CN115615488A - 一种寒区水库大坝安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种寒区水库大坝安全监测系统及方法，监测模块用于采集目标监测信息，并将目标监测信息传输给处理模块，目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；处理模块用于基于目标监测信息进行风险预警。克服了传统上通过人工定期或不定期的观测来获得有限的水库大坝变形、渗流、裂缝监测资料的局限性；弥补了目前尚无专门针对寒区水库大坝进行综合安全监测系统的空白；且满足了目前的监测装置无法达到的大坝安全实时快速感知、评价诊断的需要。既能很好的满足寒区水库大坝实时安全监测的要去，实现了大坝安全管理的精确化、连续化与智能化，又能很好的保障寒区水库大坝的安全运营。

Description

一种寒区水库大坝安全监测系统及方法

技术领域

本申请涉及工程领域，具体而言，涉及一种寒区水库大坝安全监测系统及方法。

背景技术

水利工程是国民经济发展的重要基础设施，不仅直接关系到防洪安全、供水安全、粮食安全，而且关系到经济安全、生态安全、国家安全。寒区水利工程是水利工程的重要组成部分，寒区的水库大坝在防洪、灌溉、供水、泥沙控制、改善生态环境和解决水资源分布不均等方面均发挥着极其重要的作用。过去十年中国已修建了87000多座大坝，其中60％位于寒冷地区。由于特殊的气候环境，寒冷地区的大坝会面临周期性的冻融作用，导致库坝面板破坏、冰坝、坝体冻胀破坏、渗漏甚至溃坝等冻害现象频发。这些病害现象给水库大坝的安全运营带来了不同程度的风险，严重影响水库的正常使用和经济效益的最大化，所以有必要建立并完善寒区水库大坝安全监测体系，提升大坝安全管理水平。

发明内容

本申请的目的在于提供一种寒区水库大坝安全监测系统及方法，以至少部分改善上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种寒区水库大坝安全监测系统，所述系统包括：处理模块和监测模块，所述处理模块和所述监测模块通信连接；

所述监测模块用于采集目标监测信息，并将所述目标监测信息传输给所述处理模块，所述目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；

所述处理模块用于基于所述目标监测信息进行风险预警。

可选地，所述库区气象信息包括库区风向信息、库区风速信息、库区太阳辐射值、库区气温信息以及冰层与库水的温度信息；

所述监测模块包括风向监测仪、风速监测仪、辐射监测探头、气温监测探头及冰温与水温监测温度链；

所述风向监测仪用于监测实时的库区风向信息；

所述风速监测仪用于监测实时的库区风速信息；

所述辐射监测探头用于监测实时的库区太阳辐射值；

所述气温监测探头用于监测实时的库区气温信息；

所述冰温与水温监测温度链包括预设数量依次链接的温度传感器，用于测量冰层与库水的温度信息。

可选地，所述库区气象信息还包括冰层厚度信息；

所述监测模块包括冰下超声测距仪、冰下超声测距探头和超声校核探头，所述冰下超声测距仪设置于冰上，所述冰下超声测距探头和所述超声校核探头均设置于冰下，所述冰下超声测距探头和所述超声校核探头与所述冰下超声测距仪通过光缆连接；

所述冰下超声测距探头和所述超声校核探头监测实时的冰层厚度信息，并通过冰下超声测距仪实现探头布设深度调节、监测信息校正与监测数据记录。

可选地，所述监测模块还包括第一太阳能板和数据收集箱，所述第一太阳能板分别与所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链以及所述冰下超声测距仪连接，所述数据收集箱分别与所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链以及所述冰下超声测距仪连接；

所述第一太阳能板用于给所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链、所述冰下超声测距仪、冰下超声测距探头以及所述超声校核探头进行供能；

所述数据收集箱用于收集所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链、所述冰下超声测距仪所采集到的信息，并将采集到的信息传输给所述处理模块。

可选地，所述库区地震信息包括地震监测数据；

所述监测模块包括GPS天线、采集服务器、CDMA数据终端以及宽频带地震针，所述采集服务器分别与所述GPS天线、所述CDMA数据终端以及所述宽频带地震针通信连接，所述采集服务器还与所述处理模块通信连接，所述宽频带地震针设置于库区大坝的坝址和坝顶；

所述宽频带地震针用于采集坝体运动参量，并将采集到的坝体运动参量传输给所述采集服务器；

所述GPS天线用于给所述采集服务器提供时间戳信息；

所述采集服务器用于给获取到的坝体运动参量添加对应的时间戳信息以生成所述地震监测数据，并将所述地震监测数据传输给所述处理模块和所述CDMA数据终端；

所述CDMA数据终端用于对所述地震监测数据进行本地存储。

可选地，所述库区水位信息还包括水位高度信息、雨量信息以及水文信息；

所述监测模块包括雷达水位计、视频摄像头以及翻斗式雨量计，所述雷达水位计设置于第一铅锤面或超出第一铅锤面，所述第一铅锤面为迎水面坝脚在的铅锤面；

所述雷达水位计用于发射调频连续波进行测量，以获取水位高度信息；

所述视频摄像头用于采集库区的湖面图像，所述湖面图像包括所述水文信息；

所述翻斗式雨量计用于监测库区的雨量信息。

可选地，所述监测模块还包括第二太阳能板和数据储存箱，所述第二太阳能板分别与所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计连接，所述数据储存箱分别与所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计连接；

所述第二太阳能板用于给所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计进行供能；

所述数据储存箱用于收集存储所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计所采集到的数据，并将收集到的数据传输给所述处理模块。

可选地，所述坝体信息包括传感器数据，所述监测模块包括分布式光纤网络，所述分布式光纤网络包括光纤光栅调节仪、通信光缆以及预设数量的光纤传感阵列，其中，所述光纤传感阵列包括位移传感器、温度传感器、渗压传感器以及应力传感器，所述光纤传感阵列埋设于坝体内，所述光纤传感阵列通过所述通信光缆连接于所述光纤光栅调节仪；

所述光纤传感阵列用于采集相应的参数数据，并通过所述通信光缆将采集到的参数数据传输给所述光纤光栅调节仪；

所述光纤光栅调节仪用于解调所述光纤传感阵列中各个传感器的波长漂移量，并计算相应的外部参数值作为最终的传感器数据。

可选地，所述坝体信息还包括坝体裂缝信息，所述监测模块还包括三向测缝计，所述三向测缝计包括万向节、3支刚性拉杆位移计、调节螺丝、带万向节的角度块、位移计支座、下面板上的固定支座、固定螺丝、上面板上的固定支座、以及三角支架；

所述刚性拉杆位移计通过所述万向节连接在所述三角支架上，所述万向节转动设置，所述三角支架固定在所述上面板上的固定支座上，所述上面板上的固定支座用所述固定螺丝固定在面板周边缝上方的面板上，所述刚性拉杆位移计另一端即具有调节螺丝的一端通过所述带万向节的角度块固定在所述位移计支座上，所述调节螺丝调节刚性拉杆位移计的长度，所述位移计支座固定在下面板上的固定支座上，下面板上的固定支座通过固定螺丝固定在下部面板上。

第二方面，本申请实施例提供一种寒区水库大坝安全监测方法，应用于上述的寒区水库大坝安全监测系统，所述方法包括：

所述监测模块采集目标监测信息，并将所述目标监测信息传输给所述处理模块，所述目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；

所述处理模块基于所述目标监测信息进行风险预警。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种寒区水库大坝安全监测系统及方法，包括：处理模块和监测模块，处理模块和监测模块通信连接；监测模块用于采集目标监测信息，并将目标监测信息传输给处理模块，目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；处理模块用于基于目标监测信息进行风险预警。克服了传统上通过人工定期或不定期的观测来获得有限的水库大坝变形、渗流、裂缝监测资料的局限性；弥补了目前尚无专门针对寒区水库大坝进行综合安全监测系统的空白；且满足了目前的监测装置无法达到的大坝安全实时快速感知、评价诊断的需要。既能很好的满足寒区水库大坝实时安全监测的要去，实现了大坝安全管理的精确化、连续化与智能化，又能很好的保障寒区水库大坝的安全运营。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的水库大坝结构示意图。

图2为本申请实施例提供的安全监测系统的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的分布式光纤网络的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的三向测缝针的结构示意图。

图5为本申请实施例提供的面板受力分析与内力分布简图。

图6为本申请实施例提供的监测系统的架构示意图。

图中：001-水库大坝；002-基岩；003-库水；004-冰层；005-护坡面板；100-监测模块；111-风向监测仪；112-风速监测仪；113-辐射监测探头；114-气温监测探头；115-第一太阳能板；116-冰温与水温监测温度链；120-冰下超声测距仪；121-冰下超声测距探头；122-超声校核探头；130-数据收集箱；211-GPS天线；212-采集服务器；213-CDMA数据终端；214-宽频带地震针；221-雷达水位计；222-视频摄像头；223-翻斗式雨量计；224-第二太阳能板；225-数据储存箱；310-分布式光纤网络；311-光纤传感阵列；3111-位移传感器；3112-温度传感器；3113-渗压传感器；3114-应力传感器；312-光纤光栅调节仪；313-通信光缆；320-三向测缝计；321-万向节；322-位移计；323-调节螺丝；324-带万向节的角度块；325-位移计支座；326-下面板上的固定支座；327-固定螺丝；328-上面板上的固定支座；329-三角支架；400-面板周边缝；500-数据采集仪；600-处理模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

传统的水库大坝进行安全监测方法一般是通过人工定期或不定期的观测来获得有限的变形、渗流、裂缝等资料，随着计算机技术的高速发展产生了自动化监测的方法，但少有对于寒区水库大坝进行综合安全监测的系统，且目前的监测装置无法满足大坝安全实时快速感知、风险评价诊断需要，并不能及时对险情进行预警，不能很好的保障寒区水库大坝的安全运营。经发明人研究发现，现有的用于寒区水库大坝安全监测与风险管理的装置与方法存在如下缺点：安全监测与风险预警结果可靠性差。

为了克服以上问题，本申请实施例提供了一种寒区水库大坝安全监测系统。请参考图1和图2，图1为本申请实施例提供的水库大坝结构示意图。图2为本申请实施例提供的安全监测系统的结构示意图。其中，属于水库的部分有水库大坝001、基岩002、库水003、冰层004以及护坡面板005。

如图2所示，寒区水库大坝安全监测系统包括：处理模块600和监测模块100，处理模块600和监测模块100通信连接。

监测模块100用于采集目标监测信息，并将目标监测信息传输给处理模块600，目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种。

处理模块600用于基于目标监测信息进行风险预警。

可选地，处理模块600可以为一种数据终端，通过计算机程序将数据终端中通过多源信息融合计算处理过的数据同步代入到风险预警系统中，风险预警系统通过给每个效应量设置一个警兆指标，一旦大坝变形、应力或渗漏等效应量超过警戒值，风险预警系统便可及时报警并进行关键险情部位和关键致灾因素的辨识。具体的，将所监测大坝的实测值与警兆指标进行比较，若监测值小于警兆指标，则判定为安全；若监测值大于警兆指标，则判定为不安全，此时说明大坝需要进行出现加固，然后通过风险预警系统的病害辨识功能，筛选出主要的致灾因素，并进行关键险情部位和关键性警兆指标的辨识。需要说明的是，效应量可以是大坝变形、应力或渗漏等效应量，当然还可以是其他的库区气象信息、库区水位信息以及库区地震信息等相关信息。

综上所述，本申请实施例提供了一种寒区水库大坝安全监测系统，包括：处理模块和监测模块，处理模块和监测模块通信连接；监测模块用于采集目标监测信息，并将目标监测信息传输给处理模块，目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；处理模块用于基于目标监测信息进行风险预警。克服了传统上通过人工定期或不定期的观测来获得有限的水库大坝变形、渗流、裂缝监测资料的局限性；弥补了目前尚无专门针对寒区水库大坝进行综合安全监测系统的空白；且满足了目前的监测装置无法达到的大坝安全实时快速感知、评价诊断的需要。既能很好的满足寒区水库大坝实时安全监测的要去，实现了大坝安全管理的精确化、连续化与智能化，又能很好的保障寒区水库大坝的安全运营。

在一种可能的实现方式中，库区气象信息包括库区风向信息、库区风速信息、库区太阳辐射值、库区气温信息以及冰层与库水的温度信息。

请参考图1，监测模块100包括风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114及冰温与水温监测温度链116。

风向监测仪111用于监测实时的库区风向信息。

风速监测仪112用于监测实时的库区风速信息。

辐射监测探头113用于监测实时的库区太阳辐射值。

气温监测探头114用于监测实时的库区气温信息。

冰温与水温监测温度链116包括预设数量依次链接的温度传感器3112，用于测量冰层与库水的温度信息。

可选地，处理模块600可以基于冰层与库水的温度信息获取冰层与库水的温度变化情况与温度变化速率。

风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114及冰温与水温监测温度链116的数据采样间隔可以为1分钟。

风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114及冰温与水温监测温度链116组成本申请中的自动气象站。

可选地，库区气象信息还包括冰层厚度信息；监测模块100还包括冰下超声测距仪120、冰下超声测距探头121和超声校核探头122，冰下超声测距仪120设置于冰上，冰下超声测距探头121和超声校核探头122均设置于冰下，与冰下超声测距仪通过光缆连接；

冰下超声测距探头121和超声校核探头122监测实时的冰层厚度信息，并通过冰下超声测距仪120实现探头布设深度调节、监测信息校正与监测数据记录。冰下超声测距探头121超声校核探头122可选地，冰下超声测距探头121和超声校核探头122连接在冰下超声测距仪120上，冰下超声测距仪120可以设置并调节冰下超声测距探头121下放深度，并且设置测量时间间隔，一般测量时间间隔设置为1分钟。

冰下超声测距探头121可发射超声波，通过利用已知超声波在水中的传播速度和超声波发射后遇到冰面再返回到传感器接收器的时间，计算出传感器同冰面之间的距离，同时通过超声校核探头122进行实时数据校核，在数据异样的时候通过发射电信号校正超声测距探头的布设位置，数据采样间隔为1分钟，结合初始冰厚度可用于测量冰厚及冰生长过程。可选地，监测模块100还包括第一太阳能板115和数据收集箱130，第一太阳能板115分别与风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114、冰温与水温监测温度链116、冰下超声测距探头121以及超声校核探头122连接，数据收集箱130分别与风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114、冰温与水温监测温度链116、冰下超声测距探头121以及超声校核探头122连接。

第一太阳能板115用于给风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114、冰温与水温监测温度链116、冰下超声测距仪120、冰下超声测距探头121以及超声校核探头122进行供能。

数据收集箱130用于收集风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114、冰温与水温监测温度链116、冰下超声测距探头121以及超声校核探头122所采集到的信息，并将采集到的信息传输给处理模块600。

可选地，风向监测仪111、风速监测仪112、辐射监测探头113、气温监测探头114、冰温与水温监测温度链116、冰下超声测距探头121以及超声校核探头122所监测到的库气温、太阳辐射、风速、风向、冰温和水温、冰层厚度与冰生长速率等数据通过导线传输到数据收集箱130中进行初步处理记录。

可选地，库区地震信息包括地震监测数据；监测模块100包括GPS天线211、采集服务器212、CDMA数据终213以及宽频带地震针214，采集服务器212分别与GPS天线211、CDMA数据终213以及宽频带地震针214通信连接，采集服务器212还与处理模块600通信连接，宽频带地震针214设置于库区大坝的坝址和坝顶。

宽频带地震针214用于采集坝体运动参量，并将采集到的坝体运动参量传输给采集服务器212。

GPS天线211用于给采集服务器212提供时间戳信息。

采集服务器212用于给获取到的坝体运动参量添加对应的时间戳信息以生成地震监测数据，并将地震监测数据传输给处理模块600和CDMA数据终213。

CDMA数据终213用于对地震监测数据进行本地存储。

可选地，GPS天线211、采集服务器212、CDMA数据终213以及宽频带地震针214组成地震动强度记录仪。地震动强度记录仪用于测量地震发生时库区与坝址的地震峰值加速度，进而分析地震烈度。宽频带地震针214设置于坝顶与坝址处，用于采集坝体运动参量，并将运动参量转化为电压量，采集服务器212设置于护坡面板005上，可将宽频带地震针214所采集到的坝体运动电压量转化为数字信息进行传输，GPS天线211连接在采集服务器212上，用于提供采集数据的时间记录，CDMA数据终端213与采集服务器212通过光纤传输线路连接，用于储存地震监测数据。

可选地，库区水位信息还包括水位高度信息、雨量信息以及水文信息；监测模块100包括雷达水位计221、视频摄像头222以及翻斗式雨量计223，雷达水位计221设置于第一铅锤面或超出第一铅锤面，第一铅锤面为迎水面坝脚在的铅锤面。

雷达水位计221用于发射调频连续波进行测量，以获取水位高度信息。

视频摄像头222用于采集库区的水面图像，库水面图像包括水文信息。

翻斗式雨量计223用于监测库区的雨量信息。

雷达水位计221、视频摄像头222以及翻斗式雨量计223组成水位与降雨监测系统。降水与水位监测通过设置于坝前护坡面板005上的水位与降雨监测系统实现。雷达水位计221设置于护坡面板005上，与迎水面坝脚在同一铅锤面上，以方便对坝前水位进行雷达测距，雷达水位计221通过发射调频连续波(FMCW)到水面与坝脚处基岩002，并反射到传感器中，利用发射时间计算出水位高度。翻斗式雨量计223承水口径200+0.6mm，外刃角度45°，测量降水强度区间为0mm/min-10mm/min，采集时间间隔为1min。视频摄像头222通过拍摄现场视频与图像监测库水003与冰层004的水文状况，以供管理部门远程直观观察水库情况。

可选地，监测模块100还包括第二太阳能板224和数据储存箱225，第二太阳能板224分别与雷达水位计221、视频摄像头222以及翻斗式雨量计223连接，数据储存箱225分别与雷达水位计221、视频摄像头222以及翻斗式雨量计223连接。

第二太阳能板224用于给雷达水位计221、视频摄像头222以及翻斗式雨量计223进行供能。

数据储存箱225用于收集存储雷达水位计221、视频摄像头222以及翻斗式雨量计223所采集到的数据，并将收集到的数据传输给处理模块600。

可选地，水位与降雨监测系统采用第二太阳能板224供能，形成整套太阳能供电型水文遥测终端，通过光纤传输线路将降水量、库水位、水位变幅等数据按照1min的采集间隔储存到数据储存箱225中进行初步处理。

可选地，坝体信息包括传感器数据，监测模块100包括分布式光纤网络310，分布式光纤网络310包括光纤光栅调节仪312、通信光缆313以及预设数量的光纤传感阵列311。

请参考图3，图3为本申请实施例提供的分布式光纤网络的结构示意图。光纤传感阵列311包括位移传感器3111、温度传感器3112、渗压传感器3113以及应力传感器3114，光纤传感阵列311埋设于坝体内，光纤传感阵列311通过通信光缆313连接于光纤光栅调节仪312。

光纤传感阵列311用于采集相应的参数数据，并通过通信光缆313将采集到的参数数据传输给光纤光栅调节仪312。

光纤光栅调节仪312用于解调光纤传感阵列311中各个传感器的波长漂移量，并计算相应的外部参数值作为最终的传感器数据。

可选地，本申请实施例中的坝体一体化监测系统中坝体内部监测通过分布式光纤网络310实现，分布式光纤网络310包括光纤传感阵列311、光纤光栅调节仪312、通信光缆313，其中光纤传感阵列311包括位移传感器3111、温度传感器3112、渗压传感器3113、应力传感器3114。将位移传感器3111按照1m间隔进行连接组成准分布式光纤光栅位移传感阵列，温度传感器3112、渗压传感器3113、应力传感器3114按照相同间隔进行连接组成阵列，采用“空分复用+波分复用”的方案，并根据坝体内部结构和面板后的监测关键点进行传感网络设置。

进一步的，光纤传感阵列311中各传感器之间采用通信光缆313进行连接，光纤传感是用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信息的技术。光纤传感器自身不产生辐射、不发热、不产生火花，且不受外界电磁辐射的干扰，各传感器的传感信号被反向传播后通过通信光缆313传输到多通道动态光纤光栅调节仪312，实时解调各个传感单元的波长漂移量并计算相应的外部参数值。相关参数值通过实时传输至远端的数据采集仪500进行收集，最终汇集储存到处理模块600。

位移传感器3111、温度传感器3112、渗压传感器3113、应力传感器3114分别获取坝体变形情况、坝体温度、渗漏情况及应力变化情况。

可选地，坝体信息还包括坝体裂缝信息，监测模块100还包括三向测缝计320。请参考图4，图4为本申请实施例提供的三向测缝针的结构示意图。三向测缝计320包括万向节321、3支刚性拉杆位移计322、调节螺丝323、带万向节的角度块324、位移计支座325、下面板上的固定支座326、固定螺丝327、上面板上的固定支座328以及三角支架329。

刚性拉杆位移计322通过万向节321连接在三角支架329上，万向节321转动设置，三角支架329固定在上面板上的固定支座328上，上面板上的固定支座328用固定螺丝327固定在面板周边缝上方的面板上，刚性拉杆位移计322另一端即具有调节螺丝323的一端通过带万向节的角度块324固定在位移计支座325上，调节螺丝323调节刚性拉杆位移计322的长度，位移计支座325固定在下面板上的固定支座326上，下面板上的固定支座326通过固定螺丝327固定在下部面板上。固定时需在上面板上的固定支座328和下面板上的固定支座326之间留出一定的宽度，以免面板发生错缝位移时破坏三向测缝计320。

三向测缝计320设置于面板周边缝400及护坡面板005上容易产生伸缩和剪切变形部位，三向测缝计320共有3支刚性拉杆位移计322，可分别测量3个相互垂直方向的伸缩与剪切变位，主要用于监测面板及面板周边缝的裂缝情况。

关于如何完成光纤网络布设，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

在寒区水库大坝监测段施工时，将位移传感器3111、温度传感器3112、渗压传感器3113、应力传感器3114按照1m间隔，并通过光纤光缆进行连接组成准分布式光纤光栅位移传感阵列、准分布式光纤光栅温度传感阵列、准分布式光纤光栅渗压传感阵列和准分布式光纤光栅应力传感阵列。采用“空分复用+波分复用”的方案进行传感系统设置，光纤光栅的传感机理是通过测量布拉格反射波长来感知外界物理量，具体的，光源信号入射进光纤光栅传感器，各反射信号分别通过各自的光通道到达解调系统，可实现空分复用方案。另外宽带光源入射到一根光纤中具有不同布拉格波长的多个光栅传感器，各传感光栅反射回不同波长的光波，通过光纤光栅传感器占据的波长范围来判断传感器的地址，实现波分复用方案。

具体的，根据坝体内部结构和面板后的关键监测点进行传感网络设置，关键监测点一般位于面板后与坝面的接触面、坝体轴线断面、坝体与坝基接触面以及坝后坡面区域内，尤其是水位波动范围内的面板与坝体接触区域和坝体内部区域需要密集布设光纤传感阵列311，其他位置的监测点布置可在关键监测点布置完成后，按照等间隔原则分区布置。例如可将每个准分布式光纤光栅位移传感阵列、准分布式光纤光栅温度传感阵列、准分布式光纤光栅渗压传感阵列和准分布式光纤光栅应力传感阵列进行捆绑成组形成单个光纤传感阵列311后，按照0.5m的间隔布置多个光纤传感阵列311，并在大坝填筑过程中，按照一定的间隔沿坝体轴线方向进行逐层布置，实现多点准分布式监测，具体的，可按照坝高的10％为间隔取值，如坝高5m时，可按照每填筑0.5m布置一层光纤传感阵列311进行，对于关键监测区域，可进行密集布设，即按照0.25m的距离密集布设关键监测点。然后将各层光纤传感阵列311通过通信光缆313连接到多通道动态光纤光栅调节仪312，并通过光纤光缆连接至远端的数据采集仪500，最终汇集储存到处理模块600。

关于如何完成宽频带地震针埋设，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

大坝刚开始填筑时将所述宽频带地震针214设置于坝址处，并按照探针垂直于坝址面(即基岩002)进行设置，当坝体填筑到坝顶时，按照同样的原则设置宽频带地震针214，具体的，为了使水库大坝地震监测信息的频带从短周期地震波覆盖至宽广频带，并保证地震发生时大坝断面全域内实现频带覆盖，需将坝址与坝顶处的宽频带地震针214设置于同一横断面上，并按照坝顶地震针垂直向放置、坝址地震针水平向放置的原则进行设置，设置完成后将传输线路布设到引水坡坝面位置，预留出传输接口，以便与采集服务器212连接。

关于如何完成水位与降雨监测系统设置，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

当寒区水库大坝监测段填筑完成后，进行面板施工，同时在库水设计水位上方0.5m-1.5m处与面板同时施工浇筑基座，并在基座浇筑时设置立柱底座，在基座与面板修筑完成后将立柱固定在立柱底座上。然后在立柱上安装雷达水位计221、视频摄像头222、翻斗式雨量计223、第二太阳能板224、数据储存箱225，此处应注意雷达水位计221应与坝脚保持在一个垂直面上，以便于所发射的调频连续波(FMCW)能到达水面与坝脚基岩处，并反射到传感器中以此计算水位高度。

关于如何完成地震动强度记录仪设置，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

将采集服务器212、CDMA数据终端213固定在立柱上，GPS天线211连接在采集服务器212上，用于提供采集数据的时间记录，CDMA数据终端213与采集服务器212通过光纤传输线路连接，用于储存地震监测数据，并将CDMA数据终端213通过光纤光缆连接至远端的数据采集仪500，最终汇集储存到处理模块600。

关于如何完成三相测缝针布设，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

首先在面板与周边缝间及容易产生伸缩和剪切变形部位上布置测点，请参考图5，图5为本申请实施例提供的面板受力分析与内力分布简图，可以看出，当面板后存在法向冻胀力q且冻胀力不断增大时，会在C截面即冰盖下边缘库水面线位置处出现最大弯矩，混凝土面板上部受拉应力，下部受压应力，在拉力与弯矩共同作用下有可能被拉断。在A截面即当前面板与上块面板的接触面上剪力达到最大，A截面接缝处的填充材料可能会发生剪切破坏，这便是寒区水库大坝裂缝都分布在冬季冰盖或水面线附近的原因。故布置三向测缝计320的测点时，需要依据受力分析的结果，在易产生破坏的位置，如A截面与C截面处布置测点，并以一定的间隔，如0.5m-1.5m的间隔沿面板水平方向等距离布置，以便观察沿水平面方向发展的裂缝情况。

具体的，在每个测点上首先将上面板上的固定支座328用固定螺丝327进行固定，并按照实际情况通过调节螺丝323调节刚性拉杆位移计322的长度，然后通过固定螺丝327将下面板上的固定支座326固定在下部面板上，固定时需注意留出一定的宽度，设置范围为5cm-15cm，以免面板发生错缝位移时破坏三向测缝计320。

关于如何完成自动气象站设置，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

自动气象站在水库冻结期进行布置，在冰表面安装自动气象站，并在冰面钻孔进行冰温与水温监测温度链116的设置，冰温与水温监测温度链116根据实际需要分梯度设置，如考虑到冰层上表面温度变化较为明显，下部温度梯度变化较小,所以上部温度传感器布置较为密集，每5cm布置一个，下部每隔15cm布置一个，而水下传感器的间距则设为30cm。

关于如何完成冰下超声测距探头与超声校核探头布设，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

在冰面分别钻孔进行冰下超声测距探头121与超声校核探头122的布设，并用光纤传输线连接到数据收集箱130中进行初步处理记录。

关于如何完成数据收集与处理，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

通过汇聚节点和监测节点采集到的大坝运行的各项信息首先采集到各分系统的数据采集仪中，如冰盖监测系统中所监测到的库气温、太阳辐射、风速、风向、冰温和水温、冰层厚度与冰生长速率等采集到数据收集箱130中，环境监测系统中地震监测信息收集到CDMA数据终端，水位、降雨量等监测信息收集到数据储存箱225中，坝体一体化监测系统中坝体内部监测信息通过通信光缆313传输到多通道动态光纤光栅调节仪312中进行收集，面板裂缝信息通过定期读取进行收集。然后将上述收集到的监测信息通过实时传输至远端的数据采集仪500进行收集并进行预处理，最终汇集储存到处理模块600进行数据处理和多源信息融合计算。

请参考图6，图6为本申请实施例提供的监测系统的架构示意图。

同时，大坝安全监测系统包括冰盖监测系统、环境监测系统、坝体一体化监测系统，可以对寒区水库大坝进行专门化、实时化安全监控。本申请可通过气象监测、冰层监测实时获取冰层变化与气象信息；通过地震监测和降水与水位监测获取库区地震与水位降水信息；通过坝体内部监测与裂缝可视化检测获取面板裂缝情况、坝体变形情况、渗漏情况及坝体温度与应力变化情况，可直观完整的得到水库大坝运行的各项信息，为大坝安全管理与决策提供可靠的监测数据。

并且，本申请适用范围较广，可广泛应用于大坝工程、水利工程等相关领域。本申请提供的监测系统结构简单，装置安装简便，监测结果准确可靠且使用操作方便，可通过构建的实时感知和数据传输系统实时获取大坝安全监测信息，并通过汇聚节点和监测节点采集大坝运行的信号进行预处理和多源信息融合计算，使数据的采集和传输更加快速可靠。并根据大坝监测数据对大坝运行过程中的关键致灾因素与病害发生部位进行实时诊断，大大提升了大坝运行维护过程中的风险诊断与智能分析管理水平。

本申请实施例还提供了一种寒区水库大坝安全监测方法，可以但不限于应用于上文中的寒区水库大坝安全监测系统。具体地，请参考下文，寒区水库大坝安全监测方法包括：

监测模块100采集目标监测信息，并将目标监测信息传输给处理模块600，目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种。

处理模块600基于目标监测信息进行风险预警。

需要说明的是，本实施例所提供的寒区水库大坝安全监测方法，其可以执行上述系统实施例所示的功能用途，以实现对应的技术效果。为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述系统包括：处理模块和监测模块，所述处理模块和所述监测模块通信连接；

所述监测模块用于采集目标监测信息，并将所述目标监测信息传输给所述处理模块，所述目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；

所述处理模块用于基于所述目标监测信息进行风险预警。

2.如权利要求1所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述库区气象信息包括库区风向信息、库区风速信息、库区太阳辐射值、库区气温信息以及冰层与库水的温度信息；

所述监测模块包括风向监测仪、风速监测仪、辐射监测探头、气温监测探头及冰温与水温监测温度链；

所述风向监测仪用于监测实时的库区风向信息；

所述风速监测仪用于监测实时的库区风速信息；

所述辐射监测探头用于监测实时的库区太阳辐射值；

所述气温监测探头用于监测实时的库区气温信息；

所述冰温与水温监测温度链包括预设数量依次链接的温度传感器，用于测量冰层与库水的温度信息。

3.如权利要求2所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述库区气象信息还包括冰层厚度信息；

所述监测模块包括冰下超声测距仪、冰下超声测距探头和超声校核探头，所述冰下超声测距仪设置于冰上，所述冰下超声测距探头和所述超声校核探头均设置于冰下，所述冰下超声测距探头和所述超声校核探头与所述冰下超声测距仪通过光缆连接；

所述冰下超声测距探头和所述超声校核探头监测实时的冰层厚度信息，并通过所述冰下超声测距仪实现探头布设深度调节、监测信息校正与监测数据记录。

4.如权利要求3所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述监测模块还包括第一太阳能板和数据收集箱，所述第一太阳能板分别与所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链以及所述冰下超声测距仪连接，所述数据收集箱分别与所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链以及所述冰下超声测距仪连接；

所述第一太阳能板用于给所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链以及所述冰下超声测距仪进行供能；

所述数据收集箱用于收集所述风向监测仪、所述风速监测仪、所述辐射监测探头、所述气温监测探头、所述冰温与水温监测温度链、所述冰下超声测距仪所采集到的信息，并将采集到的信息传输给所述处理模块。

5.如权利要求1所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述库区地震信息包括地震监测数据；

所述监测模块包括GPS天线、采集服务器、CDMA数据终端以及宽频带地震针，所述采集服务器分别与所述GPS天线、所述CDMA数据终端以及所述宽频带地震针通信连接，所述采集服务器还与所述处理模块通信连接，所述宽频带地震针设置于库区大坝的坝址和坝顶；

所述宽频带地震针用于采集坝体运动参量，并将采集到的坝体运动参量传输给所述采集服务器；

所述GPS天线用于给所述采集服务器提供时间戳信息；

所述采集服务器用于给获取到的坝体运动参量添加对应的时间戳信息以生成所述地震监测数据，并将所述地震监测数据传输给所述处理模块和所述CDMA数据终端；

所述CDMA数据终端用于对所述地震监测数据进行本地存储。

6.如权利要求1所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述库区水位信息还包括水位高度信息、雨量信息以及水文信息；

所述监测模块包括雷达水位计、视频摄像头以及翻斗式雨量计，所述雷达水位计设置于第一铅锤面或超出第一铅锤面，所述第一铅锤面为迎水面坝脚在的铅锤面；

所述雷达水位计用于发射调频连续波进行测量，以获取水位高度信息；

所述视频摄像头用于采集库区的湖面图像，所述湖面图像包括所述水文信息；

所述翻斗式雨量计用于监测库区的雨量信息。

7.如权利要求6所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述监测模块还包括第二太阳能板和数据储存箱，所述第二太阳能板分别与所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计连接，所述数据储存箱分别与所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计连接；

所述第二太阳能板用于给所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计进行供能；

所述数据储存箱用于收集存储所述雷达水位计、所述视频摄像头以及所述翻斗式雨量计所采集到的数据，并将收集到的数据传输给所述处理模块。

8.如权利要求1所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述坝体信息包括传感器数据，所述监测模块包括分布式光纤网络，所述分布式光纤网络包括光纤光栅调节仪、通信光缆以及预设数量的光纤传感阵列，其中，所述光纤传感阵列包括位移传感器、温度传感器、渗压传感器以及应力传感器，所述光纤传感阵列埋设于坝体内，所述光纤传感阵列通过所述通信光缆连接于所述光纤光栅调节仪；

所述光纤传感阵列用于采集相应的参数数据，并通过所述通信光缆将采集到的参数数据传输给所述光纤光栅调节仪；

所述光纤光栅调节仪用于解调所述光纤传感阵列中各个传感器的波长漂移量，并计算相应的外部参数值作为最终的传感器数据。

9.如权利要求1所述的寒区水库大坝安全监测系统，其特征在于，所述坝体信息还包括坝体裂缝信息，所述监测模块还包括三向测缝计，所述三向测缝计包括万向节、3支刚性拉杆位移计、调节螺丝、带万向节的角度块、位移计支座、下面板上的固定支座、固定螺丝、上面板上的固定支座、以及三角支架；

所述刚性拉杆位移计通过所述万向节连接在所述三角支架上，所述万向节转动设置，所述三角支架固定在所述上面板上的固定支座上，所述上面板上的固定支座用所述固定螺丝固定在面板周边缝上方的面板上，所述刚性拉杆位移计另一端即具有调节螺丝的一端通过所述带万向节的角度块固定在所述位移计支座上，所述调节螺丝调节刚性拉杆位移计的长度，所述位移计支座固定在下面板上的固定支座上，下面板上的固定支座通过固定螺丝固定在下部面板上。

10.一种寒区水库大坝安全监测方法，其特征在于，应用于权利要求1-9中任意一项所述的寒区水库大坝安全监测系统，所述方法包括：

所述监测模块采集目标监测信息，并将所述目标监测信息传输给所述处理模块，所述目标监测信息包括库区气象信息、库区水位信息、库区地震信息以及坝体信息中的任意一种或多种；

所述处理模块基于所述目标监测信息进行风险预警。

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