CN113092534A - 一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法，包括若干电极埋设装置、并行电法远程巡测装置和PC终端，在硬化坝顶上沿大坝方向钻有若干钻孔，所述电极埋设装置设于钻孔内，若干所述电极埋设装置连接并行电法远程巡测装置，所述并行电法远程巡测装置连接PC终端，本发明提供了一种稳定性好的既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法。

Description

一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法

技术领域

本发明涉及水利监测设备技术领域，具体为一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法。

背景技术

地球物理探测技术以无损、高效、经济的特点在水利工程全生命周期探测中得到广泛的应用，并且表现出强大的发展潜力，特别是电阻率在水库大坝渗漏诊断中发挥出常规手段不可比拟的优势。但由于土石坝渗漏原因不明，隐患的位置不详，常规的一次性探测可能会出现漏判、误判、错判等问题。专利CN 108267394A公开了一种土石坝渗流场监控系统及其预警方法，本发明监测系统全断面展示大坝渗流特性的特点，有助于对大坝的健康状态进行全覆盖式综合评估，只需一次安装，测试时间段更加灵活，实时分析大坝内部渗流场的变化特征，实现长期监测；监测系统现场布设灵活，装置结构简单，安装方便；专利CN110082393A提供一种基于移动通信和高密度电法的堤坝实时监测系统及方法，其可对堤坝的渗漏情况做实时监测和预警，实施简易，将数据结果的人工分析过程交由计算机完成，同时挖掘数据，提供更丰富的结论；专利CN106769783 A公开了一种土石坝防渗性能劣化的监测诊断装置及方法，能够实现土石坝坝体渗漏破坏过程的劣化程度监测诊断，为渗漏土石坝诊断分析和工程维护提供帮助，保障了土石坝工程的安全运行。

以上专利虽实现了对水库大坝的动态监测，但需把仪器设备及相应的监测装备放置在监测现场，而对于专业人员应该知晓水库大坝渗漏病害是一个渐变的过程，实时动态获得的海量数据显然冗余，并且仪器设备长久的放置在水库大坝上容易造成资源的浪费。此外，目前水库大坝坝顶都经硬化处理，如何把监测系统安装在坝体内部且保持长期的稳定性也成为行业一大难题。为此，针对大坝坝顶硬化的问题，发明一种埋设在大坝的简易装置并根据需要实现远程巡测的效果十分必要。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种稳定性好的既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，包括若干电极埋设装置、并行电法远程巡测装置和PC终端，在硬化坝顶上沿大坝方向钻有若干钻孔，所述电极埋设装置设于钻孔内，若干所述电极埋设装置连接并行电法远程巡测装置，所述并行电法远程巡测装置连接PC终端。

进一步的，所述电极埋设装置包括电极，所述钻孔的底部设有第一黏土，所述电极设在第一黏土上，所述钻孔内对应电极底部的圆周方向设有第二黏土，所述电极的圆周方向设有若干预制Γ型砼，所述钻孔内对应第二黏土的上方填充有粗砂，所述电极顶部设有砼盖，所述砼盖与钻孔之间留有开口槽。

进一步的，所述电极包括铜饼，所述铜饼顶部中心处设有粗铜棒，所述粗铜棒的顶部中心处设有细铜棒，所述细铜棒的圆周侧壁上设有山字纹。

进一步的，所述电极的轴线与钻孔的轴线一致。

进一步的，所述粗铜棒和细铜棒与预制Γ型砼之间留有空隙。

进一步的，所述砼盖的底部设有用于放置细铜棒的第一容纳槽和用于定位预制Γ型砼的第二容纳槽，所述砼盖的顶部设有凹槽。

进一步的，所述并行电法远程巡测装置包括多芯电缆线、双鳄鱼夹导线、并行电法巡测仪和通信装置，所述电极通过双鳄鱼夹导线连接多芯电缆线上的抽头，所述多芯电缆线通过航空插连接并行电法巡测仪，所述并行电法巡测仪通过通信装置连接PC终端。

进一步的，所述并行电法巡测仪包括锂电池组电源、电极控制器、并行电法采集器，所述并行电法采集器包括对电极控制器进行的通讯模块、用于接收PC终端指令、实现数据的采集及上传和控制电极的切换及编码的控制模块、向电极内发射电流信号的发射模块、用于采集供电电极之间的电流以及测量电极之间的电压信号的采集模块、用于存储电流、电压信息的储存模块。

一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统的使用方法，包括如下步骤，

(1)搜集大坝的工程地质资料，并明确大坝坝体的防渗断面；

(2)根据大坝坝型布设电极埋设装置，若大坝坝型为粘土心墙坝，则把电极埋设装置布设在粘土防渗体的坝顶部位，若大坝坝型为均质坝，则把电极埋设装置布设在大坝中轴线的坝顶部位；

(3)根据大坝坝长、坝高以及并行电法巡测装置的通道数确定电极的个数及位置，在已确定硬化坝顶上的电极位置处进行钻探钻孔；

(4)向钻孔底部先把粘土进行分层碾压和逐层加厚，在钻孔的中心位置安装电极，并且保证电极的中心与钻孔中心线重合，待电极放置稳定后，在电极的周围进行投放粘土，碾压后的粘土厚度与铜饼齐平；

(5)在铜饼的上部安放预制Γ型砼，预制Γ型砼紧靠孔壁，保持与粗铜棒有空隙，在预制Γ型砼外侧填满粗砂，粗砂的高度直至大坝坝体的顶端；

(6)在并行电法巡测之前，向砼盖与钻孔孔壁之间的开口槽内注入导电液，等待溶液完全渗入到大坝坝体内部时，取出砼盖，把多芯电缆线在大坝坝顶上一字型摆开，并且把抽头放置在电极附近，利用双鳄鱼夹导线对应连接电极上的细铜棒与抽头，并且保证鳄鱼夹与山字纹充分接触，多芯电缆线上的航空插与并行电法巡测仪相连接；

(7)开启并行电法巡测仪，打开PC终端上的控制软件，设置采样参数，并通过通信装置向并行电法巡测仪下达采集命令，待一次采样完成后，实时回收供电电流、一次场电位的地电信息；

(8)把得到的电流、电位数据按照不同的装置形式或者自定义形式输出，得到当前大坝的电阻率分布等值线云图、曲线图，把不同期次处理的成果进行综合分析，通过比较同一大坝、不同时刻数据的改变特点以判断大坝内部性态的变化。

(三)有益效果

本发明提供了一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法。具备以下有益效果：

1、本发明提供的并行电法远程巡测系统解决了单一探测不足的问题，掌握大坝不同时期内部性态的变化，并且规避了当前单点监测信息的离散型。

2、本发明提供的硬化坝顶的电极埋设装置可永久埋设在大坝内部，现场在硬化坝顶实施方便，操作简单，易于更换，摒弃常规探测总是不断砸电极的弊端，同时也保持了电极位置的固定。

3、并行电法远程巡测装置现场数据采集效率高，采用远程PC端的数据快速处理，能快速得到大坝内部的电阻率分布规律。

4、本发明不需要电法采集设备长久放置在现场，可根据现场需要有计划的对大坝进行地电场数据的采集及分析，避免了大量冗余的繁琐处理。

附图说明

图1为本发明钻孔内的结构示意图

图2为本发明电极的结构示意图；

图3为本发明整体结构简图。

标注说明：1―大坝坝体；2―硬化坝顶；3―粘土；31―第一粘土；32―第二粘土；4―粗砂；5―预制Γ型砼；6―电极；61―铜饼；62―粗铜棒； 63―细铜棒；64―山字纹；7―砼盖；8―开口槽；9―多芯电缆线；10―抽头； 11―双鳄鱼夹导线；12―航空插；13―并行电法巡测仪；14―通信装置；15―PC 终端。

具体实施方式

参照图1至图3对本发明一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统及方法的实施例作进一步说明。

一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，包括若干电极6埋设装置、并行电法远程巡测装置和PC终端15，在硬化坝顶2上沿大坝方向钻有若干钻孔，所述电极6埋设装置设于钻孔内，若干所述电极6埋设装置连接并行电法远程巡测装置，所述并行电法远程巡测装置连接PC终端15。

本实施例中在钻孔的时候采用便携式背包钻机，钻孔深度为50cm，钻孔孔径为13cm，相邻钻孔之间的间距为0.5m、1m、2m，具体根据大坝坝长、坝高以及并行电法巡测装置的通道数所决定，本实施例中将若干电极6埋设装置设置在硬化坝顶2上的钻孔内可永久埋设在大坝内部，现场在硬化坝顶2 实施方便，操作简单，易于更换，摒弃常规探测总是不断砸电极6的弊端，同时也保持了电极6位置的固定，且沿大坝方向设置多个电极6解决了单一探测不足的问题，掌握大坝不同时期内部性态的变化，并且规避了当前单点监测信息的离散型，利用并行电法远程巡测装置和PC终端15远程检测，不需要电法采集设备长久放置在现场，可根据现场需要有计划的对大坝进行地电场数据的采集及分析，避免了大量冗余的繁琐处理，且采用远程PC端的数据快速处理，能快速得到大坝内部的电阻率分布规律。

本实施例优选的所述电极6埋设装置包括电极6，所述钻孔的底部设有第一黏土，所述电极6设在第一黏土上，所述钻孔内对应电极6底部的圆周方向设有第二黏土，所述电极6的圆周方向设有若干预制Γ型砼5，所述钻孔内对应第二黏土的上方填充有粗砂4，所述电极6顶部设有砼盖7，所述砼盖 7与钻孔之间留有开口槽8，本实施例中的第一黏土厚度为7cm，采用分层碾压的施工工艺，从而保证电极6在垂向上的稳定性以及与大坝填土的耦合效果；所述第一粘土32是压实在电极6下部分铜饼61的周围，厚度为5cm，用于保证电极6在横向的稳定性以及与大坝填土的耦合效果，本实施例中预制Γ型砼5厚1cm、长30cm；预制Γ型砼5用于防止粗砂4以及导电液流入到电极6周围，并且对砼盖7具有一定的支撑效果。

本实施例优选的所述电极6包括铜饼61，所述铜饼61顶部中心处设有粗铜棒62，所述粗铜棒62的顶部中心处设有细铜棒63，所述细铜棒63的圆周侧壁上设有山字纹64，本实施例中的电极6总长度为40cm，铜饼61为圆柱体，其直径10cm，长度5cm，位于最底端，主要用于增大铜电极6与粘土3 之间的接触面积，从而提高电极6的供电电流与测量电位勘探效果；粗铜棒 62为圆柱体，其直径为2cm，长度28cm，主要连接铜饼61与细铜棒63；细铜棒63为圆柱体，其直径为1cm，长度为7cm，其周边镶嵌山字纹64，所述山字纹64增加细铜棒63的粗糙度，有利于双鳄鱼夹导线11中的鳄鱼夹与细铜棒63的牢固性，铜饼61下伏为第一粘土31，周围被第一粘土32所覆盖，铜饼61用于把供电电流注入到大坝体内，同时也起到把大坝内部不同位置的电位差采集起来。

本实施例优选的所述电极6的轴线与钻孔的轴线一致。

本实施例优选的所述粗铜棒62和细铜棒63与预制Γ型砼5之间留有空隙，保证并行电法远程巡测系统的供电形式为点电源形成的稳恒电流场，硬化坝顶2的电极6埋设装置在使用前应先向开口槽8内注入导电液，导电液量不小于2L，可分多次进行注入；导电液可以为库水、NaCl溶液。

本实施例优选的所述砼盖7的底部设有用于放置细铜棒63的第一容纳槽和用于定位预制Γ型砼5的第二容纳槽，所述砼盖7的顶部设有凹槽，本实施例中砼盖7为圆柱体，其直径为10cm，长度为10cm；砼盖7中部为直径3cm、长度8cm的圆柱形第一容纳槽，主要用于放置细铜棒63；砼盖7的下部具有直径5cm、长度2cm的圆柱形第二容纳槽，主要用于放置预制Γ型砼5，预制Γ型砼5具有支撑及平衡砼盖7的作用，并且预制Γ型砼5与砼盖7之间的接触有效阻止导电液流入电极6内部；砼盖7上部还设置了凹槽，以方便砼盖7的取出及放置，砼盖7的设置即可用于保护装置的安全性以及大坝坝顶的美观，也提高了注入导电液的水头高度。

本实施例优选的所述并行电法远程巡测装置包括多芯电缆线9、双鳄鱼夹导线11、并行电法巡测仪13和通信装置14，所述电极6通过双鳄鱼夹导线 11连接多芯电缆线9上的抽头10，所述多芯电缆线9通过航空插12连接并行电法巡测仪13，所述并行电法巡测仪13通过通信装置14连接PC终端15。

本实施例优选的所述并行电法巡测仪13包括锂电池组电源、电极6控制器、并行电法采集器，所述并行电法采集器包括对电极6控制器进行的通讯模块、用于接收PC终端15指令、实现数据的采集及上传和控制电极6的切换及编码的控制模块、向电极6内发射电流信号的发射模块、用于采集供电电极6之间的电流以及测量电极6之间的电压信号的采集模块、用于存储电流、电压信息的储存模块，多芯电缆线9具有产品具备优异的柔韧性、耐弯曲、反复卷绕、耐油防水、抗拉耐磨损、长距离信号传输；多芯电缆线9内部芯数具有32个、48个、64个、80个、96个、112个、128个，可根据大坝坝长、坝高以及并行电法巡测装置的通道数定制；多芯电缆线9抽头10数有32个、48个、64个、80个、96个、112个、128个，可根据大坝坝长、坝高以及并行电法巡测装置的通道数定制；多芯电缆线9采用高耐磨且机械性能优异的聚氨酯作为护套材料，并且采用铠装设计，适用于长线路的拖曳式测量；双鳄鱼夹导线11用于把电极6与抽头10连接起来，实现抽头10内电流向电极6内传导，以使电流流进大坝内；并行电法巡测仪13包括锂电池组电源、电极6控制器、并行电法采集器；锂电池组电源采用防爆本安技术，保障恶劣天气供电的稳定性，可输出电压为24v、48v、72v、96v、120v；电极6控制器电极6状态(供电、测量)的自动切换，可管理32个、48个、64 个、80个、96个、112个、128个电极6；并行电法采集器有通讯模块、控制模块、发射模块、采集模块、储存模块，通讯模块对电极6控制器进行通讯控制，控制模块接收PC终端15下达的指令，实现数据的采集及上传，控制电极6的切换及编码；发射模块向电极6内发射电流信号，可发射直流、交流以及2n序列伪随机信号的波形；采集模块用于采集供电电极6之间的电流以及测量电极6之间的电压信号；储存模块主要存储电流、电压信息；通信装置14采用因特网、4G等移动无线信号传递PC终端15对并行电法巡测仪 13下达的控制指令；并行电法巡测仪13与通信装置14集成一体，提高工作效率，避免仪器设备的破损；PC终端15位于大坝的控制中心室，主要搭载系统的控制软件、数据处理软件以及成果分析软件。控制软件具有远程控制并行电法巡测仪13工作状态的功能，通过控制软件可以设置电极6个数、电极 6起止编码、发射波形、发射电压、采集模式(AM法、ABM法、装置形式)、供电时间、采样间隔等，并且以询问的方式对并行电法巡测仪13内的数据进行实施回收处理，并以供电电流、供电电极6、采样电极6以及电位差的波形图实施显示；数据处理软件是把得到的电流、电位数据按照不同的装置形式或者自定义形式输出，从而得到当前大坝的电阻率分布等值线云图、曲线图；成果分析软件是把不同期次处理的成果进行综合分析，通过比较同一大坝、不同时刻数据的变化特点以判断大坝内部性态的变化，成果分析软件内还可以建立大坝不同性态与电阻率的函数关系，从而通过电阻率的变化直接揭示出大坝的安全状况。

本发明在使用时先搜集大坝的工程地质资料，明确大坝坝体1的防渗断面。若大坝坝型为粘土3心墙坝，则把电极6埋设装置布设在粘土3防渗体的坝顶部位；若大坝坝型为均质坝，则把电极6埋设装置布设在大坝中轴线的坝顶部位；然后根据大坝坝长、坝高以及并行电法巡测装置的通道数确定电极6的个数及位置，在已确定硬化坝顶2上的电极6位置处进行钻探钻孔；利用便携式钻机进行钻探作业，每个钻孔的深度为50cm，钻孔的孔径为13cm；向钻孔底部先把粘土3进行分层碾压、逐层加厚至7cm，在钻孔的中心位置安装电极6，并且保证电极6的中心与钻孔中心线重合；待电极6放置稳定后，在电极6的周围进行投放粘土3，碾压后的粘土3厚度与铜饼61齐平；在铜饼61的上部安放预制Γ型砼5，预制Γ型砼5紧靠孔壁，保持与粗铜棒62 有0.5cm的空隙；在预制Γ型砼5外侧填满粗砂4，粗砂4的高度直至大坝坝体1的顶端；砼盖7与预制Γ型砼5、细铜棒63具有合适的嵌入结构，从而保护电极6以及钻孔免受外来破坏，砼盖7在不采集数据时，永久放置在孔口；当采集数据时，从钻孔内取出；在并行电法巡测之前，向砼盖7与钻孔孔壁之间的开口槽8内注入导电液，等待溶液完全渗入到大坝坝体1内部时，取出砼盖7；把多芯电缆线9在大坝坝顶上“一字型”摆开，并且把抽头 10放置在电极6附近，利用双鳄鱼夹导线11对应连接电极6上的细铜棒63 与抽头10，并且保证鳄鱼夹与“山”字纹充分接触；多芯电缆线9上的航空插12与并行电法巡测仪13相连接；开启并行电法巡测仪13，打开PC终端 15上的控制软件，设置采样参数(电极6个数、电极6起止编码、发射波形、发射电压、采集模式)，并通过通信装置14向并行电法巡测仪13下达采集命令，待一次采样完成后，实时回收供电电流、一次场电位等地电信息；处理软件是把得到的电流、电位数据按照不同的装置形式或者自定义形式输出，从而得到当前大坝的电阻率分布等值线云图、曲线图；成果分析软件是把不同期次处理的成果进行综合分析，通过比较同一大坝、不同时刻数据的改变特点以判断大坝内部性态的变化，从而为大坝的安全状态评价提供依据。本发明的巡测频率为2次/年，即汛前、汛后。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，其特征在于：包括若干电极埋设装置、并行电法远程巡测装置和PC终端，在硬化坝顶上沿大坝方向钻有若干钻孔，所述电极埋设装置设于钻孔内，若干所述电极埋设装置连接并行电法远程巡测装置，所述并行电法远程巡测装置连接PC终端,所述电极埋设装置包括电极，所述钻孔的底部设有第一黏土，所述电极设在第一黏土上，所述钻孔内对应电极底部的圆周方向设有第二黏土，所述电极的圆周方向设有若干预制Γ型砼，所述钻孔内对应第二黏土的上方填充有粗砂，所述电极顶部设有砼盖，所述砼盖与钻孔之间留有开口槽,所述电极包括铜饼，所述铜饼顶部中心处设有粗铜棒，所述粗铜棒的顶部中心处设有细铜棒，所述细铜棒的圆周侧壁上设有山字纹，所述电极的轴线与钻孔的轴线一致。

2.根据权利要求1所述的一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，其特征在于：所述粗铜棒和细铜棒与预制Γ型砼之间留有空隙。

3.根据权利要求1所述的一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，其特征在于：所述砼盖的底部设有用于放置细铜棒的第一容纳槽和用于定位预制Γ型砼的第二容纳槽，所述砼盖的顶部设有凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，其特征在于：所述并行电法远程巡测装置包括多芯电缆线、双鳄鱼夹导线、并行电法巡测仪和通信装置，所述电极通过双鳄鱼夹导线连接多芯电缆线上的抽头，所述多芯电缆线通过航空插连接并行电法巡测仪，所述并行电法巡测仪通过通信装置连接PC终端。

5.根据权利要求4所述的一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统，其特征在于：所述并行电法巡测仪包括锂电池组电源、电极控制器、并行电法采集器，所述并行电法采集器包括对电极控制器进行的通讯模块、用于接收PC终端指令、实现数据的采集及上传和控制电极的切换及编码的控制模块、向电极内发射电流信号的发射模块、用于采集供电电极之间的电流以及测量电极之间的电压信号的采集模块、用于存储电流、电压信息的储存模块。

6.一种既有坝顶硬化的并行电法远程巡测系统的使用方法，其特征是：包括如下步骤，

(1)搜集大坝的工程地质资料，并明确大坝坝体的防渗断面；

(2)根据大坝坝型布设电极埋设装置，若大坝坝型为粘土心墙坝，则把电极埋设装置布设在粘土防渗体的坝顶部位，若大坝坝型为均质坝，则把电极埋设装置布设在大坝中轴线的坝顶部位；

(3)根据大坝坝长、坝高以及并行电法巡测装置的通道数确定电极的个数及位置，在已确定硬化坝顶上的电极位置处进行钻探钻孔；

(4)向钻孔底部先把粘土进行分层碾压和逐层加厚，在钻孔的中心位置安装电极，并且保证电极的中心与钻孔中心线重合，待电极放置稳定后，在电极的周围进行投放粘土，碾压后的粘土厚度与铜饼齐平；

(5)在铜饼的上部安放预制Γ型砼，预制Γ型砼紧靠孔壁，保持与粗铜棒有空隙，在预制Γ型砼外侧填满粗砂，粗砂的高度直至大坝坝体的顶端；

(6)在并行电法巡测之前，向砼盖与钻孔孔壁之间的开口槽内注入导电液，等待溶液完全渗入到大坝坝体内部时，取出砼盖，把多芯电缆线在大坝坝顶上一字型摆开，并且把抽头放置在电极附近，利用双鳄鱼夹导线对应连接电极上的细铜棒与抽头，并且保证鳄鱼夹与山字纹充分接触，多芯电缆线上的航空插与并行电法巡测仪相连接；

(7)开启并行电法巡测仪，打开PC终端上的控制软件，设置采样参数，并通过通信装置向并行电法巡测仪下达采集命令，待一次采样完成后，实时回收供电电流、一次场电位的地电信息；

(8)把得到的电流、电位数据按照不同的装置形式或者自定义形式输出，得到当前大坝的电阻率分布等值线云图、曲线图，把不同期次处理的成果进行综合分析，通过比较同一大坝、不同时刻数据的改变特点以判断大坝内部性态的变化。

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