CN111381276B - 一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法 - Google Patents

一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，包括信号接收传感器的布置和安装、数据采集、堤坝结构体波速反演计算、渗透破坏发生的时间、渗透破坏发生后所产生的微震信号的识别和提取以及渗透破坏位置的确定等过程。本发明不仅可以使用一套监测系统进行信号采集，节约设备资源，而且可提供准确的渗透破坏发生的时间和渗透破坏的位置，评价渗透破坏程度，可为隐患处治赢得时间，也极大地提高了隐患处治的工作效果。

Description

一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法
技术领域
本发明涉及堤坝工程安全领域，主要涉及堤坝渗透破坏诊断和地球物理探测信息技术，具体是一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法。
背景技术
堤坝工程是我国防洪减灾体系重要组成部分，堤坝及其附属的混凝土结构穿堤建筑物大多存在老化病害现象，容易发生接触渗流险情，甚至溃坝。堤坝决堤一般会经历浸润发展阶段、渗漏发展阶段、塌陷发生阶段、崩塌发展阶段等先缓后急的发展过程。要达到尽早尽小抢险，做好堤坝工程运行状态实时监测和监控，超前预报险情发生发展趋势，把险情消灭在萌芽阶段，是目前堤坝安全监测的重中之重。受堤坝水位变化影响，穿通堤坝的裂缝、含水隐患体、渗漏通道等因过水压力不同，渗流速率发生变化，隐患发展速度加快，因此堤坝渗漏、贯通裂缝的探测一直是堤坝隐患安全监测的重点和难点。目前渗透破坏探测方法主要分为一次性探测方法，比如：瞬变电磁法、电法、地质雷达、面波法、高密度电阻率法和流场法等，和监测类方法，比如：时移高密度电法、温度监测法等。第一类方法主要是针对已存在渗漏隐患的探查，但实际上，堤坝渗漏破坏发生发展是一个动态过程，如果能准确监测渗漏、贯通裂缝在堤坝内的发展状态与趋势，将为正确组织抢救措施，防止决堤的发生提供决策依据。因此，近年来，堤坝长期安全监测方法和技术在堤坝渗漏破坏中得到了快速发展。
堤坝结构体在渗漏、裂隙发生发展等内部稳定性被破坏时，会因为局部应力集中产生弹性波，即微地震波。通过分析微震波形识别、震级和频度等特征参数，推断堤坝结构体发生破裂时间、微震源分布位置、堤坝结构体稳定状态和力学行为，预测堤坝潜在破坏风险，不失为一种很好的监测方法。现有的微震监测方法需要假设微震信号在均匀介质中传播速度不变，然后根据微震的初至时间差利用速度-距离模型建立方程组求解微震震源位置。但实际堤坝结构比较复杂，渗漏、微裂缝等产生的微震波在堤坝内各个方向的传播速度不同，并且能量波在堤坝内传播会发生反射与衰减现象，均匀速度模型的假设严重影响微震震源的定位精度，从而影响微震监测方法的定位效果。
微动探测是一种被动源勘探法，通过观测地球表面日常微小的颤动，并从中获取面波频散特性来推断地下速度结构，具有野外观测设备简单、施工方便快捷、对环境无影响、不受地形和场地条件限制及探测无盲区等优点。微动获取的面波频散特性对剪切波速变化比较敏感，能直接反映介质岩土体力学性能的变化，得到精度较高的堤坝速度模型。通过综合多期次的微动探测，可为微震监测提供相对准确的堤坝体速度分布信息和渗漏渗流、贯穿裂缝的发生发展时间信息，提高堤坝渗漏微震监测的预报准确度。
本发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：微动是无时无刻均在地球表面存在的，微震只有在堤坝发生渗漏破坏或水体扰动时才会发生。因此，堤坝上不同部位安装高灵敏度传感器，连续监测堤坝表面的微小振动。利用监测到的振动信息先按照微动监测技术处理流程进行处理和分析，获得地下土体的波速分布，并分析不同时间段的波速变化情况。当地下波速发生变化时，启动微震监测技术处理流程，并利用微动监测技术获得的土体的真实波速，对渗漏破坏或流水扰动位置进行空间定位，其定位精度更高。综合利用两种技术，不仅可以使用同一套监测系统采集信息，节约设备资源，而且可提供准确的渗漏破坏发生的时间和渗漏破坏的位置，可为隐患处理赢得时间，也极大地提高了隐患处理的工作效果。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法。
本发明提出一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，包括信号接收传感器的布置和安装、数据采集、地下土体波速反演计算、渗透破坏发生的时间判定、渗透破坏发生后所产生的微震信号的识别和提取以及渗透破坏位置的确定等过程；
所述监测方法包括以下步骤：
步骤一、在重要的堤坝险工险段探测区域沿堤坝空间三维布置三分量高灵敏度传感器台站，多个传感器台站构成台阵，传感器台站与信号采集仪相连，测线所有传感器台站安装完毕后，各信号采集仪在同一时刻开始同步采集来自大自然的各种振动信号；
步骤二、对采集到的信号进行地球物理领域内的微动监测技术处理获得不同时间段的地下结构的波速分布；
步骤三、对比分析同一区域不同时间段的波速变化，当波速无明显变化时，表明该区域地下结构没有发生破坏，当波速与初始波速出现持续朝一个方向变化，且变化值逐渐增大，表明该区域地下结构性状发生改变，产生渗透破坏或有水体扰动，既确定渗透破坏或水体扰动发生的时间，同时也表明接收到的信号中包含微震信号；
步骤四、从波速发生变化后采集到的信号中识别和提取渗透破坏或水体扰动所产生的微震信号，拾取微震信号到达各传感器台站的初至时间Ti，利用步骤二所获得的土体波速和先验波速信息建立监测区域的波速模型V，采用最小二乘法求解震源的发震时刻T0，并根据公式Li＝V×(Ti-T0)计算出渗透破坏或水体扰动点到各传感器台站的距离Li，以各传感器台站为球心，以各自对应的距离Li为半径画圆，形成半球面，所有球面的共交点或共交线即为渗透破坏或水体扰动的位置，所有共交点的连线即为渗透破坏通道。
进一步的，步骤一中测点的台阵按双圆形布置或按正“L”型布置。
进一步的，步骤一中通过GPS同步或时钟同步使各信号采集仪在同一时刻开始同步采集来自大自然的各种振动信号。
进一步的，步骤二具体为：首先对采集的信号按时间进行分段，然后通过滤波、空间自相关法或扩展空间自相关法提取频散曲线和波速反演计算，获得测点下方的土体波速随深度的变化曲线，通过内插值法、曲线平滑法进一步获得测线下方的二维波速等值线分布情况，即可获得不同时间段的地下结构的波速分布。
进一步的，对采集的信号按时间进行分段时，在一个分段的时间内，波至少能从第一个传感器台站传播到最后一个传感器台站，通过绘制出互相关结果信噪比随切割长度变化的曲线最终确定最佳分段时间长度。
进一步的，步骤三中比对的是不同时期的同一位置的土体波速值与初始值的变化，当某一位置的土体波速出现明显变化，且随后其变化值基本稳定或其变化值的绝对值有逐步变大趋势时，即可判定渗透破坏或水体扰动发生的时间。
进一步的，所述信号采集仪为微震仪或微动仪。
本发明的技术特点及有益效果：
本发明利用微动和微震两种监测技术的共同点和其各自优势，一是可以使用同一套监测系统接收地球表面日常的振动，这些振动可是没有特定的震源点产生的振动，比如气压、风速、海浪、潮汐变化等自然现象，以及车辆行驶、机器运行、日常生活、生产等人类活动产生的振动，也可是特定震源点产生的振动，比如渗透破坏或地下水体扰动产生的振动，节约设备资源；二是利用微动监测技术可反演土体波速，根据波速变化可判别接收到的信息中是否包含有渗透破坏所产生的微震信息，在识别和提取微震信息时更有目的性和针对性，提高工作效率；三是在利用微震信息对渗透破坏位置进行定位时，以前是利用已有的先验波速值，但由于地下土体结构的不均匀性，先验信息不能完全反映土体结构的不均匀性，而本次是除利用已有的先验信息外，还利用微动监测技术实际测量的能真实反映地下土体结构的非均匀性的地下土体结构波速，信息量更丰富，因此渗透破坏定位精度会更高和更准确。
本发明不仅可应用于堤坝渗透破坏的监测和预警，还可应用于滑坡体的监测和预警。
附图说明
图1本发明堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法的流程示意图；
图2本发明测点双圆型观测台阵布置示意图；
图3本发明测点L型观测台阵布置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，包括信号接收传感器的布置和安装、数据采集、地下土体波速反演计算、渗透破坏发生的时间、渗透破坏发生后所产生的振动信号的识别和提取以及渗透破坏位置的确定等过程。
具体的，请参阅图1，所述方法包括如下步骤：
步骤一、在重要的堤坝险工险段探测区域沿堤坝空间三维布置三分量传感器台站，一个测点根据预估的探测深度按三维空间布置传感器台站，多个传感器台站构成台阵，根据现场地形条件，台阵可按双圆形布置(如图2所示)，也可按正“L”型布置(如图3所示)。
图2中，TP1台站为测点位置，TP2、TP3和TP4构成等边三角形，与以TP1台站为圆点的圆相内接，TP1、TP2、TP3和TP4共同构成内圈台阵，TP5、TP6和TP7构成等边三角形，与以TP1台站为圆点的圆相内接，TP1、TP5、TP6和TP7共同构成外圈台阵，内圈台阵和外圈台阵构成了TP1测点的双圆形观测台阵；同理，沿测线方向，以TP8台站为测点位置，TP4、TP6和TP10构成等边三角形，与以TP8台站为圆点的圆相内接，TP8、TP4、TP6和TP10共同构成内圈台阵，TP2、TP9和TP12构成等边三角形，与以TP8台站为圆点的圆相内接，TP8、TP2、TP9和TP12共同构成外圈台阵。以此类推，依次构造其它测点的台阵。
安装在台站的三分量高灵敏度传感器与信号采集仪相连，信号采集仪可以是微震仪或微动仪，测线所有传感器台站安装完毕后，通过GPS同步或时钟同步使各信号采集仪在同一时刻开始同步采集来自大自然的各种振动信号，所有传感器台站和信号采集仪的型号和性能指标应相同，一致性好，时间采样间隔应相同，全天候采集大自然或渗透破坏产生的振动；
步骤二、对采集到的信号按时间进行分段分区处理、滤波、空间自相关法或扩展空间自相关法提取相速度频散曲线、反演地下结构波速等，即进行地球物理领域内的微动监测技术处理，处理后，获得不同时间段的地下结构的波速分布；
具体的，首先对采集的信号按时间进行分段，在一个分段的时间内，波至少能从第一个传感器台站传播到最后一个传感器台站，通过绘制出互相关结果信噪比随切割长度变化的曲线最终确定最佳分段时间长度。然后通过滤波、空间自相关法或扩展空间自相关法获取虚炮集，从而提取相速度频散曲线，进行波速反演计算，获得测点下方的土体波速随深度的变化曲线，通过内插值法、曲线平滑法等进一步可获得测线下方的二维波速等值线分布情况；
步骤三、对比分析同一区域不同时间段的波速变化，当波速无明显变化时，表明该区域地下结构没有发生破坏，当波速出现变化，表明该区域地下结构性状发生改变，产生渗透破坏或有水体扰动，即确定渗透破坏或水体扰动发生的时间；其中，比对的是不同时期的同一位置的土体波速值与初始值的变化，当某一位置的土体波速出现明显变化，且随后其变化值基本稳定或其变化值的绝对值有逐步变大趋势时，就可判定渗透破坏或水体扰动发生的时间，同时也表明接收到的信号中包含微震信号。
步骤四、从波速发生变化后采集到的信号中识别和提取渗透破坏或水体扰动所产生的微震信号，准确读出微震信号到达各接收三分量传感器的初至时间Ti，利用步骤二所获得的土体波速和先验波速信息建立监测区域的波速模型V，采用最小二乘法求解震源的发震时刻T0，并根据公式Li＝V×(Ti-T0)计算出渗透破坏或水体扰动点到各传感器台站的距离Li，以各传感器台站为球心，以各自对应的距离Li为半径画圆，形成半球面，所有球面的共交点或共交线即为渗透破坏或水体扰动的位置，所有共交点的连线即为渗透破坏通道。
本发明不仅可以使用一套监测系统进行信号采集，节约设备资源，而且可提供准确的渗透破坏发生的时间和渗透破坏的位置，可为隐患处治赢得时间，也极大地提高了隐患处治的工作效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、在重要的堤坝险工险段探测区域沿堤坝空间三维布置三分量高灵敏度传感器台站，多个传感器台站构成台阵，传感器台站与信号采集仪相连，测线上所有传感器台站安装完毕后，各信号采集仪在同一时刻开始同步采集来自大自然的各种振动信号；
步骤二、对采集到的信号进行地球物理领域内的微动监测技术处理获得不同时间段的地下结构的波速分布；
步骤三、对比分析同一区域不同时间段的波速变化，当波速无明显变化时，表明该区域地下结构没有发生破坏，当波速出现变化，表明该区域地下结构性状发生改变，产生渗透破坏或有水体扰动，既确定渗透破坏或水体扰动发生的时间，同时也表明接收到的信号中包含微震信号；
步骤四、从波速发生变化后采集到的信号中识别和提取渗透破坏或水体扰动所产生的微震信号，读出微震信号到达各传感器台站的初至时间Ti，利用步骤二所获得的土体波速和先验波速信息建立监测区域的波速模型V，采用最小二乘法求解震源的发震时刻T0，并根据公式Li＝V×(Ti-T0)计算出渗透破坏或水体扰动点到各传感器台站的距离Li，以各传感器台站为球心，以各自对应的距离Li为半径画圆，形成半球面，所有球面的共交点或共交线即为渗透破坏或水体扰动的位置，所有共交点的连线即为渗透破坏通道。
2.如权利要求1所述的堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于：步骤一中的测点的台阵按双圆形布置或按正“L”型布置。
3.如权利要求1所述的堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于：步骤一中通过GPS同步或时钟同步使各信号采集仪在同一时刻开始同步采集来自大自然的各种振动信号。
4.如权利要求1所述的堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于：步骤二具体为：首先对采集的信号按时间进行分段，然后通过滤波、空间自相关法或扩展空间自相关法提取频散曲线和波速反演计算，获得测点下方的土体波速随深度的变化曲线，通过内插值法、曲线平滑法进一步获得测线下方的二维波速等值线分布情况，即可获得不同时间段的地下结构的波速分布。
5.如权利要求4所述的堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于：对采集的信号按时间进行分段时，在一个分段的时间内，波至少能从第一个传感器台站传播到最后一个传感器台站，通过绘制出互相关结果信噪比随切割长度变化的曲线最终确定最佳分段时间长度。
6.如权利要求1所述的堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于：步骤三中比对的是不同时期的同一位置的土体波速值与初始值的变化，当某一位置的土体波速出现明显变化，且随后其值是朝一个方向变化，并呈逐步增大趋势时，即可判定渗透破坏或水体扰动发生的时间。
7.如权利要求1所述的堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，其特征在于：所述信号采集仪为微震仪或微动仪。
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