CN114457804A - 一种集成式水电站智能灌浆监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成式水电站智能灌浆监测系统：三维精细化建模系统基于混合数据结合和三维参数化建模技术，对灌区地质、裂隙、灌浆孔数据进行采集和整理，将其转化为三维精细统一模型；实时监测预警系统基于无线数据传输和传感器技术对灌浆压力、流量、抬动施工参数进行远程监测和实时预警；数据共享系统基于数据库技术通过中央服务器集中管控灌浆数据，对实时传输的灌浆数据和报表进行存储，供不同操作平台的各终端用户查看和下载打印；三维可视化系统基于计算机图形处理技术和三维可视化技术，对灌浆三维精细统一模型和实时监测预警信息进行三维可视化展示。本发明能够实现灌浆过程数据实时记录，实时反馈以及三维可视化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及灌浆监测领域，涉及三维地质建模、灌浆参数实时动态监控与预警及实时质量评价的三维可视化系统，更具体的说，是涉及一种集成式水电站智能灌浆监测系统。
背景技术
拦河修建大坝，形成水库，是人类改造和利用大自然资源的一项重要举措，其不仅可以调节和控制洪水，还可以实现引水、发电、灌溉等诸多功能。由于大坝在上游拦水形成一定库容，大坝一旦失事，将带来不可估量的损失，故大坝的安全稳定性至关重要。据不完全统计，世界范围内遭受重大破坏的水利工程50％以上是由于地基处理不当原因造成的，由此看来地基条件是大坝安全稳定的重要因素，通常情况下，天然地基总是或多或少存在裂隙或渗漏通道，若不对天然地基处理，大坝蓄水后将会通过岩石裂隙形成渗漏通道，增大渗透压力，破坏地基，造成整个大坝的破坏，因此需要对天然地基进行处理，以期达到封堵渗漏通道、提高岩石质量的目的。
目前对大坝地基处理常用的方法就是灌浆。灌浆是将具有胶凝性的浆液或者化学溶液，按照一定的配比，在灌浆压力的作用下通过灌浆孔压入大坝基础岩体中的节理、裂隙以及其他需要灌浆处理的薄弱部位的一种施工技术。灌浆的作用是增强原本质量较差地基的整体性和密实性，减少坝基的渗流量，降低坝底渗透压力，保证基础的渗透稳定。
灌浆主要将浆液注入地下，属于隐蔽性工作，在施工过程一般只能依靠操作人员的经验来判断施工质量，由于不同工程的地质情况也不相同，所以经验判断对于灌浆工程这类具有很大不确定性的隐蔽工程存在很多困难，从而导致很多灌浆工程的质量控制不到位，不得不多次进行补强灌浆，以弥补灌浆质量的缺陷。现有的对灌浆质量评价主要是通过灌浆完成后利用破坏性试验，得到透水率、岩石质量和裂隙填充率三个指标来评价灌浆质量。这种评价方法存在一些弊端：1、作为事后评估，需要钻孔、压水试验得出指标层参数，耗时耗力；2、钻孔试验可能破坏原有良好的灌浆质量，增加新的渗漏通道；3、现场试验的验证孔位置主要由经验确定，具有一定的主观色彩；4、有限个钻孔试验数据结果不能完全反映整个灌浆质量。目前灌浆还没有实现三维可视化以及灌浆数据在多方共享方面还有待完善。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种集成式水电站智能灌浆监测系统，
所述三维精细化建模系统通过前期地质勘测资料，利用精细化建模理论及方法，利用地质勘测的数据通过智能算法模拟出整个区域的地质条件，在通过参数化建模，形成高精度的大尺度三维地质模型；三维地质模型完成后，再利用混合数据结构将灌浆孔和裂隙的小尺度三维模型与大、中尺度的地质模型和水电站水工建筑物模型耦合，构建三维精细统一模型，以上工作完成后，导入模型到数据库服务器中。
所述实时监测预警系统，在现场施工过程中，在灌浆廊道内设置无线路由器将灌浆记录仪所记录的各项数据通过无线通信数据终端将数据打成IP包，经无线通信模块接入无线通信网络，最终通过网关和路由器到达统一的数据处理中心工作站，及时传送到数据库服务器；
在实时预警方面，数据库服务器通过内置智能算法，对传输过来的灌浆实时数据进行分析，拟合出灌浆结束后透水率、岩石质量等级及裂隙填充率各项参数，通过智能分析，得出实时灌浆质量评估，若出现异常情况，及时报警，并将报警信息发送到施工、业主和监理三方工作人员，以便于及时处理突发情况。
所述数据共享系统通过数据库服务器集中管控灌浆系统数据，各操作平台的各终端用户通过无线数据传输功能获取实时数据、报表数据；通过终端与数据服务器建立的接口，在施工现场进行灌浆设计参数录入时，自动将灌浆设计参数推送到数据库服务器；数据上传接口包含但不限于通过WebService技术进行实现，能使得运行在不同设备上的不同系统无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据；此外数据接口还可采用包含但不限于token技术实现身份验证，通过使用正确的账号和密码登录之后进行数据传输，以保证接口的安全性、防止数据泄露。
所述三维可视化系统采用计算机图形处理技术、面向对象技术和三维可视化技术，基于三维精细化能够实现灌浆过程数据实时记录，实时反馈以及三维可视化的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明集成式水电站智能灌浆监测系统，由三维精细化建模系统、实时监测预警系统、数据共享系统和三维可视化系统组成；
所述三维精细化建模系统基于混合数据结合和三维参数化建模技术，对灌区地质、裂隙、灌浆孔数据进行采集和整理，将其转化为三维精细统一模型；
所述实时监测预警系统基于无线数据传输和传感器技术对灌浆压力、流量、抬动施工参数进行远程监测和实时预警；
所述数据共享系统基于数据库技术通过中央服务器集中管控灌浆数据，对实时传输的灌浆数据和报表进行存储，供不同操作平台的各终端用户查看和下载打印；
所述三维可视化系统基于计算机图形处理技术和三维可视化技术，对灌浆三维精细统一模型和实时监测预警信息进行三维可视化展示建模系统的三维精细统一模型建立三维交互式可视化系统，服务器对灌浆记录仪传送的数据进行实时归纳分析，基于三维精细统一模型，利用流体运动理论，实时展现浆液流动状态与位置，从而为控制中心监测人员，提供三维可视化展现。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明提出了一种集成式水电站智能灌浆监测系统，并建立了相应的实时监控反馈系统，为相关人员提供了直观、方便、实时、准确的灌浆监控手段。
(2)本发明系统具有实时性，能够对灌浆现场的各类信息实时采集、分析。
(3)本发明系统具有报警机制，对于即将超出规定指标和已经超出规定指标的情况进行实时报警，并以短信形式发送至相关人员，能够让相关人员及早发现问题并进行决策。
(4)本发明应用SQL server数据库对实时采集数据进行存储，并通过智能算法分析，可供相关人员统计历史规律，从而进行科学有效的施工控制。
(5)利用三维精细化建模系统，可以更加直观的反映坝基所在地地质状况，便于施工人员根据实际情况调整施工工序和进度。
(6)通过灌浆三维可视化系统，可将灌浆这种具有隐蔽性的地下工作，实时展现在屏幕上，从而实现三维灌浆全过程可视化，对灌浆过程进行直观展示。
附图说明
图1是本发明集成式水电站智能灌浆监测系统的框架图。
图2是本发明集成式水电站智能灌浆监测系统实施详图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明集成式水电站智能灌浆监测系统，由三维精细化建模系统、实时监测预警系统、数据共享系统和三维可视化系统四部分组成，构建了从灌浆数据实时采集与监测、数据共享以及三维灌浆可视化展示，实现了实时、全天候、不间断的灌浆过程监控，既保证了施工的顺利进行，也提高了施工效率。
所述三维精细化建模系统基于混合数据结合和三维参数化建模技术，对灌区地质、裂隙、灌浆孔等数据进行采集和整理，在系统中将其转化为三维精细统一模型。所述实时监测预警系统基于无线数据传输和传感器技术对灌浆压力、流量、抬动等施工参数进行远程监测和实时预警。所述数据共享系统基于数据库技术通过中央服务器集中管控灌浆数据，对实时传输的灌浆数据和报表进行存储，供不同操作平台的各终端用户查看和下载打印。所述三维可视化系统基于计算机图形处理技术和三维可视化技术，对灌浆三维精细统一模型和实时监测预警信息进行三维可视化展示。
图2是集成式水电站智能灌浆监测系统实施详图，具体实施方式如下：
首先，建立三维精细化建模系统，通过前期地质勘测资料，利用精细化建模理论及方法，利用地质勘测的数据(岩心图片、地质剖面图等)通过智能算法模拟出整个区域的地质条件，在通过参数化建模，形成高精度的大尺度三维地质模型；三维地质模型完成后，再利用混合数据结构将灌浆孔和裂隙等小尺度三维模型与大、中尺度的地质模型和水电站水工建筑物模型耦合，构建三维精细统一模型，以上工作完成后，导入模型到数据库服务器中。
在灌浆工作开始前，根据前期地质勘测资料(岩层分布、裂隙、断层及软弱夹层等参数)，进行统计分析，采用MonteCarlo方法对裂隙参数进行随机模拟，依据“大尺度-中尺度-小尺度”的建模方法实现灌浆孔的三维建模，通过布尔逻辑运算，建立最终的三维随机裂隙网络模型，建立模型主要包括以下步骤：(1)确定统计均质区，并根据实际统计均质区域内结构面的产状进行裂隙优势组的划分；(2)确定结构面几何参数所服从的概率模型，并将钻孔摄像数据进行解译以补充和校正结构面特征参数；(3)基于Baecher圆盘模型，采用Monte Carlo方法对裂隙参数进行随机模拟；(4)利用三维建模软件建立三维裂隙网络可视化模型，保证所建立的裂隙网络模型的几何参数与统计均质区内实测的裂隙几何参数具有统计上的相似性；(5)对建立的三维随机裂隙网络模型进行图形检验和数值检验。模型建好以后再导入到数据库服务器。
然后，构建实时监测预警系统，在现场施工过程中，在灌浆廊道内设置无线路由器可将灌浆记录仪所记录的各项实时数据通过无线通信数据终端将数据打成IP包，经无线通信模块接入无线通信网络，最终通过网关和路由器到达统一的数据处理中心工作站，使自动采集终端的数据能够及时传送到数据库服务器。
灌浆参数实时监测与动态预警实现对灌浆参数的实时监测。灌浆压力、流量、浆液密度和抬动值是灌浆施工过程控制的重要参数，在灌浆施工过程中对这些参数进行实时监测与分析，并通过实时数据生成灌浆施工记录表、灌浆施工成果单孔统计表、灌浆施工成果分序统计表、灌浆施工成果单元工程统计表、各次序孔透水率与单位注灰量关系图等图表。
在实时预警方面，数据库服务器通过内置智能算法，对传输过来的灌浆实时数据进行分析，拟合出灌浆结束后透水率、岩石质量等级及裂隙填充率等各项参数，通过智能分析，得出实时灌浆质量评估，若出现异常情况(灌浆质量不达标等情况)，及时报警，并将报警信息发送到施工、业主和监理三方工作人员，以便于及时处理突发情况。
结合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中对灌浆工作的要求，实时监测灌前涌水孔段(当涌水压力>0发出报警)、灌前压水试验(当表压力值<0.10MPa，并且进浆流量大于30L/min时发出报警)、抬动值(当抬动值>200微米，并且进浆流量大于10L/min发出报警)、浆液越级值(当某级浆液注入率>30L/min时发出报警)、单耗值(当某孔段单耗>1000kg/m发生报警)并通过短信及时将报警信息发送至现场施工人员及监理单位。
所述数据共享系统通过数据库服务器集中管控灌浆系统数据，各操作平台的各终端用户通过无线数据传输功能获取实时数据、报表数据。通过终端与数据服务器建立的接口，在施工现场进行灌浆设计参数录入时，自动将灌浆设计参数推送到数据库服务器。数据上传接口包含但不限于通过WebService技术进行实现，能使得运行在不同设备上的不同系统无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据。此外数据接口还可采用包含但不限于token技术实现身份验证，通过使用正确的账号和密码登录之后进行数据传输，以保证接口的安全性、防止数据泄露。
由安装在应用服务器上的系统服务端对接收到的实时数据进行整理后存入SQLServer数据库，利用人工智能算法预测出灌浆结束后的质量结果，以便查看及时了解灌浆质量，并通过网页浏览方式提供给相关部门及其他用户。系统分别为业主、监理和施工单位开通相应的WEB端，便于各单位及时了解施工进展与质量。
其次，建立三维可视化系统，采用计算机图形处理技术、面向对象技术和三维可视化技术，基于三维精细化建模系统的三维精细统一模型建立三维交互式可视化系统，服务器对灌浆记录仪传送的数据进行实时归纳分析，基于三维精细统一模型，利用流体运动理论，实时展现浆液流动状态与位置，从而为控制中心监测人员，提供三维可视化展现。对现场传输的数据进行实时模拟，可将浆液三维流动情况实时反映在屏幕上。
该系统在用户操作下，通过web端与服务器和数据库进行交互，从而实现远程、实时、全天候、不间断的灌浆数据采集、分析、监控，为实际工程施工质量控制、施工进度控制提供了有效方法。
本发明实现实时动态监测灌浆质量。传统的灌浆质量评价由现场施工和后期现场试验两部分组成。现场施工主要依靠施工人员的经验决定，具有很大的主观性；后期现场试验主要依靠钻孔取样和压水试验等破坏性试验方法获取评价指标，也具有很大的弊端(前文已经提到)。一种集成式水电站智能灌浆监测系统在实时动态监测灌浆质量方面主要依靠灌浆仪采集的实时参数，实时传送到服务器里，利用服务器预置智能算法，对传输的数据进行分析，输出灌浆质量评价结果。若出现异常情况，可及时通过短信通知到现场施工管理人员，从而达到实时动态监测灌浆质量的目的。
本发明实现实时动态三维可视化呈现灌浆过程。由于灌浆属于地下工作，具有隐蔽性和复杂性的特点，一种集成式水电站智能灌浆监测系统能够实时动态呈现灌浆过程。该系统利用前期地质勘测资料进行精细化建模，依靠灌浆仪采集的实时参数，根据流体力学扩散理论，在三维软件中实现浆液扩散情况。
本发明实现数据共享。灌浆过程中的具体参数从根本上决定了灌浆质量，因此原始数据的共享是十分重要的。该系统分别为施工单位、监理单位、业主单位三方提供设计WEB端，三方人员都可以通过系统随时查看灌浆数据及预测质量，便于及时调整工作进度和数据的真实性。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种集成式水电站智能灌浆监测系统，其特征在于，由三维精细化建模系统、实时监测预警系统、数据共享系统和三维可视化系统组成；
所述三维精细化建模系统基于混合数据结合和三维参数化建模技术，对灌区地质、裂隙、灌浆孔数据进行采集和整理，将其转化为三维精细统一模型；
所述实时监测预警系统基于无线数据传输和传感器技术对灌浆压力、流量、抬动施工参数进行远程监测和实时预警；
所述数据共享系统基于数据库技术通过中央服务器集中管控灌浆数据，对实时传输的灌浆数据和报表进行存储，供不同操作平台的各终端用户查看和下载打印；
所述三维可视化系统基于计算机图形处理技术和三维可视化技术，对灌浆三维精细统一模型和实时监测预警信息进行三维可视化展示。
2.根据权利要求1所述的集成式水电站智能灌浆监测系统，其特征在于，所述三维精细化建模系统通过前期地质勘测资料，利用精细化建模理论及方法，利用地质勘测的数据通过智能算法模拟出整个区域的地质条件，在通过参数化建模，形成高精度的大尺度三维地质模型；三维地质模型完成后，再利用混合数据结构将灌浆孔和裂隙的小尺度三维模型与大、中尺度的地质模型和水电站水工建筑物模型耦合，构建三维精细统一模型，以上工作完成后，导入模型到数据库服务器中。
3.根据权利要求1所述的集成式水电站智能灌浆监测系统，其特征在于，所述实时监测预警系统，在现场施工过程中，在灌浆廊道内设置无线路由器将灌浆记录仪所记录的各项数据通过无线通信数据终端将数据打成IP包，经无线通信模块接入无线通信网络，最终通过网关和路由器到达统一的数据处理中心工作站，及时传送到数据库服务器；
在实时预警方面，数据库服务器通过内置智能算法，对传输过来的灌浆实时数据进行分析，拟合出灌浆结束后透水率、岩石质量等级及裂隙填充率各项参数，通过智能分析，得出实时灌浆质量评估，若出现异常情况，及时报警，并将报警信息发送到施工、业主和监理三方工作人员，以便于及时处理突发情况。
4.根据权利要求1所述的集成式水电站智能灌浆监测系统，其特征在于，所述数据共享系统通过数据库服务器集中管控灌浆系统数据，各操作平台的各终端用户通过无线数据传输功能获取实时数据、报表数据；通过终端与数据服务器建立的接口，在施工现场进行灌浆设计参数录入时，自动将灌浆设计参数推送到数据库服务器；数据上传接口包含但不限于通过WebService技术进行实现，能使得运行在不同设备上的不同系统无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据；此外数据接口还可采用包含但不限于token技术实现身份验证，通过使用正确的账号和密码登录之后进行数据传输，以保证接口的安全性、防止数据泄露。
5.根据权利要求1所述的集成式水电站智能灌浆监测系统，其特征在于，所述三维可视化系统采用计算机图形处理技术、面向对象技术和三维可视化技术，基于三维精细化建模系统的三维精细统一模型建立三维交互式可视化系统，服务器对灌浆记录仪传送的数据进行实时归纳分析，基于三维精细统一模型，利用流体运动理论，实时展现浆液流动状态与位置，从而为控制中心监测人员，提供三维可视化展现。
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