CN112254764B - 一种堤坝渗漏通道快速定位监测系统及方法 - Google Patents
一种堤坝渗漏通道快速定位监测系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种堤坝渗漏通道快速定位监测系统及方法。本发明监测系统主要包括地形测绘系统、数据处理与分析系统、水力学测试系统。地形测绘系统用于通过无人机和GPS测绘仪器完成堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝空间坐标的采集；数据处理与分析系统用于对采集的等高线监测计量点的空间坐标进行计算与变换，再绘制堤坝顶部等高线和地表裂缝，及其形态的实时跟踪，得到等高线和地表裂缝的时效几何分布；水力学测试系统用于等高线密集、梯度变化大、沉降变形大和地表裂缝的区域进行水速、总水头和冲刷速率参数测试，确定堤坝渗漏通道的位置。本发明环境适应性强、监测技术简便、监测数据准确、操作安全、监测效果明显。
Description
技术领域
本发明属于堤坝渗漏、流土、管涌水力特性与浸水土体工程渗透稳定性技术领域，具体涉及一种堤坝渗漏通道快速定位监测系统及方法。
背景技术
在河岸、水库及电站堤坝，浸水路基，地下渗水结构等已建工程和工程建设活动中，已形成了大量的土质堤坝边坡，在强降雨、浸泡、洪涝灾害和开挖过程中，产生了水流冲刷、土体强度降低、应力释放、动水力拖曳、土粒运移、土体垮塌流失、横向扩展等不利效应，因此地下水渗透对堤坝土体的变形与稳定性造成了严重的影响。大量事实证明，堤坝渗透变形与稳定还受土性条件、堤坝几何特征、填筑密实性和不当的防护加固措施等其它内外因素的影响，此情形下，堤坝大变形与失稳隐患无处不在，一旦溃决将产生大量的财产损失和人员伤亡，且修复难度极大。因此对堤坝渗漏通道定位必须采取快速有效的监测，并预测预报通道的时变特征，及时实施主动加固，控制水害发生。
目前，传统的堤坝渗漏通道定位监测方法主要有地表巡逻、位移桩、潜水、激光定位、核磁共振成像、土体扫描等措施，这些监测方法能够发现堤坝渗漏通道的位置和渗漏程度，指导堤坝堵漏加固具有重要意义，但是上述方法在堤坝通道定位监测过程中需要更多的人为判断因素、扫描影像模糊多解、监测技术复杂、危险性较大、精密仪器容易浸水破坏、监测成本还较高，倘若预测预报不及时或判断失误，还会出现多处贯通的渗漏通道，势必造成更大的经济财产损失。因此，堤坝渗漏通道快速定位监测是一个技术难题，尚缺简便高效的快速监测方法。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种环境适应性强、监测技术简便、监测数据准确、操作安全、监测效果明显，还能实时监测与多通道分析的堤坝渗漏通道快速定位监测系统。
该堤坝渗漏通道快速定位监测系统，它包括地形测绘系统、数据处理与分析系统、水力学测试系统，数据处理与分析系统与地形测绘系统和水力学测试系统分别连接；其中，
(1)地形测绘系统：包括在堤坝顶部布设的监测网、无人机和GPS测绘仪器；用于通过无人机和GPS测绘仪器完成堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝空间坐标的采集；所述等高线监测计量点为监测网的角点和网格边线上的任一点；
(2)数据处理与分析系统：包括主控计算机及其测绘仪器数据软件与等高线实时几何形态；用于对采集的等高线监测计量点的空间坐标进行计算与变换，等高线上其它点的坐标通过监测网所围网格相邻两角点坐标进行多项式插值得到，再绘制堤坝顶部等高线和地表裂缝，及其形态的实时跟踪，得到等高线和地表裂缝的时效几何分布；
(3)水力学测试系统：包括水力学参数智能测试仪；所述水力学参数智能测试仪包括水速-总水头-冲刷速率联合传感器及定位轴；用于等高线密集、梯度变化大、沉降变形大和地表裂缝的区域进行水速、总水头和冲刷速率参数测试，确定堤坝渗漏通道的位置。
本发明的目的之二在于提供一种基于上述堤坝渗漏通道快速定位监测系统的监测方法，它包括如下步骤：
(1)在堤坝顶部布设监测网，在堤坝顶部浸水侧往中轴线方向适当加密，并确定等高线监测计量点；
(2)通过无人机和GPS测绘仪器完成堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝空间坐标的采集，对模糊计量点的坐标通过GPS测绘仪器进一步测绘，完善等高线绘制；所述模糊计量点是堤坝顶部由于草丛枝叶、地表裂缝不便于无人机航测描绘等高线监测计量点；
(3)通过测绘仪器数据软件对采集的等高线监测计量点的空间坐标进行计算与变换，等高线上其它点的坐标通过监测网所围网格相邻两角点坐标插值得到，再绘制堤坝顶部等高线和地表裂缝，并加强等高线和地表裂缝的实时跟踪，分析等高线和地表裂缝的时效几何形态；所述等高线几何形态的分析是描绘等高线密集区、梯度变化区和沉降变形最大范围，进而对该区域监测网加密，获取等高线监测计量点的空间坐标，绘制等高线，再进一步确定等高线密集、梯度变化、地表裂缝且沉降变形最大区域；
(4)对堤坝顶部监测网加密区的等高线，在等高线监测计量点变形显著、曲率大、地表裂缝的位置沿堤坝浸水坡面下放置水力学参数智能测试仪；所述水力学参数智能测试仪为敞开式结构，包括竖直杆架、水平杆架、对角斜杆和水速-总水头-冲刷速率联合传感器及定位轴，联合传感器可沿定位轴滑移来测定浸水坡面不同位置水力学参数，获取浸水坡面水速参数、总水头参数和冲刷速率参数预警值所在位置，最后联合时变等高线沉降变形大-地表裂缝-梯度最大方向-水力学参数测试数据进行敏感性分析，确定堤坝渗漏通道的位置。
具体的，步骤(1)中，在堤坝顶部布设监测网，其监测网格是尺寸为40cm～60cm的矩形网格；浸水侧往堤坝顶部中轴线方向的加密监测网，是网格尺寸为30cm～40cm的矩形网格；以堤坝顶部土体为仪器测绘点，选定等高线监测计量点，等高线监测计量点是监测网格的角点和网格边线上任一点，涂上漆点作为等高线监测计量点，无人机航测过程中，避开堤坝顶部模糊计量点。
具体的，步骤(2)中，通过无人机航测堤坝顶部地形，按照1:500、1:200，甚至更大比例尺的测绘要求，获得堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝的空间坐标和影像图，对模糊计量点坐标通过GPS测绘仪器进一步测绘，完善堤坝顶部等高线和地表裂缝绘制。
具体的，步骤(3)中，所述加密监测网是网格尺寸为20cm～30cm的矩形网格。
具体的，步骤(4)中，对堤坝顶部监测网加密区的等高线，在等高线监测计量点变形显著、曲率大、地表裂缝的位置沿堤坝浸水坡面下放置水力学参数智能测试仪，使其水位标尺底部与河床正好接触，通过转动活动铰，使水位标尺垂直于水面，再将水速-总水头-冲刷速率联合传感器以0.2m间距从河床淤泥向坡面水位线布置，测定浸水坡面水速、总水头和冲刷速率值，再在水速、总水头和冲刷速率较大值区间格，以0.01m/s滑移联合传感器，确定水速、总水头参数和冲刷速率参数预警值所在位置，最后联合时变等高线沉降变形大-地表裂缝-梯度最大方向-水力学参数测试数据进行敏感性分析，确定堤坝渗漏通道的位置。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明方法可以克服堤坝渗漏通道快速定位监测不合理造成的堤坝溃决和人为误判因素、扫描影像模糊多解、技术复杂、危险性较大、精密仪器浸水破坏、监测成本较高等问题，保证了快速监测系统具有技术简单易实践、精度高、操作安全、周期短、成本低，还能及时预测预报堤坝渗漏多通道位置及时变特征，主动控制水害。
(2)根据堤坝顶部地表裂缝、等高线分布特征、水速-总水头-冲刷速率监测数据技术可知，本发明的快速定位监测方法所得渗漏通道能精准定位和多通道位置及演变与贯通程度，充分发挥监测数据的及时性，对于堤坝渗漏通道快速定位和主动加固具有较好的理论意义和经济价值。
附图说明
图1为本发明堤坝渗漏通道快速定位监测系统的功能模块结构框图。
图2为本发明实施例堤坝渗漏通道监测布置示意图。
图3为本发明实施例堤坝顶部等高线分布示意图。
图4为本发明实施例监测网加密区与等高线监测计量点布设示意图。
图5为本发明实施例水力学参数智能测试仪的结构示意图。
图6为图5中力学参数智能测试仪的立体结构示意图。
图7为图5中I-I剖面结构示意图。
图中，1为水位标高，2为浸水坡面，3为河床淤泥，4为堤坝顶部,5为坡面水位线，6为堤坝底部，7为监测网矩形网格，8为监测计量点，9为监测网加密网格，10为下游坡底，11为堤坝渗漏通道，12为地下水渗流方向，13为堤坝顶部变形曲线，14为渗漏通道进口，15为渗漏通道出口，16为水力学参数智能测试仪，17为水位标尺，18为顶部等高线，19为等高线最低位置，20为地表裂缝，21为监测网加密区，22为计量点空间坐标，23为水速-总水头-冲刷速率联合传感器定位轴，24为水速-总水头-冲刷速率联合传感器，25为区间格，26为活动铰，27为水位标尺刻度，28为竖直杆架，29为水平杆架，30为对角斜杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步详细描述本发明的技术方案。
参见图1至图7，本实施例中堤坝为土体结构。
结合本实施例的堤坝渗漏通道快速定位监测系统，堤坝渗漏通道快速定位监测方法步骤如下：
(1)在堤坝顶部4布设监测网，监测网格是尺寸为40cm～60cm的监测网矩形网格7(堤坝高陡水流较大时监测网格尺寸取大值)，浸水侧往堤坝顶部中轴线方向加密监测网，网格尺寸为30cm～40cm的矩形监测网加密网格9，以堤坝顶部4土体为仪器测绘点，选定等高线监测计量点8，等高线监测计量点8为网格7、9的角点和网格7、9边线上任一点，涂上漆点作为等高线监测计量点8，无人机航测过程中，避开堤坝顶部4的模糊计量点。
(2)通过无人机航测堤坝顶部4地形，按照1:500、1:200，甚至更大比例尺的测绘要求，获得堤坝顶部4等高线监测计量点8和地表裂缝20的空间坐标22和影像图，对模糊计量点坐标通过GPS测绘仪器进一测绘，完善堤坝顶部等高线18和地表裂缝20绘制。
(3)通过测绘仪器数据软件导入主控计算机，对采集的等高线监测计量点的空间坐标22进行计算与变换，等高线18上其它点的坐标通过所围网格相邻两角点坐标插值得到，再绘制堤坝顶部等高线18和地表裂缝20，并加强等高线18和地表裂缝20的实时跟踪，分析顶部等高线18和地表裂缝20的时效几何形态，所述等高线几何形态的分析是描绘地表裂缝20、等高线密集区、梯度变化区ABCD和沉降变形最大范围，进而对该区域ABCD进行加密监测形成监测网加密网格9，获取等高线计量点的空间坐标22，绘制等高线18，再进一步确定等高线密集、梯度变化、地表裂缝20且沉降变形曲线13最大区域，加密监测网网格尺寸为20cm～30cm的矩形加密网格9，进一步获取等高线计量点的空间坐标22，绘制等高线18，再进一步确定等高线密集、梯度变化且沉降变形曲线13最大区域。
(4)对堤坝顶部监测网加密网格9的等高线18，在等高线计量点变形显著、曲率曲线13的位置沿堤坝浸水坡面下放置水力学参数智能测试仪16，使水位标尺17底部与河床淤泥3正好接触，通过转动活动铰26，使水位标尺17垂直于水面，再将水速-总水头-冲刷速率联合传感器24以0.2m间距为区间格25从河床淤泥3向坡面水位线5布置，测定浸水坡面水速、总水头和冲刷速率值，再在水速、总水头和冲刷速率较大值区间格，以0.01m/s滑移联合传感器24，确定水速、总水头、冲刷速率预警值所在位置，最后联合时变等高线沉降变形大-地表裂缝--梯度最大方向-水力学参数测试等数据进行敏感性分析，确定堤坝渗漏通道的位置。
Claims (5)
1.一种基于堤坝渗漏通道快速定位监测系统的监测方法，所述堤坝渗漏通道快速定位监测系统，它包括地形测绘系统、数据处理与分析系统、水力学测试系统，数据处理与分析系统与地形测绘系统和水力学测试系统分别连接；其中，
（1）地形测绘系统：包括在堤坝顶部布设的监测网、无人机和GPS测绘仪器；用于通过无人机和GPS测绘仪器完成堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝空间坐标的采集；所述等高线监测计量点为监测网的角点和网格边线上的任一点；
（2）数据处理与分析系统：包括主控计算机及其测绘仪器数据软件与等高线实时几何形态；用于对采集的等高线监测计量点的空间坐标进行计算与变换，等高线上其它点的坐标通过监测网所围网格相邻两角点坐标进行多项式插值得到，再绘制堤坝顶部等高线和地表裂缝，及其形态的实时跟踪，得到等高线和地表裂缝的时效几何分布；
（3）水力学测试系统：包括水力学参数智能测试仪；所述水力学参数智能测试仪包括水速-总水头-冲刷速率联合传感器及定位轴；用于等高线密集、梯度变化大、沉降变形大和地表裂缝的区域进行水速、总水头和冲刷速率参数测试，确定堤坝渗漏通道的位置；
其特征在于包括如下步骤：
（1）在堤坝顶部布设监测网，在堤坝顶部浸水侧往中轴线方向适当加密，并确定等高线监测计量点；
（2）通过无人机和GPS测绘仪器完成堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝空间坐标的采集，对模糊计量点的坐标通过GPS测绘仪器进一步测绘，完善等高线绘制；所述模糊计量点是堤坝顶部由于草丛枝叶、地表裂缝不便于无人机航测描绘等高线监测计量点；
（3）通过测绘仪器数据软件对采集的等高线监测计量点的空间坐标进行计算与变换，等高线上其它点的坐标通过监测网所围网格相邻两角点坐标插值得到，再绘制堤坝顶部等高线和地表裂缝，并加强等高线和地表裂缝的实时跟踪，分析等高线和地表裂缝的时效几何形态；所述等高线几何形态的分析是描绘等高线密集区、梯度变化区和沉降变形最大范围，进而对该区域监测网加密，获取等高线监测计量点的空间坐标，绘制等高线，再进一步确定等高线密集、梯度变化、地表裂缝且沉降变形最大区域；
（4）对堤坝顶部监测网加密区的等高线，在等高线监测计量点变形显著、曲率大、地表裂缝的位置沿堤坝浸水坡面下放置水力学参数智能测试仪；所述水力学参数智能测试仪为敞开式结构，包括竖直杆架、水平杆架、对角斜杆和水速-总水头-冲刷速率联合传感器及定位轴，联合传感器可沿定位轴滑移来测定浸水坡面不同位置水力学参数，获取浸水坡面水速参数、总水头参数和冲刷速率参数预警值所在位置，最后联合时变等高线沉降变形大-地表裂缝-梯度最大方向-水力学参数测试数据进行敏感性分析，确定堤坝渗漏通道的位置。
2.根据权利要求1所述堤坝渗漏通道快速定位监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（1）中，在堤坝顶部布设监测网，其监测网格是尺寸为40cm～60cm的矩形网格；浸水侧往堤坝顶部中轴线方向的加密监测网，是网格尺寸为30cm～40cm的矩形网格；以堤坝顶部土体为仪器测绘点，选定等高线监测计量点，等高线监测计量点是监测网格的角点和网格边线上任一点，涂上漆点作为等高线监测计量点，无人机航测过程中，避开堤坝顶部模糊计量点。
3.根据权利要求1所述堤坝渗漏通道快速定位监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（2）中，通过无人机航测堤坝顶部地形，按照1:500、1:200，甚至更大比例尺的测绘要求，获得堤坝顶部等高线监测计量点和地表裂缝的空间坐标和影像图，对模糊计量点坐标通过GPS测绘仪器进一步测绘，完善堤坝顶部等高线和地表裂缝绘制。
4.根据权利要求1所述堤坝渗漏通道快速定位监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（3）中，所述加密监测网是网格尺寸为20cm～30cm的矩形网格。
5.根据权利要求1所述堤坝渗漏通道快速定位监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（4）中，对堤坝顶部监测网加密区的等高线，在等高线监测计量点变形显著、曲率大、地表裂缝的位置沿堤坝浸水坡面下放置水力学参数智能测试仪，使其水位标尺底部与河床正好接触，通过转动活动铰，使水位标尺垂直于水面，再将水速-总水头-冲刷速率联合传感器以0.2m间距从河床淤泥向坡面水位线布置，测定浸水坡面水速、总水头和冲刷速率值，再在水速、总水头和冲刷速率较大值区间格，以0.01m/s滑移联合传感器，确定水速、总水头参数和冲刷速率参数预警值所在位置，最后联合时变等高线沉降变形大-地表裂缝-梯度最大方向-水力学参数测试数据进行敏感性分析，确定堤坝渗漏通道的位置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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