板堆石坝内部形变监测系统，其中，所述监测装置中包括由惯导、里程计以及磁力计组成的监测单元。

本发明的有益效果：本发明通过在面板堆石坝中埋设柔性抗压管道，并在该管道中投放监测装置来对柔性抗压管道的三维形变进行测量，通过换算可以直接得到面板堆石坝的形变指标，相对于传统的点式埋设测量仪器的方法，本发明只需在测量时投放监测装置，规避了现有技术中对已经埋入的测量仪器维护的难题；节省了成本，并且发明可以同时监测出面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度，提高了监测效率。

附图说明

图1是本发明的面板堆石坝内部形变监测方法的较佳实施例的流程图。

图2是本发明中的柔性抗压管道在所述面板堆石坝内部的位置示意图。

图3是本发明中磁标志在柔性抗压管道上的位置示意图。

图4是本发明中的强制对中装置在所述柔性抗压管道中的应用示意图。

图5是本发明中的监测装置在柔性抗压管道中进行测量的示意图。

图6是本发明中的监测装置在测量时的运行路线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于现有技术中对于面板挠度和坝体内部垂直沉降、水平位移的测量需要设置不同的测量仪器，并且设置方式均采用点式埋入的方式。测量仪器一旦安装埋设后便不能进行维修，本身易损坏，仪器存活率较低，影响监测数据的完整性和测量精度。为了解决上述问题，本发明提供了一种面板堆石坝内部形变监测方法，具体如图1中所示。所述面板堆石坝内部形变监测方法具体包括：

步骤S100、预先在面板堆石坝的待监测的坝体内部埋设柔性抗压管道，并所述柔性抗压管道内投放监测装置；所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形。

为了解决现有技术中的测量仪器在安装埋入后无法维修，且也无法对测量仪器进行更新的问题，本发明在面板堆石坝的待监测坝体内预先埋入柔性抗压管道，该柔性抗压管道可以随着面板堆石坝的变形而变形，因此只需对该柔性抗压管道的形变进行测量即可获得面板堆石坝的形变。

具体地，本发明在所述面板堆石坝建造时，在待监测的坝体内埋设所述柔性抗压管道，并且在埋设所述柔性抗压管道时，利用细石或者细沙料对所述柔性抗压管道外表面进行包覆，以避免所述柔性抗压管道受尖物损坏。柔性抗压管道布局方式可以如图2中的布局进行设置。进一步地，本实施例中采用热熔的方式对不同段的柔性抗压管道进行熔接，并且在柔性抗压管道的沿线接缝处均匀布设有小型圆柱状磁铁构成的磁标志（如图3中所示），所述磁标志与所述柔性管道之间通过铁箍固连，并且随着柔性抗压管道的变形移动而移动。在需要对面板堆石坝进行监测时，只需在所述柔性抗压管道内投放监测装置即可对所述柔性抗压管道进行监测。较佳地，实施例中的柔性抗压管道采用抗压能力大于1.0Mpa的PE（聚乙烯）供水管，该柔性抗压管道的横截面在变形情况下形变较小，因此不会影响监测装置在管道内的运动。值得说明的是，本发明并不对柔性抗压管道的的材料以及具体形状进行限定，其他材料（满足柔性抗压的条件）以及其他形式的柔性抗压管道也应属于本发明的保护范围。

进一步地，步骤S200、控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量，并将测量数据发送至预设的处理终端。

具体实施时，本发明是需要通过监测装置测量出所述柔性抗压管道的形变从而确定出面板堆石坝的形变，因此为了提高监测精度，本实施例需要控制所述监测装置沿着柔性抗压管道的中轴线进行运动。较佳的，为了保证所述监测装置沿着柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，本实施例中在柔性抗压管道的起始点处设置强制对中装置，用于使监测装置上的监测单元的中心与柔性抗压管道的中轴线对齐。所述强制对中装置如图4中所示，所述强制对中装置设置有可收缩的三角支架机构，该三角支架的机构的中心即为柔性抗压管道的中心。

将该三角支架轮机构与监测装置上的三角支架连接，使得监测装置的中心与三角支架的中心（即柔性抗压管道中轴线）对齐。

进一步较佳地，本实施例中的监测装置的监测单元包括惯导、里程计以及磁力计，当监测装置在柔性抗压管道中运动时，磁力计会对管道上设置的磁标志进行感应，得到磁感应强度曲线，如图5中的B中所示，根据该磁感应强度确定监测装置所监测到位置在柔性抗压管道中所处的位置。当然，所述监测单元中还可以搭载其他形式的传感器，本发明并不对传感器具体形式进行限定。

具体地，当需要对柔性抗压管道的形变进行监测与测量的时候，在柔性抗压管道的初始位置投放监测装置。首先控制检装置静止1-5分钟，使用强制对中装置对监测装置的起始点进行精确测量，得到初始方位角和水平姿态角，这两个角度作为航位推算的初始值。同时将监测装置上特定测量点与管口中心对齐，并通过强制对中装置上安装的棱镜准确测量管口中心位置，保证测量精度。然后通过动力机器人推动或者绞盘绳索牵引（如图5中的A中所示，图5中使用的是使用绞盘绳索牵引）来控制监测装置沿着柔性抗压管道中轴线自由移动，并同时利用搭载高精度的惯导、里程计以及磁力计的监测单元对柔性抗压管道进行三维曲线测量。并在管道终点处静止10-30秒进行零速修正。优选地，为了更精确地对柔性抗压管道进行测量，本实施例中控制所述监测装置在管道中进行往返运动，来回进行测量，具体的路线轨迹如图6中所示，路线轨迹标示有起始点、终点、磁标志点、磁标志点约束以及运行路线。当监测装置回到起始点后，再次利用强制对中装置使监测装置的中心与柔性抗压管道的中轴线对齐，并静止1-5分钟，以消除监测装置在运动过程中的误差，提高监测精度。最后，监测装置将测量数据发送至与之连接的处理终端中，通过处理终端来对测量数据进行处理。

进一步地，步骤S300、所述处理终端在接收所述测量数据后，进行三维曲线解算，对不同时期的三维曲线进行配准与对比，得到所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度。

具体实施时，所述处理终端接收监测装置发送的测量数据或者直接通过WIFI从所述监测装置中下载测量数据后，对测量数据进行三维曲线解算。

具体地，首先通过卡尔曼滤波算法，对监测装置所测量到的惯导数据、里程计数据进行融合，并利用柔性抗压管道的起始点和终点对测量误差进行修正，最后对滤波结果进行RTS平滑，从而得到柔性抗压管道的三维曲线轨迹，包括三维姿态和三维位置。然后对不同时期的同一柔性抗压管道的三维曲线按照里程距离进行粗配准，即距离相近的磁标志点为同一测量点，再按照磁标志的磁强度（磁标志可以确定测量点在柔性抗压管道中的位置）进行精确配准，并对比不同时期配准的三维曲线，从而得出所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系。最后将该对应关系换算成面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度这三个安全指标。

所述面板堆石坝的水平位移以及垂直沉降可以直接通过对比不同时期配准的三维曲线，将两条曲线上相同磁标志位置对应的三维坐标进行作差，可以得到监测管道在监测时间段内的垂直沉降和水平位移。根据挠度定义，可以利用测量点距离和俯仰角变化值计算挠度形变值。

较佳地，为了得到更高精度的三维曲线轨迹，本实施例中对于同一时期、同一柔性抗压管道多次测量的三维曲线据根据磁标志进行配准后，根据三维曲线计算得到的精度进行加权平均，得到更为精确的三维曲线轨迹。该三维曲线为埋设的柔性抗压管道的形变的中轴线。

由此可见，本发明中通过埋设可以随着面板堆石坝一起变形的柔性抗压管道，并在管道中投放监测装置监测管道的形变，即可推算出面板堆石坝的形变，无需像传统的方法那样埋设传感器，有效节省了成本，并且有利于对监测装置进行更新与维护，有效提高了监测精度。

基于上述实施例，本发明还提供了一种面板堆石坝内部形变监测系统，所述系统包括：预先埋设在待监测坝体的柔性抗压管道；投放在所述柔性抗压管道内部并控制其按照所述柔性抗压管道的中轴线往返运动进行三维曲线测量的监测装置；用于对监测装置的测量数据进行解算与分析，得出柔性抗压管道的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度的处理终端；所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形。所述监测装置与处理终端连接，连接方式可以采用WIFI连接、蓝牙连接等。

优选地，所述监测装置中包括由惯导、里程计以及磁力计组成的监测单元，通过该监测单元对柔性抗压管道进行高精度测量。

综上所述，本发明提供的一种面板堆石坝内部形变监测方法及监测系统，监测方法包括：预先在面板堆石坝的待监测的坝体内部埋设柔性抗压管道，并所述柔性抗压管道内投放监测装置；所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形；控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量，并将测量数据发送至预设的处理终端；所述处理终端在接收所述测量数据后，进行三维曲线解算，对不同时期的三维曲线进行配准与对比，得到所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度。相对于传统的点式埋设测量仪器的方法，本发明只需在测量时投放监测装置，规避了现有技术中对已经埋入的测量仪器维护的难题；节省了成本，并且发明可以同时监测出面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度，提高了监测效率与监测精度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种面板堆石坝内部形变监测方法，其特征在于，所述监测方法包括：

步骤A、预先在面板堆石坝的待监测的坝体内部埋设柔性抗压管道，并所述柔性抗压管道内投放监测装置；所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形；

步骤B、控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量，并将测量数据发送至预设的处理终端；

步骤C、所述处理终端在接收所述测量数据后，进行三维曲线解算，对不同时期的三维曲线进行配准与对比，得到所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度；所述面板堆石坝的水平位移以及垂直沉降是通过将两条不同时期配准的三维曲线上相同磁标志位置对应的三维坐标进行作差得到；所述面板挠度是利用测量点距离和俯仰角变化值计算出的挠度形变值；

所述步骤A具体包括:

步骤A1、预先在所述面板堆石坝建造时，在待监测的坝体内埋设柔性抗压管道；所述柔性抗压管道采用抗压能力大于1.0Mpa的PE供水管，采用热熔的方式对不同段的柔性抗压管道进行熔接；

步骤A2、在所述柔性抗压管道的沿线接缝处均匀布设磁标志，所述磁标志与所述柔性管道之间通过铁箍固连；

步骤A3、在所述柔性抗压管道的起始点投放用于对所述柔性抗压管道内的三维曲线进行测量的监测装置；

所述步骤B具体包括：

步骤B1、预先在所述柔性抗压管道的起始点处设置强制对中装置；

步骤B2、控制监测装置在起始点处静止1-5分钟，使用强制对中装置对监测装置的起始点进行测量，得到初始方位角和水平姿态角，这两个角度作为航位推算的初始值；同时将监测装置上的测量点与管口中心对齐，并通过强制对中装置上安装的棱镜测量管口中心位置；

步骤B3、控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，并在运动的过程中对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量；当监测装置到达管道终点处时，静止10-30秒进行零速修正；当监测装置重新回到起始点后，再次利用强制对中装置使监测装置的中心与柔性抗压管道的中轴线对齐，并静止1-5分钟；

步骤B4、将测量数据发送至与所述监测装置连接的处理终端；

所述监测装置中的监测单元包括惯导、里程计以及磁力计；当检测装置在柔性抗压管道中运动时，磁力计对管道上设置的磁标志进行感应，得到磁感应强度曲线，根据磁感应强度确定监测装置所监测到位置在柔性抗压管道中的位置；

所述步骤C具体包括：

步骤C1、所述处理终端接收到测量数据后利用卡尔曼滤波算法对监测装置所测量到的惯导数据、里程计数据进行融合，并利用柔性抗压管道的起始点与终点对测量误差进行修正；

步骤C2、对滤波结果进行RTS平滑，得到所述柔性抗压管道的三维曲线；该三维曲线为埋设的柔性抗压管道的形变的中轴线；

步骤C3、对不同时期的同一柔性抗压管道的三维曲线按照里程距离进行粗配准，再按照磁标志的磁强度进行精确配准，并对比不同时期配准的三维曲线，得出所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系；

步骤C4、根据所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度；

所述步骤C3还包括：

对同一时期、同一柔性抗压管道多次测量的三维曲线进行配准，并根据三维曲线计算得到的精度进行加权平均，提高输送三维曲线的精度；

所述三维曲线包括三维姿态和三维位置。

2.一种面板堆石坝内部形变监测系统，其特征在于，所述系统包括：

预先埋设在待监测坝体的柔性抗压管道；

预先在所述柔性抗压管道的起始点处设置强制对中装置；

投放在所述柔性抗压管道内部并控制其按照所述柔性抗压管道的中轴线往返运动进行三维曲线测量的监测装置；

用于对监测装置的测量数据进行解算与分析，得出柔性抗压管道的对应关系，并通过所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度的处理终端；

所述柔性抗压管道随着面板堆石坝的变形而变形；

所述柔性抗压管道采用抗压能力大于1.0Mpa的PE供水管，采用热熔的方式对不同段的柔性抗压管道进行熔接；

所述柔性抗压管道的沿线接缝处均匀布设有小型圆柱状磁铁构成的磁标志，所述磁标志与所述柔性管道之间通过铁箍固连；

所述面板堆石坝的水平位移以及垂直沉降是通过将两条不同时期配准的三维曲线上相同磁标志位置对应的三维坐标进行作差得到；所述面板挠度是利用测量点距离和俯仰角变化值计算出的挠度形变值；

所述控制监测装置按照柔性抗压管道的中轴线往返运动进行三维曲线测量，具体包括：

控制监测装置在起始点处静止1-5分钟，使用强制对中装置对监测装置的起始点进行测量，得到初始方位角和水平姿态角，这两个角度作为航位推算的初始值；同时将监测装置上的测量点与管口中心对齐，并通过强制对中装置上安装的棱镜测量管口中心位置；

控制所述监测装置沿着所述柔性抗压管道的中轴线进行往返运动，并在运动的过程中对所述柔性抗压管道进行三维曲线测量；当监测装置到达管道终点处时，静止10-30秒进行零速修正；当监测装置重新回到起始点后，再次利用强制对中装置使监测装置的中心与柔性抗压管道的中轴线对齐，并静止1-5分钟；

将测量数据发送至与所述监测装置连接的处理终端；

所述监测装置中包括由惯导、里程计以及磁力计组成的监测单元；

当检测装置在柔性抗压管道中运动时，磁力计对管道上设置的磁标志进行感应，得到磁感应强度曲线，根据磁感应强度确定监测装置所监测到位置在柔性抗压管道中的位置；

所述处理终端接收到测量数据后利用卡尔曼滤波算法对监测装置所测量到的惯导数据、里程计数据进行融合，并利用柔性抗压管道的起始点与终点对测量误差进行修正；对滤波结果进行RTS平滑，得到所述柔性抗压管道的三维曲线；该三维曲线为埋设的柔性抗压管道的形变的中轴线；对不同时期的同一柔性抗压管道的三维曲线按照里程距离进行粗配准，再按照磁标志的磁强度进行精确配准，并对比不同时期配准的三维曲线，得出所述柔性抗压管道在不同时期同一测量点的对应关系；根据所述对应关系计算得到面板堆石坝的水平位移、垂直沉降以及面板扰度；对同一时期、同一柔性抗压管道多次测量的三维曲线进行配准，并根据三维曲线计算得到的精度进行加权平均，提高输送三维曲线的精度；所述三维曲线包括三维姿态和三维位置。

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