CN113763674B - 一种远程绝对应力实时监测与预警系统及方法 - Google Patents

一种远程绝对应力实时监测与预警系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种远程绝对应力实时监测与预警系统，换能器轴向安装在被测管道的管壁外侧，在管道截面平面内，三组换能器以管道轴心为圆点，分别与垂直轴线呈‑90°、0°和90°分布；应变计轴向安装在被测管道的管壁外侧，在管道截面平面内，五个应变计以管道轴心为原点，分别与垂直轴线呈‑90°、‑45°、0°、45°、90°分布；数据采集仪将采集到的数据发送至远程服务器，所述远程服务器内存储有数个预警等级阈值，远程服务器根据采集数据与不同的预警等级阈值的比对结果发布管道应力预警和滑坡变形预警。本发明对管道绝对应力和相对应力进行实时监测，实现更全面监测埋地管道的应力应变，监测结果更加准确，预警更加及时。

Description

一种远程绝对应力实时监测与预警系统及方法
技术领域
本发明涉及管道的绝对应力监测和滑坡预警技术领域，特别是涉及一种远程绝对应力实时监测与预警系统及方法。
背景技术
油气管道作为我国能源输送的主要方式，不可避免的穿越山区等地质灾害频发的复杂地质区域，特别是在雨水、河流冲刷下，土壤含水量增加导致孔隙水压力增大，引发滑坡前缘滑动导致滑坡发生，严重威胁埋地管道的安全运营。因此有必要对滑坡灾害频发区域埋地管道、滑坡体进行实时监测，实现在滑坡灾害发生早期进行预警，以便采取措施避免滑坡断层等地质灾害的发生，保证油气管道的安全运营。
常见管道地质灾害监测方法包括全站仪、GPS、近景图像测量等方式，然而现有技术无法实现长期准确监测管道应力变化，监测精度低、成本过高，以及对自然生态环境存在影响等不足。
其中，GPS监测方法常用于不同滑坡阶段的土体地表位移监测，局限于监测点信号强度易受树林、高山等遮挡物影响，因而GPS监测存在测量精度稳定差的缺点，同时点观测的方法不能反应整体变形信息，对于地表发生变形后的预警往往具有滞后性，不适用于埋地管道的应力应变监测预警。
自动伸缩计通过测量伸缩计之间铟钢丝的伸缩量，判断土壤滑坡、沉降变形导致的裂纹变化量，多个伸缩计组成网络实现滑坡体各个部位的变形监测，受限于伸缩计量程范围有限，同时由于土壤变形量无法提前预判，一旦变形超过最大量程便会发生失效。
采用传感器监测管道应力应变技术，忽略了埋地管道受土壤变形引起的管道本身应力变化，监测结果仅为管线所受相对应力，没有考虑绝对应力，继而造成管线预警信息发出不及时等严重后果。
由此可见，上述现有的管道应力监测系统和方法在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的远程绝对应力实时监测与预警系统及方法，实属当前重要研发课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种远程绝对应力实时监测与预警系统及方法，使其能够对管道绝对应力进行实时监测，再结合现有的相对应力监测方法，实现更全面监测埋地管道的应力应变，监测结果更加准确，预警更加及时，从而克服现有的管道应力监测和预警系统的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种远程绝对应力实时监测与预警系统，包括换能器、应变计、位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计、雨量计、数据采集仪和远程服务器，其中：
所述换能器轴向安装在被测管道的管壁外侧，在管道截面平面内，三组换能器以管道轴心为圆点，分别与垂直轴线呈-90°、0°和90°分布；
所述应变计轴向安装在被测管道的管壁外侧，在管道截面平面内，五个应变计以管道轴心为原点，分别与垂直轴线呈-90°、-45°、0°、45°、 90°分布；
所述应变计、位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计、雨量计均与数据采集仪电连接，数据采集仪将采集到的数据发送至远程服务器，所述远程服务器内存储有数个预警等级阈值，远程服务器根据采集数据与不同的预警等级阈值的比对结果发布管道应力预警和滑坡变形预警。
作为本发明的一种改进，所述数据采集仪设置有供电系统，所述供电系统为太阳能供电系统。
进一步地，所述应变计为振弦式应变计或光栅式传感器。
此外，本发明还提供了一种远程绝对应力实时监测与预警方法，使其综合采集管道应力应变数据和滑坡变形数据，使预警更加准确及时，从而克服现有的管道应力监测和预警方法的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种远程绝对应力实时监测与预警方法，使用上述的一种远程绝对应力实时监测与预警系统进行预警，其具体步骤为：
A、对埋地管道所受绝对应力进行开挖检测；
B、于滑坡体前缘、后缘分别安装监测桩，并分别安装应变计、位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计和雨量计，实时采集数据；
C、设置管道应力预警区间和滑坡变形预警区间；
D、根据采集的数据与阈值的比对结果，发布对应预警等级的管道应力预警和滑坡变形预警。
作为进一步改进，所述步骤B中位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计和雨量计具体安装方法为：
所述雨量计安装于滑坡监测桩的顶部；
所述位移传感器安装于滑坡内监测桩的地面沟槽中，用于监测土体变形；
所述渗压计安装于滑坡内监测桩埋地部分的上部，用于监测滑坡体孔隙水压力；
所述测斜仪安装于滑坡内监测桩埋地部分的中部，用于监测滑坡深部水平位移；
所述液位计安装于滑坡内监测桩埋地部分的中下部，用于监测滑坡床水位高度；
所述土压力计安装于滑坡内监测桩的底部、以及管道的两侧，用于监测土压力。
进一步地，所述步骤C中的管道应力预警的阈值为：管道轴向应力小于等于0.9倍管道最低屈服强度。
进一步地，所述步骤C中的滑坡变形预警的设置方法为：
滑坡变形预警包括黄色预警、橙色预警和红色预警，其中，
当地表变形量小于10mm/月，变形矢量α小于40°，24小时降水量小于等于30mm，并且应力监测结果显示的管道应力变化值达到拉或压应力允许值的30％时，启动黄色预警；
当地表变形量大于等于10mm/月，小于45mm/月，变形矢量角α大于等于40°，小于80°，24小时降水量小于等于50mm，或者应力监测数值达到管道拉或压应力允许值的60％，启动橙色预警；
当地表变形量大于等于45mm/月，变形矢量角α大于等于80°，24小时降水量大于50mm，并且应力监测数值达到管道应力拉或压允许值的90％～ 100％，启动红色预警。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
1、同时对埋地管道绝对应力、相对应力进行监测，确保管道应力监测数据的真实有效。
2、监测系统由管道应力监测、滑坡发育规律监测两个部分组成，确保监测数据全面有效，实现滑坡早期预警。
3、整个系统采用太阳能供电，能够在野外长期无人看守情况下，实现数据监测、远传功能。
4、通过对滑坡变形矢量角进行监测，实现滑坡早期预警。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明提供的一种远程绝对应力实时监测与预警系统的结构组成示意图。
图2是应变计的安装位置分布图。
图3是换能器的组成示意图。
图4是本发明提供的一种远程绝对应力实时监测与预警方法的步骤流程图。
附图标记说明：1-雨量计；2-监测桩；3-渗压计；4-位移传感器；5- 测斜仪；6-液位计；7-被测管道；8-土压力计；9-应变计；10-供电系统； 11-数据采集仪；12-被测滑坡；13-远程服务器；14-发射换能器；15-接收换能器。
具体实施方式
请参阅图1至图3，本发明提供一种远程绝对应力实时监测与预警系统，包括换能器、应变计9、位移传感器4、测斜仪5、渗压计3、土压力计8、液位计6、雨量计1、数据采集仪11和远程服务器13，其中：
所述换能器成组设置，一组换能器内包括发射换能器14和接收换能器15，所述发射换能器14和发射换能器15集成安装在一起，统称换能器。三组换能器轴向安装在被测管道7的管壁外侧，在管道截面平面内，三组换能器以管道轴心为圆点，分别与垂直轴线呈-90°、0°和90°分布；
所述应变计9轴向安装在被测管道7的管壁外侧，在管道截面平面内，请参阅图2，五个应变计9以管道轴心为原点，分别与垂直轴线呈-90°、 -45°、0°、45°、90°分布；
所述应变计9、位移传感器3、测斜仪5、渗压计4、土压力计8、液位计6、雨量计1集成安装在监测桩2上，并均与数据采集仪11电连接，数据采集仪11将采集到的数据发送至远程服务器13，所述远程服务器13内存储有数个预警等级阈值，远程服务器13根据采集数据与不同的预警等级阈值的比对结果发布管道应力预警和滑坡变形预警。
优选地，所述数据采集仪13设置有供电系统10，所述供电系统10为太阳能供电系统。
优选地，所述应变计9为振弦式应变计或光栅式传感器。
请参阅图4，本发明提供了一种远程绝对应力实时监测与预警方法，其具体步骤为：
A、对被测管道7所受绝对应力进行开挖检测；
B、于滑坡体前缘、后缘分别安装监测桩，并分别安装应变计9、位移传感器3、测斜仪5、渗压计4、土压力计8、液位计6和雨量计1，实时采集数据；
C、设置管道应力预警区间和滑坡变形预警区间；
D、根据采集的数据与阈值的比对结果，发布对应预警等级的管道应力预警和滑坡变形预警。
所述步骤B中雨量计1、位移传感器3、测斜仪5、渗压计4、土压力计8、液位计6具体安装方法为：
所述雨量计1安装于被测管道7监测点的周围；所述位移传感器3安装于被测滑坡12内监测桩的地面沟槽中，用于监测土体变形；所述渗压计 4安装于被测滑坡12内监测桩埋地部分的上部，用于监测被测滑坡12的孔隙水压力；所述测斜仪5安装于被测滑坡12内监测桩埋地部分的中部，用于监测被测滑坡12深部水平位移；所述液位计6安装于测斜仪5的底部，用于检测被测滑坡12床水位高度；所述土压力计8安装于被测滑坡12内监测桩的底部、以及被测管道7的两侧，用于监测土压力。
优选地，所述步骤C中的管道应力预警的阈值为：管道轴向应力小于等于0.9倍管道最低屈服强度。
σL≤0.9SMYS
其中，σL管体轴向压力；SMYS管道最低屈服强度。
优选地，所述步骤C中的滑坡变形预警的设置方法为：
滑坡变形预警包括黄色预警、橙色预警和红色预警，其中，
当地表变形量小于10mm/月，变形矢量α小于40°，24小时降水量小于等于30mm，并且应力监测结果显示的管道应力变化值达到拉或压应力允许值的30％时，启动黄色预警；
当地表变形量大于等于10mm/月，小于45mm/月，变形矢量角α大于等于40°，小于80°，24小时降水量小于等于50mm，或者应力监测数值达到管道拉或压应力允许值的60％，启动橙色预警；
当地表变形量大于等于45mm/月，变形矢量角α大于等于80°，24小时降水量大于50mm，并且应力监测数值达到管道应力拉或压允许值的90％～ 100％，启动红色预警。
需要说明的是，滑坡变形预警区间的区分主要以三方面作为判据，分别为滑坡变形量、变形速率和24小时降水量。其中，滑坡变形速率是依据滑坡位移-时间曲线的斜率进行判别，其表征参数为变形矢量角，即：
α＝tg-1dx/dt
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种远程绝对应力实时监测与预警系统，其特征在于，包括换能器、应变计、位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计、雨量计、数据采集仪和远程服务器，其中：
所述换能器轴向安装在被测管道的管壁外侧，在管道截面平面内，三组换能器以管道轴心为圆点，分别与垂直轴线呈-90°、0°和90°分布；
所述应变计轴向安装在被测管道的管壁外侧，在管道截面平面内，五个应变计以管道轴心为原点，分别与垂直轴线呈-90°、-45°、0°、45°、90°分布；
所述应变计、位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计、雨量计均与数据采集仪电连接，数据采集仪将采集到的数据发送至远程服务器，所述远程服务器内存储有数个预警等级阈值，远程服务器根据采集数据与不同的预警等级阈值的比对结果发布管道应力预警和滑坡变形预警；
所述滑坡变形预警包括黄色预警、橙色预警和红色预警，其中，
当地表变形量小于10mm/月，变形矢量α小于40°，24小时降水量小于等于30mm，并且应力监测结果显示的管道应力变化值达到拉或压应力允许值的30％时，启动黄色预警；
当地表变形量大于等于10mm/月，小于45mm/月，变形矢量角α大于等于40°，小于80°，24小时降水量小于等于50mm，或者应力监测数值达到管道拉或压应力允许值的60％，启动橙色预警；
当地表变形量大于等于45mm/月，变形矢量角α大于等于80°，24小时降水量大于50mm，并且应力监测数值达到管道应力拉或压允许值的90％～100％，启动红色预警。
2.根据权利要求1所述的一种远程绝对应力实时监测与预警系统，其特征在于，所述数据采集仪设置有供电系统，所述供电系统为太阳能供电系统。
3.根据权利要求1所述的一种远程绝对应力实时监测与预警系统，其特征在于，所述应变计为振弦式应变计或光栅式传感器。
4.一种远程绝对应力实时监测与预警方法，其特征在于，使用权利要求1-3任一项所述的一种远程绝对应力实时监测与预警系统进行预警，其具体步骤为：
A、对埋地管道所受绝对应力进行开挖检测；
B、于滑坡体前缘、后缘分别安装监测桩，并安装应变计、位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计和雨量计，实时采集数据；
C、设置管道应力预警区间和滑坡变形预警区间；
所述步骤C中的滑坡变形预警的设置方法为：
滑坡变形预警包括黄色预警、橙色预警和红色预警，其中，
当地表变形量小于10mm/月，变形矢量α小于40°，24小时降水量小于等于30mm，并且应力监测结果显示的管道应力变化值达到拉或压应力允许值的30％时，启动黄色预警；
当地表变形量大于等于10mm/月，小于45mm/月，变形矢量角α大于等于40°，小于80°，24小时降水量小于等于50mm，或者应力监测数值达到管道拉或压应力允许值的60％，启动橙色预警；
当地表变形量大于等于45mm/月，变形矢量角α大于等于80°，24小时降水量大于50mm，并且应力监测数值达到管道应力拉或压允许值的90％～100％，启动红色预警；
D、根据采集的数据与阈值的比对结果，发布对应预警等级的管道应力预警和滑坡变形预警。
5.根据权利要求4所述的一种远程绝对应力实时监测与预警方法，其特征在于，所述步骤B中位移传感器、测斜仪、渗压计、土压力计、液位计和雨量计具体安装方法为：
所述雨量计安装于滑坡监测桩的顶部；
所述位移传感器安装于滑坡内监测桩的地面沟槽中，用于监测土体变形；
所述渗压计安装于滑坡内监测桩埋地部分的上部，用于监测滑坡体孔隙水压力；
所述测斜仪安装于滑坡内监测桩埋地部分的中部，用于监测滑坡深部水平位移；
所述液位计安装于滑坡内监测桩埋地部分的中下部，用于监测滑坡床水位高度；
所述土压力计安装于滑坡内监测桩的底部、以及管道的两侧，用于监测土压力。
6.根据权利要求4所述的一种远程绝对应力实时监测与预警方法，其特征在于，所述步骤C中的管道应力预警的阈值为：管道轴向应力小于等于0.9倍管道最低屈服强度。
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