CN114264420B - 基于主动场源的堤防安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动场源的堤防安全监测方法，1，自堤防迎水侧向背水侧布设测线单元；2，测线单元中的测量电极自堤防首端向末端按照设定的间隔距离依次埋设在浅地表层；3，将供电正极依次对位于堤防迎水侧测线单元中各测量电极供电，并同时采集该测量电极的电流数据，同时采集其他未供电测量电极的电压数据和其余测线单元中所有测量电极的电压数据；4，将采集的电流数据和电压时间序列数据进行傅里叶变换，提取相应供电频率对应的电流、电压数据，计算视电阻率ρ=K×V/I；然后，计算视频散率Ps(fL,fH)=[ρs(fL)‑ρs(fH)]/ρs(fH)×100%；5，根据视频散率Ps(fL,fH)，进一步提取视频散率变化量，从而实现对堤防险情的演变监控。

Description

基于主动场源的堤防安全监测方法

技术领域

本发明涉及堤防工程安全监测，尤其是涉及一种基于主动场源的堤防安全监测方法。

背景技术

目前，堤防工程安全监测主要采用振弦式和差阻式渗压计、压力传感器、应变计、变形计等；当堤防渗漏到达传感器位置、或者渗漏后堤防变形时，再被传感器检测到，因此存在灵敏度低，超前感知能力差等问题。这就使得在汛期主要还是依靠堤防表观的人工或机器巡查方式开展防汛工作，造成堤防监测对险情的演变监控能力不足，不能适应防汛需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于主动场源的堤防安全监测方法，有效地解决了水利工程堤防监测中存在的不足，为防汛抢险提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述基于主动场源的堤防安全监测方法，包括下述步骤：

步骤1，自被监测堤防迎水侧向所述被监测堤防背水侧，沿被监测堤防走向分别布设至少两条测线单元，各所述测线单元相互平行；测线单元由多根绝缘导线组成，每根所述绝缘导线的末端均与供电负极相连接，每根绝缘导线的首端分别连接一个用于接入供电正极的测量电极；

步骤2，各测线单元中的所述测量电极自被监测堤防首端向被监测堤防末端，按照设定的间隔距离依次埋设在浅地表层；所述供电负极与被监测堤防末端的距离L1≥10×被监测堤防长度L2；

步骤3，将所述供电正极依次与位于被监测堤防迎水侧的测线单元中的各测量电极连接供电，即：自位于被监测堤防首端的测量电极向被监测堤防末端的测量电极依次连接供电；供电采用1、2、4、8HZ的方波，供电电压范围25V~100V，相邻测量电极的供电间隔时间为5~20分钟；当对某一测量电极供电的同时采集该测量电极的电流数据，并同时采集其他未供电的测量电极的电压数据和其余测线单元中所有测量电极的电压数据；

步骤4，将采集的所述电流数据和电压时间序列数据进行傅里叶变换，提取相应供电频率对应的电流、电压数据，按照下式计算出该频率下的视电阻率ρ：

ρ= K×V/I；

式中：

K-系数；V-供电电压；I-供电电流；

然后，按照下式计算视频散率Ps(fL, fH)：

Ps(fL, fH)=[ρs(fL)- ρs(fH)]/ρs(fH) ×100%；

式中：

ρs(fL)：低频视电阻率；ρs(fH)：高频视电阻率；

步骤5，根据获得的视频散率Ps(fL, fH)，进一步提取视频散率变化量，堤防在无人为破坏的情况下，含水量引起的视频散率变化更为明显，从而实现对堤防险情的演变监控。

步骤2中，各个所述测量电极自被监测堤防首端向被监测堤防末端，按照2~5米的间隔距离埋设在浅地表层。

本发明优点体现在以下方面：

（1）利用测试三维电场时序变化的特征，便于对堤防内部结构工况(浸润情况、隐患发育情况及集中渗漏等)的整体监测预警。

（2）超前感知能力强；电参数对堤防含水率的变化敏感，在汛期高水位运行工况下，可监测渗漏发展过程，并超前预警。

（3）监测系统安装及维护方便；可在堤防工程施工期或运营期安装，系统安装部位在浅地表层，不破坏堤防内部结构。

（4）测量电极采用阵列布置，可及时发现堤身渗漏路径。

（5）采用1~8HZ频率供电，丰富了测量信息；计算获得的视频散率对低阻体反应明显，提高了渗漏识别精度。

（6）采用FFT变换提取1、2、4、8HZ频率下的电压、电流幅值，用提取所得电压、电流进行计算视电阻率，大大提高了信噪比。

附图说明

图1是本发明所述侧线单元布置于被监测堤防上的平面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B为例”，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示，本发明所述基于主动场源的堤防安全监测方法，包括下述步骤：

步骤1，自被监测堤防1迎水侧1.1向背水侧1.2，沿被监测堤防1走向分别布设五条测线单元，各测线单元相互平行；测线单元由n根绝缘导线组成，每根绝缘导线的末端均通过供电控制器2与供电负极B相连接，每根绝缘导线的首端分别连接一个用于接入供电正极的测量电极；

步骤2，各测线单元中的测量电极，自被监测堤防1首端（图1左端）向被监测堤防1末端（图1右端），按照2~5米的间隔距离依次埋设在浅地表层；供电负极B与被监测堤防1末端的距离L1≥10×被监测堤防长度L2；

步骤3，通过供电控制器2将供电正极依次与位于被监测堤防1迎水侧1.1的测线单元中的各测量电极M（1，1）~ M（1，n）连接供电；每个测量电极依次采用1、2、4、8HZ的方波供电，供电电压范围在25V~100V之间选择，相邻测量电极的供电间隔时间为5~20分钟；当对某一测量电极供电的同时采集该测量电极的电流数据，并同时通过电压采集器3采集其他未供电的测量电极的电压数据和其余测线单元中所有测量电极的电压数据；

步骤4，将采集的电流数据和电压时间序列数据进行傅里叶变换，提取相应供电频率对应的电流、电压数据，按照下式计算出该频率下的视电阻率ρ：

ρ= K×V/I；

式中：

K-系数；V-供电电压；I-供电电流；

然后，按照下式计算视频散率Ps(fL, fH)：

Ps(fL, fH)=[ρs(fL)- ρs(fH)]/ρs(fH) ×100%；

式中：

ρs(fL)：低频视电阻率；ρs(fH)：高频视电阻率；

步骤5，根据获得的视频散率Ps(fL, fH)，进一步提取视频散率变化量；由于堤防在无人为破坏的情况下，含水量引起的视频散率变化更为明显，从而实现对堤防险情的演变监控。

本发明对堤防监测原理简述如下;

堤防工程本身属于线性工程，大部分由粉粘土等填筑碾压构筑。当临水堤防水位较高时，经过长期浸泡可能会逐步形成渗漏通道；在该过程中地下介质的地电场会发生变化，尤其是位于渗漏通道周围介质电阻率会随填筑土体含水率增高而降低，因此，监测堤防的地电场变化可以对险情的发生过程进行监控。

但地电场变化影响因素较为复杂，直接测量地电场变化（自然电位值）受外界条件干扰严重，容易淹没渗漏通道形成的有效电场信号；如果采取外加电场对堤防内部进行供电，则该外加电场会沿着最佳导电通道（渗漏发生通道）在堤防内部传导，且该电场信号强度远大于渗漏通道本身产生的自然电场，所以通过连续不间断测量外加电场情况下堤防线性结构的电场信号，可以实现堤防渗漏险情发生的监控。

考虑到在外加电场条件下进一步压制干扰，提取渗漏通道的识别精度，本发明在供电阶段采用发射1、2、4、8Hz的方波电压信号，用于获取不同发射频率下的电场电压和发射电流信号，进而计算不同频率下的视电阻率，利用不同发射频率下测量所得视电阻率计算视频散率，进一步提取视频散率变化量；由于堤防在无人为破坏的情况下，含水量引起的视频散率变化更为明显，从而实现对堤防险情的演变监控。

Claims (2)

1.一种基于主动场源的堤防安全监测方法，其特征是：包括下述步骤：

步骤1，自被监测堤防迎水侧向所述被监测堤防背水侧，沿被监测堤防走向分别布设至少两条测线单元，各所述测线单元相互平行；测线单元由多根绝缘导线组成，每根所述绝缘导线的末端均与供电负极相连接，每根绝缘导线的首端分别连接一个用于接入供电正极的测量电极；

步骤2，各测线单元中的测量电极自被监测堤防首端向被监测堤防末端，按照设定的间隔距离依次埋设在浅地表层；所述供电负极与被监测堤防末端的距离L1≥10×被监测堤防长度L2；

步骤3，将所述供电正极依次与位于被监测堤防迎水侧的测线单元中的各测量电极连接供电，即：自位于被监测堤防首端的测量电极向被监测堤防末端的测量电极依次连接供电；供电采用1、2、4、8HZ的方波，供电电压范围25V~100V，相邻测量电极的供电间隔时间为5~20分钟；当对某一测量电极供电的同时采集该测量电极的电流数据，并同时采集其他未供电的测量电极的电压数据和其余测线单元中所有测量电极的电压数据；

步骤4，将采集的所述电流数据和电压时间序列数据进行傅里叶变换，提取相应供电频率对应的电流、电压数据，按照下式计算出该频率下的视电阻率ρ：

ρ= K×V/I；

式中：

K-系数；V-供电电压；I-供电电流；

然后，按照下式计算视频散率Ps(fL, fH)：

Ps(fL, fH)=[ρs(fL)- ρs(fH)]/ρs(fH) ×100%；

式中：

ρs(fL)：低频视电阻率；ρs(fH)：高频视电阻率；

步骤5，根据获得的视频散率Ps(fL, fH)，进一步提取与渗漏通道更为敏感的物理量，从而实现对堤防险情的演变监控。

2.根据权利要求1所述基于主动场源的堤防安全监测方法，其中：

步骤2中，各个所述测量电极自被监测堤防首端向被监测堤防末端，按照2~5米的间隔距离埋设在浅地表层。

Images