CN113529643B - 高坝深埋病害可视化修复方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高坝深埋病害可视化修复方法及系统，包括建立含拟修复内部病害结构的坝体可视化模型，布设接收器、发射器并确定电磁波参数；测定坝体、不同状态浆液参量并基于测得参量进行电磁波正演，形成解译数据库；发射、接收电磁波信号并开始注浆，基于电磁波信号确定浆液位置并将信号特征与解译数据库中信息进行匹配以获取病害修复状态，实现注浆过程的监控。本发明弥补了当前注浆修复深埋病害的不足，为注浆修复病害过程提供了有效监视手段，为病害修复效果提供了有力反馈，从而指导注浆施工，彻底修复高坝深埋病害。

Description

高坝深埋病害可视化修复方法及系统

技术领域

本发明涉及水利工程病害修复的相关领域，具体为一种针对高坝深埋病害的可视化修复方 法及系统。

背景技术

大坝是防洪保安的重要基石，施工过程中的不合格填筑，在役期间的不利环境作用以及白 蚁等生物作用，使大坝服役期间出现不同程度病害，需及时进行除险修复。当前对于内部存在 病害的大坝，修复的方法主要是开挖回填、注浆等。但对于在役的高坝，病害修复往往工作量 庞大且施工难度大，最为直观的开挖回填方法常不适用；注浆作为内部缺陷的常规修复方法得 到了广泛应用，但用于高坝深埋病害存在以下不足：1)当前注浆方法均为“黑箱”作业，即 在注浆过程中无有效监测手段，也无有力反馈机制，不能指导注浆施工；2)预计注浆量与实 际需浆量常常存在较大差异，注浆后未必能够将空洞、裂缝、蚁穴等病害完全修复，存在“治 而不愈”的现实问题；3)注浆加固后，原来的大病害可能变成了小病害，以至于不能被目前 病害探测设备发现，从而真正成为隐患。因此，由于高坝安全的极端重要性，使得高坝深埋病 害的可视化修复变得十分必要。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出一种高坝深埋病害可视化修复方法及系统，为高坝深埋病 害的可靠修复提供技术保障手段。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

高坝深埋病害可视化修复方法，包括以下步骤：

1)根据高坝图纸及病害特征建立含拟修复内部病害结构的坝体三维可视化模型；

2)根据病害的埋深和范围布设电磁波接收器和发射器并确定发射器的发射波段；

3)根据拟修复范围内坝体状态及病害结构的特征，确定注入浆液的材料及配比；预先测 定坝体材料及不同状态下浆液的电性指标、电磁波响应信号及衍生特征参量，并根据测得参量 进行电磁波正演，获得典型波形信号，形成解译数据库；所述不同状态下浆液指不同凝固程度 的浆液；

4)启动电磁波收发器，获取注浆前拟修复区域的电磁波信号，将信号特征与所述可视化 模型匹配；

5)注浆时，电磁波发射器按照固定时间间隔循环发射电磁波脉冲信号，电磁波接收器实 时接收电磁波信号，基于不同电磁波信号接收器接收到的信号在可视化模型中重建并实时更新 浆液图像，获得浆液实时流动范围；并将接收到的信号与步骤3)所述的典型波形信号进行匹 配，获得浆液状态信息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中，电磁波发射器和接收器可设置多个，布置范 围大于拟修复病害区域在电磁波收发器布置面投影尺寸的1.5倍。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中，电磁波波段根据公式λ＝a·h确定，其中λ为 电磁波波长、h为病害埋深；a为换算系数，取值范围为0.15～0.25。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中，当病害为深埋空洞且不密实时，将发射器布 置在病害上方的坝顶及距离病害最近的坝体表面；接收器布置在靠近发射器的坝顶；

当病害为裂缝时，至少跨缝布置一组发射器与接收器。

不论何种布置方式，在加固过程中，电磁波发射器和接收器位置固定不变。

对于埋深≥30m的深埋病害，可以通过钻孔布设发射器和接收器的方式以提高探测准确度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中，当病害为大尺寸空洞时，注浆浆液为水泥注 浆液；当修复病害为小尺寸空洞、裂缝时，注浆浆液为加入铁磁性粉末或磁流体的水泥注浆液， 以增强信号响应。所述空洞尺寸的大小基于电磁波波长判断，当空洞最小径距大于波长一半时， 视为大尺寸空洞，否则视为小尺寸空洞。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中，电性指标包括电导率、磁导率和介电常数， 衍生参量包括电磁波衰减系数、交界面反射系数、透射系数。典型波形信号包括不同状态浆液 在不同填充状态下的病害结构反射、透射波形信号；

所述不同状态浆液指不同凝固程度的浆液。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4)中，电磁波收发器的启动方式为一发多收；启动 全部电磁波接收器，逐一启动电磁波发射器，使同一时刻仅有一个电磁波发射器发射电磁波， 接收器均接收信号。

本发明的另一目的在于提供一种高坝深埋病害可视化修复系统，包括：

若干电磁波发射器和电磁波接收器，根据病害的埋深和范围布设，用于收发电磁波信号； 电磁波发射器的波长基于病害的埋深和范围确定；

信号处理调控单元，包括输入模块、控制模块、接收模块、存储模块、分析模块和计时模 块；

所述输入模块基于输入/导入/数据传输的方式采集数据，包括电磁波收发器的位置信息、 电磁波发射器的波长、坝体材料和不同状态下浆液的电性指标、电磁波响应信号、衍生特征参 量及基于测得参量进行电磁波正演获得的典型波形信号，形成解译数据库，并将上述信息发送 至存储模块存储；

所述控制模块用于控制电磁波发射器启停；

所述接收模块获取电磁波接收器接收到的电磁波信号；

所述计时模块基于接收模块接收的电磁波信号记录电磁波到时；

所述分析单元处理将从计时单元获取的电磁波到时数据转译为位置信息；并将获取的电磁 波信号与解译数据库中的信息进行匹配，确定浆液状态；

交互单元，包括建模模块和匹配模块，所述建模模块建立坝体及拟修复内部病害结构的三 维可视化模型；所述匹配模块将浆液灌注前获取的待注浆区域电磁波信号特征与所述三维可视 化模型匹配；并根据信号处理调控单元转译的位置信息及确定的浆液状态信息与所述三维可视 化模型匹配；

显示单元，用于显示可视化模型。

作为本发明的进一步改进，所述电磁波发射器和电磁波接收器上设有吸波材料和/或屏蔽 壳。

本发明利用信号特征变化实时重构病害修复情况：1)整个注浆过程中，电磁波发射器和 接收器固定不变，若不处理病害，即坝体内部介质无变化，则电磁波信号响应不变，对病害区 域注入的浆液即为引起信号变化的唯一变量。2)布置多个电磁波发射和接收器，可接收到病 害不同位置处的到时、反射/透射信号，利于精细化重构病害状态。

附图说明

图1为可视化修复装置的组成模块示意图。

图2为实施例1中实施方式布置图。

图3为注浆前接收到该区域的电磁波信号。

图4为病害状态重构后的坝体三维可视化模型。

图5为实施例2中实施方式布置图。

图中标号说明：

2-1.坝体；2-2.空洞；2-3.电磁波发射器a；2-4.电磁波发射器b；2-5.电磁波接收器a；2-6. 电磁波接收器b；2-7.电磁波接收器c。

5-1.坝体；5-2.空洞；5-3.电磁波发射器A；5-4.电磁波发射器B；5-5.电磁波接收器C。

具体实施方式

实施例1

本实施例具体说明本发明方法的实施方式。

某高坝坝体1内距离坝顶约15m处存在一径距约为2m的空洞2，现对其采用可视化修复 方法配合注浆进行处理。

1)建立坝段三维可视化模型如图2。

2)根据病害的埋深和范围，确定电磁波接收器和发射器的波段和布置位置。

本实施例中病害为深埋空洞，将发射器布置在病害上方的坝顶及距离病害最近的坝体表面， 如图2，以空洞2-2正上方为原点，在空洞附近的坝面布置电磁波发射器2-3和电磁波接收器 2-5，在坝顶沿坝轴线处布设电磁波发射器2-4、电磁波接收器2-6和电磁波接收器2-7。

电磁波波段根据公式λ＝a·h确定，病害埋深约15m，a取值0.15～0.25，即波长可为 2.25m～3.75m，本实施例中选用3米波，即100MHz。

3)根据拟加固范围内坝体状态及病害的特征，确定注入浆液的材料及配比。

本实施例中空洞径距为2m，电磁波为3米波，即空洞为大尺寸空洞，注浆浆液为水泥注 浆液。

测定坝体和不同状态下浆液的电性指标，电性指标包括电导率、磁导率和介电常数；基于 测得的电性指标、电磁波响应信号及衍生特征参量进行电磁波正演，获得典型波形信号，即不 同凝固程度浆液不同填充程度病害结构的反射、透射波形信号，所述电性指标、电磁波响应信 号、衍生特征参量和典型波形信号共同组成解译数据，形成解译数据库，并将其输入信号调控 处理单元中。所述不同状态下的浆液指不同凝固程度下的浆液，至少应包括流态、半凝固态、 凝固态三种状态。

4)浆液灌注前，依次启动电磁波接收器，并逐一启动电磁波发射器，确保同一时刻仅有 一个电磁波发射器发射电磁波，所有接收器均接收信号(一发多收)。

电磁波接收器均能稳定采集到电磁波信号，可见空洞典型反射信号且波形稳定，如图3。 将该信号与坝段三维可视化模型匹配。匹配的关键体现在两个方面：一方面是将电磁波信号的 到时与建立模型中的病害位置匹配；另一方面将注浆接收到的电磁波信号与解译数据库中的信 号匹配，从而将浆液状态与典型波形信号匹配。多个传感器接收可实现病害位置的多方位匹配。

5)注浆过程中，发射器按照1s的时间间隔循环发射电磁波脉冲信号，接收器接收信号。 基于不同电磁波信号接收器接收到的信号在可视化模型中重建并实时更新病害范围内的图像。

某一时刻坝段三维可视化模型如图4，可见，病害靠近电磁波接收器2-5的上方仍有未填 充空洞，遂调整注浆角度、压力等，使浆液向该方向偏移。

实施例2

本实施例具体说明本发明系统的实施方式。

某土石坝坝顶存在一深度约3m的裂缝，现对其采用可视化修复方法配合注浆进行处理(如 图5)。

采用如图1所示的高坝深埋病害可视化修复系统，包括若干电磁波发射器和电磁波接收器， 信号调控处理单元、交互单元和显示终端。

通过建模模块建立含拟修复裂缝特征的三维可视化模型，并通过显示终端显示。

所述电磁波发射器和电磁波接收器根据病害的埋深和范围布设，本实施例中为深度约3m 的裂缝。跨缝布置1个电磁波发射器和2个电磁接收器(a和b)，且连线为等腰三角形，边长 为0.5m，电磁波波段选用0.75米波，即400MHz，发射器按照0.5秒1次的时间间隔发射电磁 波脉冲信号。将上述信息通过输入模块储存在信号调控处理单元中的存储模块中，并传递给控 制模块控制电磁波发射器。

注浆浆液加入铁磁性粉末，并按照水泥与铁粉体积比5：1进行配比。浆液灌注前，测定 坝体和不同状态下浆液的电性指标，电性指标包括电导率、磁导率和介电常数，将其输入信号 调控处理单元中；所述不同状态下的浆液指不同凝固程度下的浆液，至少应包括流态、半凝固 态、凝固态三种状态。

基于测得的电性指标、电磁波响应信号及衍生特征参量进行电磁波正演，获得典型波形信 号，即不同凝固程度浆液不同填充程度病害结构的反射、透射波形信号，形成解译数据库，将 经输入模块输入信号调控处理单元并于存储模块中存储。

安装注浆设备及装置，2个电磁波接收器稳定采集到电磁波信号。

接收模块接收所述电磁波信号，并发送至分析模块。计时模块获取电磁波到时信息，并发 送至分析模块。分析模块将接收到的信号转化为病害位置信息传递给交互单元。交互单元通过 匹配模块将位置信息与坝段三维可视化模型匹配。

注浆过程中，发射器按照预设时间间隔发射电磁波脉冲信号，接收器接收信号传递给接收 模块，接收模块将接收到的信号传递给分析模块，计时模块将到时等信息传递给分析模块。分 析模块调用存储模块中预存的解译数据库，将接收到的电磁波信号与之匹配，以明确裂缝内浆 液状态；分析模块将到时解译为位置信息。信号调控处理单元将浆液状态信息和位置信息传递 给交互单元。

交互单元中的匹配模块根据浆液状态和位置信息，重构坝段三维可视化模型，并在显示终 端上显示。随注浆进行，显示终端上可视化模型不断更新。

注浆过程中，观察到模型中靠近电磁波接收器5-4处的注浆量明显少于电磁波接收器5-5 处，故调整注浆角度、压力等，使浆液向电磁波接收器5-4方向流动。注浆停止后，继续采集 该区域电磁波信号，直至分析模块将浆液状态信息与电磁波信号解译数据库中完全填充且凝固 态的浆液信号完全匹配，显示终端显示裂缝已被完全填补。撤除注浆机具和传感器。

Claims (8)

1.高坝深埋病害可视化修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）建立含拟修复内部病害结构的坝体三维可视化模型；

2）根据病害的埋深和范围布设电磁波接收器和发射器并确定发射器的发射波段；

3）根据拟修复范围内坝体状态及病害的特征，确定注入浆液的材料及配比；预先测定坝体材料及不同状态下浆液的电性指标、电磁波响应信号及衍生特征参量，并根据测得参量进行电磁波正演，获得典型波形信号，形成解译数据库；所述不同状态下浆液指不同凝固程度的浆液；

其中，所述电性指标包括电导率、磁导率和介电常数，衍生特征参量包括电磁波衰减系数、交界面反射系数、透射系数；所述典型波形信号包括不同状态浆液不同填充程度下的病害结构反射、透射波形信号；所述不同状态浆液指不同凝固程度的浆液；

4）启动电磁波收发器，获取注浆前拟修复区域的电磁波信号，将信号特征与所述可视化模型匹配；

5）注浆时，电磁波发射器按照固定时间间隔循环发射电磁波脉冲信号，电磁波接收器实时接收电磁波信号获得浆液实时流动范围；将接收到的信号与步骤3）所述的解译数据库中信息进行匹配，获得浆液状态信息，基于不同电磁波信号接收器接收到的信号在可视化模型中重建并实时更新浆液图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，电磁波发射器和接收器设置多个，布置范围大于拟修复病害区域在电磁波收发器布置面投影尺寸的1.5倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，电磁波波段根据公式

确定，其中λ为电磁波波长；h为病害埋深；a为换算系数，取值范围为0.15~0.25。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，当病害为深埋空洞且不密实时，将发射器布置在病害上方的坝顶及距离病害最近的坝体表面；接收器布置在靠近发射器的坝顶；

当病害为裂缝时，至少跨缝布置一组发射器与接收器；

对于埋深≥30m的深埋病害，钻孔布设发射器和接收器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中，当病害为大尺寸空洞时，注浆浆液为水泥注浆液；当修复病害为小尺寸空洞或裂缝时，注浆浆液为加入铁磁性粉末或磁流体的水泥注浆液。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中，电磁波收发器的启动方式为一发多收；启动全部电磁波接收器，逐一启动电磁波发射器，使同一时刻仅有一个电磁波发射器发射电磁波，所有接收器均接收信号。

7.使用权利要求1所述方法实现高坝深埋病害可视化修复的系统，其特征在于，包括：

若干电磁波发射器和电磁波接收器，根据病害的埋深和范围布设，用于收发电磁波信号；电磁波发射器的波长基于病害的埋深和范围确定；

信号处理调控单元，包括输入模块、控制模块、接收模块、存储模块、分析模块和计时模块；

所述输入模块基于输入/导入/数据传输的方式采集数据，包括电磁波收发器的位置信息、电磁波发射器的波长、坝体材料和不同状态下浆液的电性指标、电磁波响应信号、衍生特征参量及基于测得参量进行电磁波正演获得的典型波形信号，形成解译数据库，并发送至存储模块存储；

所述控制模块用于控制电磁波发射器启停；

所述接收模块获取电磁波接收器接收到的电磁波信号；

所述计时模块基于接收模块接收的电磁波信号记录电磁波到时；

所述分析单元处理将从计时单元获取的电磁波到时数据转译为位置信息；并将获取的电磁波信号与解译数据库中的信息进行匹配，确定浆液状态；

交互单元，包括建模模块和匹配模块，所述建模模块建立坝体及拟修复内部病害结构的三维可视化模型；所述匹配模块将浆液灌注前获取的待注浆区域电磁波信号特征与所述三维可视化模型匹配；并根据信号处理调控单元转译的位置信息及确定的浆液状态信息与所述三维可视化模型匹配；

显示单元，用于显示可视化模型。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电磁波发射器和电磁波接收器上设有吸波材料和/或屏蔽壳。

Images