CN111880226A - 一种土石坝时域电场监测系统与精准成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种土石坝时域电场监测系统和精准成像方法，属于土石坝渗漏安全问题的实时监测技术领域，所述监测系统包括通讯电缆、钻孔电缆、钻孔电极、一体化电法主机、数据采集与处理平台等，土石坝地电信息经钻孔电缆传入通讯电缆输入端，再由其输出端传至一体化电法主机，最终传至数据采集与处理平台。所述精准成像方法，包括数据观测和数据反演成像；本发明监测系统运用横纵向、时间向三向动态观测布局，结合坝体多孔测线联合观测方法，可实现地电场实时精准成像，有助于土石坝完全覆盖式监测，一次布设，使用周期长，较传统方法可获得海量数据；本发明观测系统运用时移电法技术于土石坝的常态化监测，可实现监测与检测一体化技术突破。

Description

一种土石坝时域电场监测系统与精准成像方法
技术领域
本发明涉及一种土石坝渗漏安全问题的实时监测技术领域，具体是一种土石坝时域电场监测系统和精准成像方法。
背景技术
20世纪80年代以前，受库坝修建技术限制，大量小型及山塘水库修建过程中常采用分层碾压、逐层加厚而成的土石坝。由于时间久远，修建的土石坝发生渗漏几率较高，大量土石坝水库出现不同程度的渗漏隐患，在汛期将面临严重的安全威胁。我国的库坝渗漏监测工作缺乏常态化，针对库坝渗漏的实时监测项目很少，库坝往往是出现渗漏才进行探查与监测。相较其他勘探手段，电法勘探由于具有高效探测地下水流方向、并具有干扰小、速度快、一致性强、耗材经济便利等优点而被广泛应用于库坝渗漏检测。由于现阶段该技术主要侧重对坝体中部渗漏的检测，对坝基、坝肩的渗漏探测具有较大的局限性，且探测深度存在一定的误差，测量数据量相对较少，因此，现有技术对水库大坝渗漏隐患位置难以做到精准识别，进一步给水利管理部门安全精准施策带来一定影响。
有鉴于此，申请人对土石坝地电场分布特征进行了专门研究，确定在水平和垂直方向上电阻率和极化率均具有连续性，且在垂向上电阻率具有递变性，可以根据渗流薄弱区与周围坝体之间的电阻率和极化率差异判断渗漏隐患的空间分布特征，从而提出一种土石坝时域电场监测系统和精准成像方法，本案由此产生。
发明内容
针对现有方法技术存在的问题，本发明提供一种土石坝时域电场监测系统和精准成像方法，实现对水库大坝地电场的实时监测与精准成像，进一步精准判定渗漏隐患位置，从而为库坝安全提供技术依据。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明中一种土石坝时域电场监测系统包括通讯电缆、钻孔电缆、钻孔电极、一体化电法主机、服务器、数据无线传输基站、卫星通讯平台、数据采集与处理平台。
作为优选，所述一体化电法主机包括电源模块、参数设置模块、时域电场激励模块、时域电场采集模块和数据传输模块；
作为优选，所述数据采集与处理平台，先连接服务器，再通过数据无线传输基站与卫星通讯平台对一体化电法主机进行参数设置及输入数据采集命令等操作，进而保证监测系统一次布置后实现长期实时监测。
作为优选，所述钻孔电极为圆柱状且长度为10cm的弱极化或不极化电极。
一种土石坝时域电场监测精准成像方法，包括数据观测和数据反演成像；
a.所述数据观测包括如下步骤：
(1)收集土石坝地质和建设资料，掌握坝基埋深和坝顶轴线长度，设计钻孔数量和钻孔深度，并根据钻孔深度设计每个钻孔的电极数。一般控制相邻钻孔的间距≤30m，钻孔深度≤1.5倍坝基埋深；相邻钻孔电极间距≤2m，一般为1m；
(2)按步骤(1)的设计要求，定制相应的钻孔电缆、钻孔电极和通讯电缆，并在坝顶沿轴线施工垂向钻孔；
(3)将步骤(2)所定制的钻孔电缆和钻孔电极按相应顺序放入步骤(2)所施工的钻孔中，并对每个钻孔进行注浆封闭，实现电极与土石坝的充分耦合；
(4)将通讯电缆连接每个钻孔电缆并引至坝顶一侧与一体化电法主机连接，并将一体化电法主机进行固定或引致周边室内进行固定；将一体化电法主机连接至服务器，并将服务器与数据无线传输基站相连接；
(5)在水利部门安全监控中心安装数据采集与处理平台，连接数据无线传输基站；并基于卫星通讯平台，对数据采集与处理平台和服务器进行通讯调试，确保两者之间实时通讯；
(6)在数据采集与处理平台中对钻孔进行编号，远离一体化电法主机的钻孔编为1号钻孔，其它向电法主机不断靠近的钻孔编号依次递增1；
(7)利用数据采集与处理平台通过数据无线传输基站和卫星通讯平台给服务器下发数据采集指令(包括钻孔采集顺序、数据采集间隔时间、供电方波、供电时间等参数)，服务器将采集指令同步发送给一体化电法主机；
(8)一体化电法主机接收采集指令后，按指令参数要求①对每个钻孔内部采集一次电场和二次电场，获得视电阻率和视极化率剖面数据；②针对相邻两个钻孔采集跨孔一次透视电场和跨孔二次透视电场，获得跨孔视电阻率和视极化率数据；
(9)数据采集完毕后主动将采集数据通过数据无线传输基站和卫星通讯平台回传至数据采集与处理平台；
b.所述数据反演成像包括如下步骤：
(10)根据坝顶轴向长度、钻孔平面位置、深度以及每个钻孔电极的位置，建立统一直角坐标系；
(11)对实测的视电阻率和视极化率数据进行系统解编，并赋予空间直角坐标，建立数据反演区域，形成数据采集与处理平台所需的格式文件，并代入数据采集与处理平台进行电阻率和极化率反演；
(12)提取反演区域内电阻率和极化率数据，并进行数据统计，获得相对低电阻率和高极化率异常区，并在数据采集与处理平台进行实时显示与表达；
(13)通过对比分析不同时刻采集与反演的电阻率和极化率剖面，实现土石坝渗漏隐患动态预警；
作为优选，所述步骤(8)中，单个钻孔内部的视电阻率和视极化率数据、相邻两个钻孔之间的跨孔视电阻率和视极化率数据可选择二极、三极和四极等装置进行采集，一般情况下选择三极装置；
作为优选，所述步骤(11)中，电阻率和极化率反演时将探测区域二维网格化，计算每个网格内的电阻率和极化率，采用光滑约束的最小二乘反演算法，电阻率和极化率反演目标函数为：
(GTG+λCTC)Δm＝GTΔd
式中，△d为观测数据d和正演理论计算值d0之间的残差向量；G为系数矩阵；△m为初始模型m的修改向量，C为模型光滑矩阵；λ为光滑阻尼因子；
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中监测系统基于土石坝内部结构、渗漏地电场、监测精确性以及监测实时性提出了对土石坝渗漏部位进行实时监测及定位的观测布点结构，形成了横向、纵向、时间向的动态观测布局，对土石坝地电场分布规律的观测实现了有效覆盖，解决了传统土石坝监测系统中电法勘探具有盲区的问题，并可有效检测到坝肩及绕坝部位的渗漏情况；
(2)本发明监测系统通过坝体多孔测线联合观测的方法，可获得地电场时移分布规律，能够对坝基、坝体的渗漏做到有效的实时监测，实现了对土石坝整体的渗漏监测，改善了传统电法监测系对坝肩及绕坝存在监测盲区的问题，确保了土石坝渗漏的地电场变化规律观测成果的系统性、代表性、可靠性、实时性；
(3)本发明监测系统一次布设，使用周期长，且因其特殊的电极布设方式使得所获得的测量数据较传统电法勘探多几十倍，海量数据有利于对电法观测数据进行反演成图解释，从而大大提高了土石坝渗漏检测的准确性；
(4)本发明观测系统将时移电法技术应用于土石坝的常态化监测工作，在监测系统全自动采集时，主机可实时将采集数据传回数据采集与处理平台，并形成地电场异常剖面图，从而有助于监测人员及时发现土石坝渗漏情况，并有效地对渗透薄弱区进行锁定，实现了土石坝渗漏的监测与检测一体化，为后期的坝体防渗工作提供了可靠的技术保障。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明中坝体的监测系统示意图。
标注说明：1-通讯电缆，2-钻孔电缆，3-钻孔电极，4-坝体，5-旁侧岩体，6-坝基，7-一体化电法主机，8-服务器，9-数据无线传输基站，10-卫星通讯平台，11-数据采集与处理平台，12-坝顶轴线，13-钻孔。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及所能达到的技术效果能够更清楚更完善的揭露，结合附图作如下详细说明：
一种土石坝时域电场监测系统，作为实施大坝渗漏动态监测的数据观测装置，具体如下：
如图1所示，图1为一种土石坝时域电场监测系统的现场结构透视图，一种土石坝时域电场监测系统，包括通讯电缆1、钻孔电缆2、钻孔电极3、坝体4、旁侧岩体5、坝基6、一体化电法主机7、服务器8、数据无线传输基站9、卫星通讯平台10、数据采集与处理平台11、坝顶轴线12、钻孔13，土石坝地电信息经带有钻孔电极3的钻孔电缆2传入通讯电缆1输入端，再由其输出端传至一体化电法主机7输入端，再由一体化电法主机1输出端传输给服务器8、数据无线传输基站9，最后通过卫星通讯平台10将采集数据传回数据采集与处理平台11，最终实现土石坝渗漏的实时监测与检测。
本发明土石坝时域电场监测系统中，钻孔电极3为圆柱状且长度为10cm的弱极化或不极化电极。一体化电法主机7包括电源模块、参数设置模块、时域电磁激励模块、时域电场采集模块和数据传输模块。数据采集与处理平台11工作时，先连接服务器，再通过数据无线传输基站9与卫星通讯平台10对一体化电法主机7进行参数设置及输入数据采集命令等操作，进而保证监测系统一次布置后实现长期实时监测。
本发明观测系统还将时移电法技术应用于土石坝的常态化监测工作，在监测系统全自动采集时，主机可实时将采集数据传回数据采集与处理平台11，并形成地电场异常剖面图，从而有助于监测人员及时发现土石坝渗漏情况，并有效地对渗透薄弱区进行锁定，实现了土石坝渗漏的监测与检测一体化，为后期的坝体防渗工作提供了可靠的技术保障。
一种土石坝时域电场监测精准成像方法，包括数据观测和数据反演成像；具体如下：
a.所述数据观测包括如下步骤：
(1)收集土石坝地质和建设资料，掌握坝基埋深和坝顶轴线长度，设计钻孔数量和钻孔深度，并根据钻孔深度设计每个钻孔的电极数。一般控制相邻钻孔的间距≤30m，钻孔深度≤1.5倍坝基埋深；相邻钻孔电极间距≤2m，一般为1m；
(2)按步骤(1)的设计要求，定制相应的钻孔电缆、钻孔电极和通讯电缆，并在坝顶沿轴线施工垂向钻孔；
(3)将步骤(2)所定制的钻孔电缆和钻孔电极按相应顺序放入步骤(2)所施工的钻孔中，并对每个钻孔进行注浆封闭，实现电极与土石坝的充分耦合；
(4)将通讯电缆连接每个钻孔电缆并引至坝顶一侧与一体化电法主机连接，并将一体化电法主机进行固定或引致周边室内进行固定；将一体化电法主机连接至服务器，并将服务器与数据无线传输基站相连接；
(5)在水利部门安全监控中心安装数据采集与处理平台，连接数据无线传输基站；并基于卫星通讯平台，对数据采集与处理平台和服务器进行通讯调试，确保两者之间实时通讯；
(6)在数据采集与处理平台中对钻孔进行编号，远离一体化电法主机的钻孔编为1号钻孔，其它向电法主机不断靠近的钻孔编号依次递增1；
(7)利用数据采集与处理平台通过数据无线传输基站和卫星通讯平台给服务器下发数据采集指令(包括钻孔采集顺序、数据采集间隔时间、供电方波、供电时间等参数)，服务器将采集指令同步发送给一体化电法主机；
(8)一体化电法主机接收采集指令后，按指令参数要求①对每个钻孔内部采集一次电场和二次电场，获得视电阻率和视极化率剖面数据；②针对相邻两个钻孔采集跨孔一次透视电场和跨孔二次透视电场，获得跨孔视电阻率和视极化率数据；
(9)数据采集完毕后主动将采集数据通过数据无线传输基站和卫星通讯平台回传至数据采集与处理平台；
b.所述数据反演成像包括如下步骤：
(10)根据坝顶轴向长度、钻孔平面位置、深度以及每个钻孔电极的位置，建立统一直角坐标系；
(11)对实测的视电阻率和视极化率数据进行系统解编，并赋予空间直角坐标，建立数据反演区域，形成数据采集与处理平台所需的格式文件，并代入数据采集与处理平台进行电阻率和极化率反演；
(12)提取反演区域内电阻率和极化率数据，并进行数据统计，获得相对低电阻率和高极化率异常区，并在数据采集与处理平台进行实时显示与表达；
(13)通过对比分析不同时刻采集与反演的电阻率和极化率剖面，实现土石坝渗漏隐患动态预警；
所述步骤(8)中，单个钻孔内部的视电阻率和视极化率数据、相邻两个钻孔之间的跨孔视电阻率和视极化率数据可选择二极、三极和四极等装置进行采集，一般情况下选择三极装置；
所述步骤(11)中，电阻率和极化率反演时将探测区域二维网格化，计算每个网格内的电阻率和极化率，采用光滑约束的最小二乘反演算法，电阻率和极化率反演目标函数为：
(GTG+λCTC)Δm＝GTΔd
式中，△d为观测数据d和正演理论计算值d0之间的残差向量；G为系数矩阵；△m为初始模型m的修改向量，C为模型光滑矩阵；λ为光滑阻尼因子。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种土石坝时域电场监测系统，其特征在于：所述监测系统是由通讯电缆、钻孔电缆、钻孔电极、一体化电法主机、服务器、数据无线传输基站、卫星通讯平台、数据采集与处理平台组成的。
2.如权利要求1所述的一种土石坝时域电场监测系统，其特征在于：所述一体化电法主机包括电源模块、参数设置模块、时域电磁激励模块、时域电场采集模块和数据传输模块。
3.如权利要求1所述的一种土石坝时域电场监测系统，其特征在于：所述数据采集与处理平台，先连接服务器，再通过数据无线传输基站与卫星通讯平台对一体化电法主机进行参数设置及输入数据采集命令等操作，进而保证监测系统一次布置后实现长期实时监测。
4.如权利要求1所述的一种土石坝时域电场监测系统，其特征在于：所述钻孔电极为圆柱状且长度为10cm的弱极化或不极化电极。
5.一种土石坝时域电场监测精准成像方法，其特征在于：包括数据观测和数据反演成像；
a.所述数据观测包括如下步骤：
(1)收集土石坝地质和建设资料，掌握坝基埋深和坝顶轴线长度，设计钻孔数量和钻孔深度，并根据钻孔深度设计每个钻孔的电极数。一般控制相邻钻孔的间距≤30m，钻孔深度≤1.5倍坝基埋深；相邻钻孔电极间距≤2m，一般为1m；
(2)按步骤(1)的设计要求，定制相应的钻孔电缆、钻孔电极和通讯电缆，并在坝顶沿轴线施工垂向钻孔；
(3)将步骤(2)所定制的钻孔电缆和钻孔电极按相应顺序放入步骤(2)所施工的钻孔中，并对每个钻孔进行注浆封闭，实现电极与土石坝的充分耦合；
(4)将通讯电缆连接每个钻孔电缆并引至坝顶一侧与一体化电法主机连接，并将一体化电法主机进行固定或引致周边室内进行固定；将一体化电法主机连接至服务器，并将服务器与数据无线传输基站相连接；
(5)在水利部门安全监控中心安装数据采集与处理平台，连接数据无线传输基站；并基于卫星通讯平台，对数据采集与处理平台和服务器进行通讯调试，确保两者之间实时通讯；
(6)在数据采集与处理平台中对钻孔进行编号，远离一体化电法主机的钻孔编为1号钻孔，其它向电法主机不断靠近的钻孔编号依次递增1；
(7)利用数据采集与处理平台通过数据无线传输基站和卫星通讯平台给服务器下发数据采集指令(包括钻孔采集顺序、数据采集间隔时间、供电方波、供电时间等参数)，服务器将采集指令同步发送给一体化电法主机；
(8)一体化电法主机接收采集指令后，按指令参数要求①对每个钻孔内部采集一次电场和二次电场，获得视电阻率和视极化率剖面数据；②针对相邻两个钻孔采集跨孔一次透视电场和跨孔二次透视电场，获得跨孔视电阻率和视极化率数据；
(9)数据采集完毕后主动将采集数据通过数据无线传输基站和卫星通讯平台回传至数据采集与处理平台；
b.所述数据反演成像包括如下步骤：
(10)根据坝顶轴向长度、钻孔平面位置、深度以及每个钻孔电极的位置，建立统一直角坐标系；
(11)对实测的视电阻率和视极化率数据进行系统解编，并赋予空间直角坐标，建立数据反演区域，形成数据采集与处理平台所需的格式文件，并代入数据采集与处理平台进行电阻率和极化率反演；
(12)提取反演区域内电阻率和极化率数据，并进行数据统计，获得相对低电阻率和高极化率异常区，并在数据采集与处理平台进行实时显示与表达；
(13)通过对比分析不同时刻采集与反演的电阻率和极化率剖面，实现土石坝渗漏隐患动态预警。
6.如权利要求5所述的一种土石坝时域电场监测精准成像方法，其特征在于：
所述步骤(8)中，单个钻孔内部的视电阻率和视极化率数据、相邻两个钻孔之间的跨孔视电阻率和视极化率数据可选择二极、三极和四极等装置进行采集，一般情况下选择三极装置。
7.如权利要求5所述的一种土石坝时域电场监测精准成像方法，其特征在于：
所述步骤(11)中，电阻率和极化率反演时将探测区域二维网格化，计算每个网格内的电阻率和极化率，采用光滑约束的最小二乘反演算法，电阻率和极化率反演目标函数为：
(GTG+λCTC)Δm＝GTΔd
式中，△d为观测数据d和正演理论计算值d0之间的残差向量；G为系数矩阵；△m为初始模型m的修改向量，C为模型光滑矩阵；λ为光滑阻尼因子。
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