CN114993565B

CN114993565B - 暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统及方法

Info

Publication number: CN114993565B
Application number: CN202210839689.1A
Authority: CN
Inventors: 胡江; 马福恒; 任杰; 李星; 王春红; 叶伟; 俞扬峰; 周海啸
Original assignee: Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
Current assignee: Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2042-07-18
Also published as: CN114993565A

Abstract

本发明涉及一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统，挡水工程包括挡水结构、水下检测面、水体、入渗点和出逸点，水体中可能存在入渗点的区域被划定为待检测区域，检测系统包括供电系统、三维电极网和信号接收处理系统，供电系统包括供电设备、位于水体中的正极和位于出逸点的负极，供电设备通过正极和负极为水体中的待检测区域供电；三维电极网设置于待检测区域的水下检测面上；信号接收处理系统用于接收与处理三维电极网采集的电信号，绘制待检测区域电场强度信号平面分布图。本发明通过三维电极网采集电场信号，克服了现有检测方法单点单向检测费时费力，暴雨强风天气检测存在安全隐患、定位不准以及检测精度不高等缺陷。

Description

暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统及方法

技术领域

本发明涉及对堤防、水坝、围堰和渠道等挡水工程漏洞检测的技术领域，尤其是指一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统及方法。

背景技术

堤防、水坝、围堰、渠道是常见的挡水建筑物，其通常起到蓄水、导水或输水作用。挡水结构有水的一侧为临水侧，防止水进入或无水的一侧为背水侧。汛期常存在暴雨强风天气，是堤坝堰渠等挡水工程渗漏破坏的高发时期，渗漏会造成水资源的极大浪费。已有研究表明，汛期管涌破坏是堤坝堰渠等挡水工程破坏的主要形式。

挡水结构发生渗漏后，防止其进一步渗漏破坏的重点在于找到入渗点并进行封堵。电流场与渗流场具有相似性，在为待检测区域提供电场环境的前提下，当无漏洞时，检测区域电场无异常或突变点，当存在漏洞入渗点时，入渗点处电流密度明显变大，电场信号会发生明显异常或突变，通过检测电场信号的突变点能够定位入渗点。然而，汛期常伴有暴雨、强风等恶劣天气，已有现有技术如ZL99115417.7和CN201910608490.6均为利用船只搭载人员和采集仪进行检测，存在严重的人员安全隐患，同时其需要沿事先划定的检测线逐点进行检测，这种单点检测的方法费时费力、检测效率较低，在汛期这种时间紧急的情况下，极有可能贻误应急抢险时机，并且暴雨、强风等恶劣条件下船只位置难以稳定，导致检测定位精度更加难以保障。而且入渗点处电场为三维分布状态，仅进行单一方向电场信号检测可能会导致检测结果不准确，开展二维或三维电场信号检测更加有利于漏洞的精准定位。从电场分布原理上分析，地形对电场分布具有较大影响，以往检测仅注重竖向检测或忽略地形影响的三维检测，检测精度难以保障。根据以往开展检测的经验，检测点距离检测面的距离亦是影响检测精度的重要因素，以往检测方法难以保障检测点和检测面距离保持一致，进一步影响了检测精度。

因此，迫切需要提供一种能够在暴雨强风条件下进行挡水建筑物漏洞精准检测的系统。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统及方法，用以解决现有检测系统在暴雨强风环境中存在严重安全隐患、检测效率低下且检测精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统，所述挡水工程的结构包括挡水结构、水下检测面、水体、入渗点和出逸点，其中所述水体中预设待检测区域，检测系统包括：

供电系统，其包括供电设备、位于水体中的正极和位于出逸点的负极，供电设备通过正极和负极为水体中的待检测区域供电；

三维电极网，其设置于所述待检测区域的水下检测面上，所述三维电极网用于同时采集水下检测面处x方向、y方向以及z方向的电场强度信号；

以及信号接收处理系统，其连接所述三维电极网，所述信号接收处理系统用于接收与处理三维电极网采集的电信号，并绘制待检测区域电场沿x方向、y方向、z方向的电场强度信号平面分布图；

其中，所述三维电极网包括：

二维电极网，其用于采集电信号；

支撑杆，其为绝缘介质，所述支撑杆设置于两层二维电极网之间；

双头螺栓，其用于固定二维电极网和支撑杆。

在本发明的一个实施例中，所述二维电极网包括：

格栅；

电极，其为环形结构，所述电极间隔固定在所述格栅上，所述电极与所述双头螺栓紧密接触；

信号线，其设置于所述格栅上，所述信号线用于传递电极采集的电信号。

在本发明的一个实施例中，所述格栅为绝缘柔性材质，其被配置为可卷起堆放。

在本发明的一个实施例中，所述二维电极网还包括：

定位环，其由绝缘材料制成，所述定位环设置于格栅上；

拉线，其由绝缘材料制成，所述拉线连接所述定位环，所述拉线用于拖拽三维电极网。

在本发明的一个实施例中，所述二维电极网还包括：

配重体，其为绝缘材料制成，所述配重体悬挂于定位环上，利用配重体的自重使三维电极网沉入水体底部。

在本发明的一个实施例中，所述二维电极网还包括：

加固片，其为绝缘材料制成，所述加固片上设置有螺栓孔，所述加固片通过螺栓孔安装在二维电极网的四周，所述加固片与支撑杆联合固定三维电极网的形状。

在本发明的一个实施例中，所述双头螺栓为铜制或铝制良导体。

此外，本发明还提供一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测方法，该方法通过如上述所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统实现，该方法包括：

水体中预设待检测区域，并绘制其平面图；

现场或预先组装三维电极网，依据组装的三维电极网和待检测区域的平面图，将待检测区域划分为至少一个与三维电极网大小相同的区域，并记录三维电极网上的信号线；

安装供电系统，将正极置于水体中，负极置于出逸点，启动供电系统为待检测区域提供电场；

安装信号接收处理系统，将三维电极网上的信号线连接到信号接收处理系统上；

通过拉线将三维电极网拖拽至待检测区域的水下检测面上开展检测工作，利用信号接收处理系统接收和处理三维电极网上电极采集的电信号，将处理后的电场强度信号绘制成待检测区域电场沿x方向、y方向、z方向的电场强度信号平面分布图，图上异常点即为入渗点。

在本发明的一个实施例中，在开展检测工作时，x方向和y方向组成的平面与水下检测面平行，z方向垂直于水下检测面，其中x方向平行于水下检测面的倾向方向，y方向平行于水下检测面的走向方向。

在本发明的一个实施例中，遭遇暴雨强风情况时，借助船只或其他可移动的机械通过拉线将三维电极网拖拽至待检测区域，并且在陆地上进行信号接收和处理。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明通过三维电极网采集电场信号，克服了现有检测方法依靠人划船沿检测线单点单向检测费时费力，暴雨强风天气检测存在安全隐患、定位不准以及检测精度不高等缺陷，可同时实现三个方向电场信号的采集与处理，受暴雨强风等恶劣天气影响小，检测效率和精度高，可为汛期应急抢险提供更多宝贵时间和指导，且具有结构简单、容易组装、利于技术推广、便于实现自动化监测和科学研究的特点；

2、在检测效率方面，本发明由三维电极网的覆盖面积决定采集范围，因此能够实现大范围同时检测的目的，检测效率高；

3、在检测精度方面，本发明三维电极网能够很好的适应水下检测面的形状，使其很好的贴合水下检测面，且每层电极距离水下检测面相近，从而实现高精度检测；

4、在检测安全性方面，本发明在应对恶劣检测环境方面，例如在暴雨强风环境条件下，只需借助船只或其他机械通过拉线将三维电极网拖拽至待检测区域，在陆地上进行信号接收和处理，无需有人在船上采集数据信号，因而具备更高的安全性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明使用场景剖面示意图；

图2是本发明供电系统示意图；

图3是本发明三维电极网的结构示意图；

图4是本发明二维电极网的结构示意图；

图5是本发明水下检测面上检测的电场强度x、y、z方向示意图；

图6是本发明双头螺栓、支撑杆、格栅及其上电极和信号线连接处分解后的示意图；

图7是加固片的结构示意图;

图8是本发明电场强度计算说明图；

图9是具体实施例检测范围示意图；

图10是具体实施例检测面上x方向电场强度分布的平面图；

图11是具体实施例检测面上y方向电场强度分布的平面图；

图12是具体实施例检测面上z方向电场强度分布的平面图。

其中，附图标记说明如下：1、挡水结构；2、水下检测面；3、水体；4、入渗点；5、出逸点；6、供电系统；7、三维电极网；8、信号接收处理系统；61、供电设备；62、正极；63、负极；71、二维电极网；72、支撑杆；73、双头螺栓；711、格栅；712、电极；713、信号线；714、定位环；715、拉线；716、配重体；717、加固片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1所示，本实施例提供一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统，所述挡水工程的结构包括挡水结构1、水下检测面2、水体3、入渗点4和出逸点5，其中所述水体3中预设待检测区域，所述漏洞精准检测系统包括：

供电系统6，其包括供电设备61、位于水体3中的正极62和位于出逸点5的负极63，供电设备61通过正极62和负极63为水体3中的待检测区域供电；

三维电极网7，其设置于所述待检测区域的水下检测面2上，所述三维电极网7用于同时采集水下检测面2处x方向、y方向以及z方向的电场强度信号；

以及信号接收处理系统8，其连接所述三维电极网7，所述信号接收处理系统8用于接收与处理三维电极网7采集的电信号，并绘制待检测区域电场沿x方向、y方向、z方向的电场强度信号平面分布图。

本发明通过三维电极网采集电场信号，克服了现有检测方法依靠人划船沿检测线单点单向检测费时费力，暴雨强风天气检测存在安全隐患、定位不准以及检测精度不高等缺陷，可同时实现三个方向电场信号的采集与处理，受暴雨强风等恶劣天气影响小，检测效率和精度高，可为汛期应急抢险提供更多宝贵时间和指导，且具有结构简单、容易组装、利于技术推广、便于实现自动化监测和科学研究的特点。

图2为供电系统示意图，其包括供电设备61、正极62和负极63，正极62被置于临水侧水体3中，负极63被置于背水侧渗流出逸点5处，供电设备61通过正极62和负极63为待检测区域供电。优选地，供电设备61具备显示供电电压和供电电流的功能。优选地，供电系统6提供电压一般为100V~1000V，电压从低压到高压依次施加，电流要求小于20mA，以确保人身安全。

进一步地，当挡水工程存在多个渗流出逸点5时，应在每一渗流出逸点5处均设置负极63。

图3为三维电极网7的结构示意图，其包括二维电极网71、支撑杆72和双头螺栓73。

进一步地，支撑杆72为硬质绝缘介质，支撑杆72安装在两层二维电极网71中间起支撑作用。优选地，支撑杆72的长度为20 cm~50 cm。

进一步地，双头螺栓73被用于固定二维电极网71和支撑杆72，双头螺栓73为铜制或铝制良导体，起到采集和传递电信号的作用。

图4为二维电极网的结构示意图，其为电信号采集的主要装置，二维电极网71的结构包括格栅711、电极712、信号线713、定位环714、拉线715、配重体716和加固片717。

进一步地，格栅711为绝缘柔性材质，其抗拉强度高，可卷起堆放。

进一步地，电极712为环形结构，电极712按一定间距固定在格栅711上，电极712为铜制或铝制良导体，电极712与双头螺栓73紧密接触，用于采集电信号。优选地，电极712间的间距为50cm~300cm。

进一步地，信号线713固定或黏贴在格栅711上，用于传递电极712采集的电信号，优选地，信号线713以S型曲线固定或黏贴，并保留一定长度冗余防止拖拽过程中被拉断。

进一步地，定位环714由绝缘材料制成，定位环714被固定在格栅711上。

进一步地，拉线715由绝缘材料制成，拉线715与定位环714连接，拉线715用于拖拽三维电极网7。

进一步地，配重体716为高密度的绝缘材料制成，配重体716悬挂在定位环714上，利用配重体716的自重使三维电极网7沉入水体3底部。优选地，配重体716可以是重锤。

进一步地，加固片717为硬质绝缘材料制成，加固片717上开有螺栓孔，起固定二维电极网71形状的作用，优选地，加固片717安装在二维电极网71上的四周，加固片717与支撑杆72联合后可固定三维电极网7的形状。

图5是本发明水下检测面2上检测的电场强度x、y、z方向示意图。三维电极网7能够同时采集水下检测面2处x方向、y方向和z方向的电场强度信号，所述x方向和y方向组成的平面与水下检测面2平行，x方向平行于水下检测面2的倾向方向，指向挡水结构1的背水侧，y方向平行于水下检测面2的走向方向，z方向沿水下检测面2的法线方向，指向外侧，x、y、z指向符合空间直角坐标系右手法则，图5表达了水下检测面2为倾斜和水平情况下x、y、z的检测方向。

图6为双头螺栓73、加固片717、支撑杆72、格栅711及其上电极712和信号线713连接处分解后的示意图，双头螺栓73穿过电极712上的孔旋入支撑杆72的两端。

图7为加固片717的结构示意图，优选地，加固片717的长度约为3~4倍的格栅711宽度。

图8为电场强度计算示意图，假定A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8和B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8分别为第一层和第二层二维电极网71上的电极712，同一层上二维电极网71上电极712的间距为L，两层二维电极网71的间距为H，并假定A1→A2方向为x方向，A1→A5方向为y方向，A1→B1方向为z方向，由电磁学理论可知，电场强度为电势差与电极距离的比值，即E=△U/d。以A1-A8和B1-B8共16个电极为例，阐述三个方向的电场强度计算方法。

首先，明确水下检测面2为第一层A1-A8共8个电极所包围、覆盖的面；

然后，水下检测面2上x方向电场强度指E_A1A2、E_A2A3、E_A3A4、E_A5A6、E_A6A7、E_A7A8，以E_A1A2为例，其指A1和A2两电极中间位置处电场强度，E_A1A2=△U_A1A2/L；水下检测面2上y方向电场强度指E_A1A5、E_A2A6、E_A3A7、E_A4A8，以E_A1A5为例，其指A1和A5两电极中间位置处电场强度，E_A1A5=△U_A1A5/L；水下检测面2上z方向电场强度指E_A1B1、E_A2B2、E_A3B3、E_A4B4、E_A5B5、E_A6B6、E_A7B7、E_A8B8，以E_A1B1为例，其指A1和B1两电极中间位置处电场强度，E_A1B1=△U_A1B1/H。

最后，依据上述计算原理和方法，分别绘制水下检测面2上电场强度在x、y、z三个方向的分布图，电场强度异常点即为漏洞入渗点。

进一步地，当仅采用二维电极网71进行检测时，其仅能获得x和y方向上电场强度，无法获得检测面上z方向电场强度。

进一步地，在应对恶劣检测环境方面，尤其在暴雨强风环境条件下，只需借助船只或其他机械通过拉线715将三维电极网7拖拽至待检测区域，在陆地上进行信号接收和处理，无需有人在船上采集数据信号，因而具备更高的安全性；在检测效率方面，用三维电极网7采集电场信号，采集范围由三维电极网7的覆盖面积决定，因此能够实现大范围同时检测目的，相对于单点单向采集，检测效率高，可为应急抢险提供更多宝贵时间；在检测精度方面，三维电极网7能够很好的适应水下检测面2的形状，所测量的x、y方向平行于水下检测面2，所测量z方向垂直于水下检测面2，根据电场分布规律，当存在入渗点时，与仅进行竖向测量或不考虑地形因素的三维测量等检测方法相比，x、y、z方向能够清晰识别入渗点周边电场信号变化规律，同时，以往依靠人划船沿测线单点检测的方法，通常难以控制测点和水下检测面2间的距离，容易引起较大检测误差，导致发生错判、漏判现象，本发明中的三维电极网7能够贴合水下检测面2，且每层电极距离水下检测面2相近，能够实现高精度检测。

相应于上述系统的实施例，本发明还提供一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测方法，该方法通过上述所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统实现，该方法包括：

水体3中预设待检测区域，并绘制其平面图；

现场或预先组装三维电极网7，依据组装的三维电极网7和待检测区域的平面图，将待检测区域划分为至少一个与三维电极网7大小相同的区域，并记录三维电极网7上的信号线713，在定位环714处悬挂配重体716；

安装供电系统6，将正极62置于水体3中，负极63置于出逸点5，启动供电系统6为待检测区域提供电场；

安装信号接收处理系统8，将三维电极网7上的信号线713连接到信号接收处理系统8上；

通过拉线715将三维电极网7拖拽至待检测区域的水下检测面2上开展检测工作，利用信号接收处理系统8接收和处理三维电极网7上电极712采集的电信号，将处理后的电场强度信号绘制成待检测区域电场沿x方向、y方向、z方向的电场强度信号平面分布图，图上异常点即为入渗点4。

进一步地，在开展检测工作时，x方向和y方向组成的平面与水下检测面2平行，z方向垂直于水下检测面2，其中x方向平行于水下检测面2的倾向方向，y方向平行于水下检测面2的走向方向，根据电场分布规律，当存在入渗点时，x、y、z方向能够清晰识别入渗点4周边电场信号变化规律，同时，三维电极网7能够贴合水下检测面2，每层电极712距离水下检测面2相近，能够实现高精度检测。

进一步地，遭遇暴雨强风情况时，借助船只或其他可移动的机械通过拉线715将三维电极网7拖拽至待检测区域，并且在陆地上进行信号接收和处理，无需有人在船上采集数据信号，因而具备更高的安全性。

下面以一个具体的实施方式来详细阐述本发明提供的一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测方法的具体操作方法。

某堤防顶宽约3m，高度约2m，临水坡和背水坡坡比均为1.5:1，河道底部较为平坦，背水侧有一渗漏出逸点5。

首先，划定待检测区域为长16m，宽10m。组装三维电极网7，长20m，宽14m，四周均超出待检测区域2m，如图9所示。三维电极网7中二维电极网71的x、y方向电极712间距均为200cm，两层二维电极网71的间距为30cm。

其次，安装供电系统6，正极62位于水体3中，负极63位于背水侧渗漏出逸点5处，施加电压150V，电流表读数16.1mA。

再次，将三维电极网7上的信号线713与信号接收处理系统8相连。

然后，利用船只将三维电极网7拖拽至待检测区域。

最后，开启信号接收处理系统8采集并处理电场信号。图10、图11、图12分别为待检测区域检测面上x方向、y方向、z方向上电场强度分布平面图，图中电场强度单位为mV/m，图中虚线框内为待检测区域。可以看出，电场强度在长度方向13m-15m、宽度方向7m-9m处存在电场强度信号异常或突变，可判断渗漏入渗点4位于长度方向13m-15m、宽度方向7m-9m处。

进一步地，当需要开展入渗点4自动化监测或预防预警监测时，可将二维电极网71或三维电极网7安装在挡水或防渗结构表面，通过实时监测，获取渗漏通道形成、发展过程，起到预防预警作用。

进一步地，本文探测的介质为水体3，实际上，对于处于固体介质中的防渗结构，为避免出现漏洞，仍可借鉴本文思路进行检测。

进一步地，本文所涉及检测系统描述了出现漏洞后进行检测的场景，实际上，可将本文所涉及系统长期布置在待检测区域进行长期监测，便于能及时发现漏洞。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统，所述挡水工程的结构包括挡水结构、水下检测面、水体、入渗点和出逸点，其中所述水体中预设待检测区域，其特征在于，检测系统包括：

其中，所述三维电极网包括：

二维电极网，其用于采集电信号；

双头螺栓，其用于固定二维电极网和支撑杆；

所述二维电极网包括：

格栅；

信号线，其设置于所述格栅上，所述信号线用于传递电极采集的电信号；

定位环，其由绝缘材料制成，所述定位环设置于格栅上；

拉线，其由绝缘材料制成，所述拉线连接所述定位环，所述拉线用于拖拽三维电极网；

配重体，其为绝缘材料制成，所述配重体悬挂于定位环上，利用配重体的自重使三维电极网沉入水体底部；

2.根据权利要求1所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统，其特征在于：所述格栅为绝缘柔性材质，其被配置为可卷起堆放。

3.根据权利要求1所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统，其特征在于，所述双头螺栓为铜制或铝制良导体。

4.一种暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测方法，其特征在于，该方法通过如权利要求1-3任一项所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测系统实现，该方法包括：

水体中预设待检测区域，并绘制其平面图；

5.根据权利要求4所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测方法，其特征在于：在开展检测工作时，x方向和y方向组成的平面与水下检测面平行，z方向垂直于水下检测面，其中x方向平行于水下检测面的倾向方向，y方向平行于水下检测面的走向方向。

6.根据权利要求4所述的暴雨强风条件下挡水工程漏洞精准检测方法，其特征在于：遭遇暴雨强风情况时，借助船只或其他可移动的机械通过拉线将三维电极网拖拽至待检测区域，并且在陆地上进行信号接收和处理。