CN110864662B - 高堆石坝坝体变形的监测方法 - Google Patents

高堆石坝坝体变形的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高堆石坝坝体变形的监测方法，包括：将阵列位移计连接形变监测机器人，每个监测机器人形成监测单元，形变监测机器人通过无线传输与数据处理平台连接，多个监测单元依次连接形成监测组件；在坝体高度方向上选取多个水平布设面，在水平布设面设置有平行于顺河向的第一监测组件以及平行于河流宽度方向的第二监测组件，再沿竖直方向布设有多组间隔设置的第三监测组件；数据处理平台接收每个监测点处的形变信息，数据处理平台根据接收到的各监测点上的形变信息进行计算得出顺河向、横河向以及竖直方向的形变量，再将得到的各个方向上的形变量展示给用户。本发明操作简单，获得数据详实，可长期免维护，适用范围广。

Description

高堆石坝坝体变形的监测方法
技术领域
本发明涉及大坝监测研究的技术领域，具体涉及一种高堆石坝坝体变形的监测方法。
背景技术
大坝安全监测是人们了解大坝运行状态和安全状况的有效手段,也是保证其安全运行的重要措施之一。大坝安全检测是通过及时获取第一手资料来了解大坝的工作性态,为评价大坝状况和发生异常现象提供依据,从而可制定合适的计划及大坝的维护措施来保障大项的安全运行。大坝位移监测可采用手动和自动两种方式进行监测。传统的大坝安全监测大多是采用人工手动测量的,一方面很容易因为人为错误造成数据不准确,监测精度差；另一方面会加大工作人员的劳动强度。而目前自动的有线分布式系统使得监测系统存在着干扰多、易损坏、造价高、安装及维护困难等诸多缺点。因此，需要开发出一种更为高效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高堆石坝坝体变形的监测方法，该方法能从多个方向对大坝进行监测，监测精度高、易于操作、可免长期维护。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种高堆石坝坝体变形的监测方法，包括如下步骤：
S1：将多个阵列位移计连接形成形变监测机器人，每个形变监测机器人形成一个监测单元，所述形变监测机器人通过无线传输与数据处理平台连接，所述形变监测机器人通过所述阵列位移计采集坝体位移信息并传输给数据处理平台，多个所述监测单元依次连接形成监测组件；
S2：在坝体高度方向上选取多个待监测的水平布设面，在每个水平布设面上选取多个监测点，在每个监测点处布设有平行于顺河向的第一监测组件以及平行于坝体所在水体的宽度方向的第二监测组件，所述第一监测组件和所述第二监测组件分别用于获取相应监测点处的形变信息并将信息传输给所述数据处理平台，在坝体内部选取多个竖直监测点，在每个监测点处沿竖直方向布设有多组间隔设置的第三监测组件，第三监测组件获取坝体上的形变信息并将信息传输给所述数据处理平台；
S3：所述数据处理平台接收每个监测点处的第一监测组件、第二监测组件以及第三监测组件获取的坝体的形变信息，数据处理平台根据接收到的各监测点上的形变信息计算出各方向上的角度相对变化量，再根据角度相对变化量计算得出坝体顺河向、横河向以及竖直方向的形变量，再将得到的各个方向上的形变量展示给用户。
进一步地，监测单元在布设前先由壳体包裹，所述壳体的长度与所述形变监测机器人的长度相适应，所述壳体由可适应坝体形变而产生相应变形的混凝土材料制成。
进一步地，所述壳体内沿轴向设置有用于放置所述形变监测机器人的第一通孔，在布设前，将所述形变监测机器人放于第一通孔中。
进一步地，数据处理平台接收形变数据后，其以每个监测组件上依次相连的第一监测单元、第二监测单元以及第三检测单元为数据处理单元，根据第一监测单元和第三监测单元在相应方向上的形变信息计算相应方向上的角度变化量，然后根据第一监测单元和第三监测单元上的角度变化量计算得到第二监测单元的角度相对变化量，之后根据计算出的第二监测单元的角度相对变化量得到第二监测单元的形变量，再对监测组件上的每个监测单元同方向上的形变量进行矢量叠加得到各监测组件在各方向上的形变量，将各监测点处的监测组件在相同方向上计算出的形变量进行平均即得到该监测点在各方向上的形变量。
进一步地，在水平布设面，以大坝轴线为分界线，对于大坝上下游分别布设第一监测组件和第二监测组件，且在大坝上游布设的第一监测组件和第二监测组件与在大坝下游布设的第一监测组件和第二监测组件对称。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明通过在三个方向设置监测单元再结合数据处理平台可以完整地监测大坝在顺河向、横河向以及竖直方向上的变形，可以为大坝位移监测的研究提供比较完整地监测资料和数据，该布设方法操作简单，获得数据详实，可长期免维护，适用范围广，可以用于200m级以上高坝；
2)本发明通过数据处理平台接收形变数据后，其以每个监测组件上依次相连的第一监测单元、第二监测单元以及第三检测单元为数据处理单元，根据第一监测单元和第二监测单元在相应方向上的形变信息计算相应方向上的角度变化量，然后根据第一监测单元和第三监测单元上的角度变化量计算得到第二监测单元的角度变化量，之后根据计算出的第二监测单元的角度变化量得到第二监测单元的形变量，再对监测组件上的每个监测单元的形变量进行矢量叠加得到各监测组件在各方向上的形变量，从而消除实际测量误差，使得测量更精确；
3)本发明用到的测量仪器结构简单、易于操作，精度高，可长期免维护，布设方法清晰明了，具有较强的层次性；本发明搭建了与此变形监测仪器配合使用的数据处理平台，操作简单方便，可以减少用户的工作量，在数据处理和分析方面具有明显优势，从而有利于大坝位移监测工作的开展，有利于促进大坝位移监测基础理论方面的研究。
附图说明
图1为本发明实施例壳体的结构示意图；
图2为本发明实施例坝体竖直剖面图；
图3为本发明实施例坝体的俯视图；
图4为本发明实施例坝体的立体结构示意图；
图5为本发明实施例数据处理单元的计算方法示意图；
图6为本发明实施例监测单元的计算方法示意图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种高堆石坝坝体变形的监测方法，包括如下步骤：
S1：仪器布设准备
将多个阵列位移计1连接形成形变监测机器人，每个形变监测机器人形成一个监测单元，形变监测机器人通过无线传输与数据处理平台连接，形变监测机器人通过阵列位移计1采集坝体位移信息并传输给数据处理平台。为了使形变监测机器人更好的工作，减少大坝内部水、温度和不均匀颗粒对形变监测机器人的影响，在布设之前，根据形变监测机器人的尺寸制作壳体2，壳体2由可适应坝体形变而产生相应变形的混凝土材料制成。壳体2内沿轴向设置有用于放置形变监测机器人的第一通孔20，壳体2具体尺寸可根据形变监测机器人的单节尺寸来确定，混凝土壳体2结构可参考附图1。在布设前，将监测机器人放于壳体2的第一通孔20内内。由于监测仪器的自身尺寸限制，单个监测单元不能完成整个监测面的位移监测任务，因此将多节包裹有监测单元的壳体2依次连接形成监测组件，以适应监测面所需的监测长度。
S2：仪器的布设
水平布设：水平布设是用来监测坝体表面沉降。在大坝3竖直方向上每30-50m(可根据测量需求调节)选取一个需要监测表面沉降的水平布设面。以心墙4为例，在水平布设面，以心墙4为分界线，对于大坝3上下游相对布设。在水平布设面上选取多个监测点，两两监测点之间的间距可取1/16W～1/12W(大坝水平所在河流的宽度为W，当然这个也可根据测量精度适当调节)，在每个监测点处沿顺河向水平布设第一监测组件5，其中，大坝上下游的同一个水平布设面上布设的第一监测组件5一一对应设置。再在水平布设面上每个第一监测组件5靠近心墙4处的端侧沿河流宽度方向布设第二监测组件6，大坝上下游的同一个水平布设面上的第二监测组件6对称设置。为了更好地连接第一监测组件5和第二监测组件6，在同一水平布设面上，第一监测组件5和第二监测组件6通过一弧形外壳连接(圆弧半径根据堆石坝内部形变监测机器人的长度L确定，参考范围1/15L～1/8L，弧度一般为90度，可根据测量精度适当调节)。再在坝体上进行竖直布设监测点，竖直布设是用来监测深层位移。具体地，在大坝心墙4内部选取需要监测的典型布设点，将多个第三监测组件7依次竖直布设在监测点处，具体布设方式参考附图2。
对于非心墙坝，以坝轴线为分界线，两侧对称铺设，具体铺设方式和心墙坝类似，参考附图2和附图3。
通过这种水平布设，平行于河流宽度方向的第二监测组件6可以得到大坝在竖直方向和顺河向的变形数据，平行于顺河向的第一监测组件5可以得到大坝在轴向和竖直向的变形数据。这些数据传输到搭建的数据处理平台进行处理可以得到大坝坝体变形。整体布设效果参考附图4。
步骤S3：数据处理
具体来说，传输到数据处理平台的数据有三种：顺河向形变、横河向形变、竖直向形变。由于监测组件是由多节监测单元组成，以每个监测组件上依次相连的第一监测单元8、第二监测单元9以及第三检测单元10为数据处理单元，在实际数据处理过程中，数据处理平台可以通过第一监测单元8和第三监测单元10上的形变信息推算出第二监测单元9上的形变量，再将推算出来的每个监测单元的形变量进行矢量叠加即得到该监测点相应方向上的形变量。具体地，数据处理平台根据接收到的形变信息通过重力场计算角度变化量，通过角度变化量计算变形量，具体原理可参考附图4和附图5。
相对空间坐标系定义：以包裹有监测单元的壳体2的铺设方向为z轴，垂直于该铺设方向的两个轴分别为x、y轴。通过重力场测量并计算每个监测单元相对于x，y轴的角度变化：θx1、θy1，θx2、θy2，θx3、θy3。其中，θx1、θy1为第一监测单元8相对于x轴和y轴的角度变化，θx2、θy2为第二监测单元9相对于x轴和y轴的角度变化，θx3、θy3为第三监测单元10相对于x轴和y轴的角度变化，然后通过第一监测单元8和第三监测单元10的角度变化计算得到第二监测单元9的角度相对变化量θx、θy，图2中，中间节为第二个监测单元9，根据第一监测单元8和第三监测单元10计算第二监测单元9的角度相对变化量。需要说明的是，对于位于监测组件首尾的监测单元由于其相邻节只有1节，故可以忽略不计，那么可以通过该方法计算得出包含阵列位移计的所有中间节的角度相对变化量。
在求出每个监测单元的相对角度变化量后利用每个监测单元的长度L与角度变化的关系可得到每个监测单元的变形量：
Δxj＝L×sinθx
Δyj＝L×sinθy
接下来，对每节阵列位移计的变形量进行矢量叠加，则获得对应方向上的变形：
Figure BDA0002292647250000061
Figure BDA0002292647250000062
m为阵列式位移计总节数。
横河向、顺河向以及竖直向的变形都可以根据上文所述的重力场角度推算计算得到。
整体空间坐标系定义：以竖直向为y轴，顺河向和横河向分别为x，z轴。
坐标系转换方式：相对空间坐标系有三种，分别以顺河向、横河向、竖直向作为z轴的相对空间坐标系。坐标系转换如下：整体空间坐标系绕y轴顺时针旋转90度得到顺河向相对空间坐标系；横河向相对空间坐标系与整体空间坐标系相同；整体空间坐标系绕x轴逆时针旋转90度得到竖直向相对空间坐标系。
对于每一个监测点i，都可以计算出对应的dxi，dyi，dzi。例如顺河向铺设得到的Δx经过转换得到整体坐标系下即为dzi的变形，Δy变换得到整体坐标系下dyi的变形。通过本发明提供的方法计算可得到：
顺河向位移：xi＝dxi
竖直向位移：yi＝dyi
横河向位移：zi＝dzi
合位移：Ni＝(dxi 2+dyi 2+dzi 2)1/2
其中，位移即为计算出各个方向的变形。
举例来说，在某个监测点铺设了两个监测组件，其中一个监测组件包含十节监测单元，假设得到每个监测单元在x方向上变形数据，通过每个监测单元的变形数据经过矢量叠加得到这个监测组件在x方向的变形。另一个监测组件通过同样的计算方式也得到一个变形数据，实际应用过程中，对两个变形数据进行求平均值后得到该监测点在x方向的变形。依据上述方法，数据处理平台可以计算得到每个监测点在各方向上变形，并展示给用户。
本实施方式可以根据大坝安全性要求，在数据处理平台上按照提示输入不同测点在不同方向上位移的限值，本发明的数据处理平台根据输入的数据处理结果和用户输入的限值进行对比。经过数据处理和分析，平台会输出各测点的位移以及超过位移限值的测点，给用户提供进一步的分析和参考。
本次发明提出的布设方法在测量时可采用低耗能的形式，在不需要测量的时候仪器可以自动休眠，在需要测量的时候自动激活，因此监测仪器的耗能很低。在大坝建设和运行初期，由于位移变化较大，测量的频率相对较高，在大坝后期平稳运行的时期，测量频率相应降低。
本发明提出的布设方法可以达到以下监测效果：在水平布设面，堆石坝内部形变监测机器人平行于心墙部分的分阵列可以监测大坝顺河向和竖直向的变形，平行于顺河向方向的分阵列可以监测大坝横河向和竖直向的变形；在竖直布设方向上，可以监测大坝的横河向和顺河向的变形。结合水平布设和竖直布设方式得到的数据，最终经过搭建数据处理平台处理之后可以完整的监测大坝在三个方向的变形，可以为大坝位移监测的研究提供比较完整地监测资料和数据。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高堆石坝坝体变形的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将多个阵列位移计连接形成形变监测机器人，每个形变监测机器人形成一个监测单元，所述形变监测机器人通过无线传输与数据处理平台连接，所述形变监测机器人通过所述阵列位移计采集坝体位移信息并传输给数据处理平台，多个所述监测单元依次连接形成监测组件；
S2：在坝体高度方向上选取多个待监测的水平布设面，在每个水平布设面上选取多个监测点，在每个监测点处布设有平行于顺河向的第一监测组件以及平行于坝体所在水体的宽度方向的第二监测组件，所述第一监测组件和所述第二监测组件分别用于获取相应监测点处的形变信息并将信息传输给所述数据处理平台，在坝体内部选取多个竖直监测点，在每个监测点处沿竖直方向布设有多组间隔设置的第三监测组件，第三监测组件获取坝体上的形变信息并将信息传输给所述数据处理平台；
S3：所述数据处理平台接收每个监测点处的第一监测组件、第二监测组件以及第三监测组件获取的坝体的形变信息，数据处理平台根据接收到的各监测点上的形变信息计算出各方向上的角度相对变化量，再根据角度相对变化量计算得出坝体顺河向、横河向以及竖直方向的形变量，再将得到的各个方向上的形变量展示给用户。
2.如权利要求1所述的高堆石坝坝体变形的监测方法，其特征在于，监测单元在布设前先由壳体包裹，所述壳体的长度与所述形变监测机器人的长度相适应，所述壳体由可适应坝体形变而产生相应变形的混凝土材料制成。
3.如权利要求2所述的高堆石坝坝体变形的监测方法，其特征在于，所述壳体内沿轴向设置有用于放置所述形变监测机器人的第一通孔，在布设前，将所述形变监测机器人放于第一通孔中。
4.如权利要求1所述的高堆石坝坝体变形的监测方法，其特征在于，数据处理平台接收形变数据后，其以每个监测组件上依次相连的第一监测单元、第二监测单元以及第三检测单元为数据处理单元，根据第一监测单元和第三监测单元在相应方向上的形变信息计算相应方向上的角度变化量，然后根据第一监测单元和第三监测单元上的角度变化量计算得到第二监测单元的角度相对变化量，之后根据计算出的第二监测单元的角度相对变化量得到第二监测单元的形变量，再对监测组件上的每个监测单元同方向上的形变量进行矢量叠加得到各监测组件在各方向上的形变量，将各监测点处的监测组件在相同方向上计算出的形变量进行平均即得到该监测点在各方向上的形变量。
5.如权利要求1所述的高堆石坝坝体变形的监测方法，其特征在于，在水平布设面，以大坝轴线为分界线，对于大坝上下游分别布设第一监测组件和第二监测组件，且在大坝上游布设的第一监测组件和第二监测组件与在大坝下游布设的第一监测组件和第二监测组件对称。
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