CN116086544B - 一种大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置 - Google Patents
一种大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的大坝坝面多物理量一体化监测装置,由土压力传感器、渗压计、钢板底座、渗压计套管、锚固螺栓等组成,可采集上游坝面任意位置的总压力和淤沙压力,通过合理布设测点并进行线性差值,获得大坝上游面的总压应力、淤沙压应力、库水温度沿水深的分布规律并分析得到坝前的泥沙淤积厚度、浑水容重、来水含沙量等参数;本发明为上游坝面荷载实时监测提供了一种安全、智能可靠的装置及方法,为大坝结构安全监测及仿真提供真实可靠的依据,为大坝的整体稳定性提供技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域,尤其涉及一种大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置。
背景技术
作用于上游坝面的水压力、淤沙压力是拱坝、重力坝、土石坝等坝型设计与计算分析时必须考虑的荷载,上游库水温是计算大坝温度荷载的重要边界条件。因此,准确确定上游表面的水压力、淤沙压力以及库水温的分布规律及大小对分析和掌握大坝性态至关重要。
对于上游水压荷载,通常取水容重为1000kg/m3,按三角形分布施加于上游坝面,这对于低含沙河流是适用的,但是对于高含沙河流,水库蓄水后库水混掺着大量泥沙,浑水容重大于水容重,浑水容重的大小以及浑水压力的分布尚无有效监测手段,无法准确确定,只能考虑不利情况取最大值。对于淤沙压力,一般按照《水工建筑物荷载设计规范》中的公式计算得到,计算需要泥沙淤积厚度、淤沙的孔隙率、淤沙的浮容重与干容重以及淤沙的内摩擦角等参数。其中,泥沙淤积厚度可通过物理模型试验、数学模型计算以及监测获取,但存在一些假定,精度较低;淤沙的孔隙率、容重以及内摩擦角等参数一般参照类似工程的实测资料或通过试验确定,这与实际情况仍有较大差距。
目前,大坝上游面水压力、淤沙压力的大小与分布无法通过试验及数学模型计算准确确定,同时缺乏有效的监测手段,难以为大坝的安全状态分析提供数据支撑。
因此,本领域的技术人员致力于开发一种大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置,可实时监测获取大坝表面承受的总压力、水压力、淤沙压力、库水温度沿水深的分布规律,并可分析得到坝前的淤沙高程、浑水容重、来水含沙量、库水温等参数,以解决上述现有技术的不足。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是目前现有公开的技术无法通过试验及数学模型计算准确确定大坝上游面水压力、淤沙压力的大小与分布,同时缺乏有效的监测手段,难以为大坝的安全状态分析提供数据支撑的缺陷问题。
为实现上述目的,本发明第一方面提供了一种大坝坝面多物理量一体化监测装置,包括多个监测单元;
进一步地,所述监测单元包括土压力传感器、渗压计、钢板底座、渗压计套管、锚固螺栓;所述土压力传感器通过螺栓锚固在钢板底座顶部;所述渗压计套管底部与钢板底座顶部固定连接;所述渗压计安装于渗压计套管内部,且渗压计和渗压计套管之间的周围孔隙填充有透水性较好的砂土;所述渗压计中线平行于套管中线;所述钢板底座的四个角上包括四个膨胀螺栓预留孔;
进一步地,所述固定连接为焊接、一体成型;
进一步地,所述钢板底座为矩形;
在本发明具体实施方式中,所述固定连接为一体成型;
在本发明具体实施方式中,所述钢板底座为正方形;
在本发明具体实施方式中,所述钢板底座边长为150mm;
在本发明具体实施方式中,所述套管直径为40mm,高度为150mm;
本发明第二方面提供了一种大坝坝面多物理量一体化监测方法,
具体包括以下步骤:
步骤1、沿坝面按一定的间隔布置测点,每个测点上安装一个监测单元;当坝面无保温被时,监测单元直接安装在坝面上;当坝面有保温被时,需要将监测单元布置在保温被之外,并用钢筋架将该测点的仪器固定;
步骤2、将渗压计平行于套管方向放入,即渗压计中线平行于套管中线,并在周围孔隙填充透水性较好的砂土,引出采集线后,用麻袋包裹测压管同时用钢丝绳扎紧;
步骤3、根据河流水文泥沙特性和枢纽布置情况,通过数学模型并结合类似工程的实测资料预估泥沙淤积厚度和高程,预估淤沙高程±10m内监测单元的布设间距不大于2m,淤沙高程以下监测装置沿高程方向的布设间距应不大于5m,淤沙高程以上监测单元沿高程方向的布设间距应不大于10m,坝基砂土回填区域沿高程均匀布设不少于1个监测单元;
将监测单元从坝底到坝顶编号分别为1,2,…,n,同时记录n号监测单元距离坝底的高度hn;
步骤4、根据土压力传感器监测到的坝面所承受的总压力σzn和渗压计监测到的坝面所承受的水压力σwn,通过理论计算分析得到坝前的淤沙压力、淤沙高程、浑水容重、来水含沙量等参数;
具体包括以下步骤:
步骤4-1、计算监测单元的土压力传感器采集到的坝面所承受的总压力σzn,公式为:
式中,
kv为流速影响因子,除孔口区域坝前流速较低通常可取1.0-1.2;
H为坝前水位;
Hn为n号一体化监测装置的高程;
Hs为淤沙高程;
ha为水位到淤沙顶的高度;
γan为n号一体化监测装置高程以上浑水容重;
γa为上游浑水总容重;
γsat为淤沙饱和容重;
步骤4-2、取n个监测单元的土压力传感器采集结果并线性插值,得到在淤沙的情况下,大坝上游表面的压应力分布;
步骤4-3、计算监测单元的渗压计采集到的坝面所承受的水压力σwn;计算公式为:
σwn=γw(H-Hn) (2)
式中,
γw为水的容重;
步骤4-4、计算坝面所承受的淤沙压力σsn,
式中,
γs′为淤沙的浮容重;
步骤4-5、取n个监测单元的土压力传感器和渗压计采集结果并线性插值,得到大坝上游表面所承受的淤沙压力分布;
步骤4-6、基于大坝表面总压力σzn和淤沙压力σsn分布图在淤沙高程处的明显拐点,求得淤沙高程Hs;
另外地,也可依据公式(3)求解淤沙高程Hs,具体求解步骤包括:
步骤4-6-1、当H-Hn>ha时,监测单元被埋于淤沙,故
σsn=(kvγa-γw)(H-Hs)+γs′(Hs-Hn);
式中,
γs′为淤沙的浮容重,可通过现场实测得到;
H为实测水位;
Hs为淤沙高程;
所述步骤4-6-1中,使用公式(3)求解淤沙高程Hs时,为获得更精确的计算结果,γs′更加精确,在初始监测时刻,实测淤沙高程Hs,由公式(1~3)直接得到γsat、γs′、γan随高程的分布和γa,取γs′随高程的均值作为计算值;由初始时刻计算求得的γa和γs′作为初始值;
步骤4-6-2、采用下一时刻坝基回填区埋设的两个压力监测装置,带入γa和γs′初始值和H至公式(3),求解得到淤沙高程Hs;
步骤4-6-3、步骤4-6-2求解得到Hs值后,将同一时刻已知的Hs高程下的所有淤沙压力σsn实测值和Hn带入步骤4-6-1所述的公式中,采用最小二乘法求解此时的超定方程组,得到γa和Hs的最优解;
步骤4-6-4、计算所述步骤4-6-2和步骤4-6-3两次求解γa和Hs的相对误差,若误差值小于5%,且Hs和淤沙压力σsn分布图拐点值的相对误差值小于5%,则取均值作为γa和Hs的真实值;若误差值大于5%,此时仅取淤沙压应力σsn分布图拐点值作为淤沙高程Hs;
步骤4-6-5、当由步骤4-6-4确定了淤沙高程后Hs,重复步骤4-6-1,得到新的γa和γs′值作为下一时刻淤沙高程求解的初始值;
步骤4-7、淤沙高程Hs确定后,由监测单元的实测值即为可求得上游来水含沙量Sn,其计算公式为:
式中,
ρs为完全密实状态下的沙密度;
ρw为水密度;
步骤4-8、基于淤沙高程Hs以上的不同监测单元监测值,采用公式(4)(5)同时采用线性差值,求得不同时刻的上游坝面的含砂量分布;
步骤4-9、基于监测单元在不同高程的布设,通过渗压计可获得大坝上游表面水温随大坝高程的分布规律;所述渗压计兼具测水压和温度的功能;
步骤4-10、基于监测单元测得结果,即可求得单位长度上游坝面所受的淤沙总压力值,计算公式为:
式中,
φs为淤沙的内摩擦角,淤沙总压力在大坝进行大坝表面荷载理论分析计算时,可认为作用于距坝基1/3淤沙高程的部位;
采用以上方案,本发明公开的大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置,具有以下优点:
本发明的大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置,可以采集上游坝面任意位置的总压力和淤沙压力,通过合理布设测点并进行线性差值,获得大坝上游面的总压应力、淤沙压应力、库水温度沿水深的分布规律并分析得到坝前的泥沙淤积厚度、浑水容重、来水含沙量等参数;本发明为上游坝面荷载实时监测提供了一种安全、智能可靠的方法,为大坝结构安全监测及仿真提供真实可靠的依据,为大坝的整体稳定性提供技术保障。
以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一种大坝坝面多物理量一体化监测装置的监测单元示意图;
图2是本发明一种大坝坝面多物理量一体化监测装置坝面埋设方式示意图;
图3是本发明大坝上游表面所受总压力分布图;
图4是本发明大坝上游表面淤沙压力分布图;
图5是本发明实施例1的大坝表面总压力分布图;
图6是本发明实施例1的淤沙压力分布图;
图1中,1、渗压计;2、渗压计套管;3、膨胀螺栓预留孔;4、钢板底座;5、土压力传感器;
图2中,
a为本发明一种大坝坝面多物理量一体化监测装置坝面埋设垂直截面示意图;
b为坝面有保温被时本发明的一体化监测装置埋设示意图;
c为坝面无保温被时本发明的一体化监测装置埋设示意图;
图2中,01、信号线;02、测点;03、保温被;04、观测仪器;05、钢筋架;
具体实施方式
以下介绍本发明的多个优选实施例,使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现,这些实施例为示例性描述,本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示,本发明的一种大坝坝面多物理量一体化监测装置,包括6个监测单元;
所述监测单元包括土压力传感器5、渗压计1、钢板底座4、渗压计套管2、锚固螺栓;所述土压力传感器5通过螺栓锚固在钢板底座4顶部;所述渗压计套管2底部与钢板底座4顶部一体成型;所述渗压计1安装于渗压计套管2内部,且渗压计1和渗压计套管2之间的周围孔隙填充有透水性较好的砂土;所述渗压计1中线平行于套管中线;所述钢板底座4的四个角上包括四个膨胀螺栓预留孔3;
所述钢板底座4为正方形;
所述钢板底座4边长为150mm;
所述套管直径为40mm,高度为150mm;
实施例1、一种大坝坝面多物理量一体化监测方法及装置
步骤1、如图2a所示,沿坝面按一定的间隔布置测点,每个测点上安装一个监测单元;如图2c所示,当坝面无保温被时,监测单元直接安装在坝面上;如图2b所示,当坝面有保温被时,需要将监测单元布置在保温被之外,并用钢筋架将该测点的仪器固定;
步骤2、将渗压计平行于套管方向放入,即渗压计中线平行于套管中线,并在周围孔隙填充透水性较好的砂土,引出采集线后,用麻袋包裹测压管同时用钢丝绳扎紧;
步骤3、根据河流水文泥沙特性和枢纽布置情况,通过数学模型并结合类似工程的实测资料预估泥沙淤积厚度和高程,预估淤沙高程±10m内监测单元的布设间距不大于2m,淤沙高程以下监测装置沿高程方向的布设间距应不大于5m,淤沙高程以上监测单元沿高程方向的布设间距应不大于10m,坝基砂土回填区域沿高程均匀布设不少于2个监测单元;
将监测单元从坝底到坝顶编号分别为1,2,…,n,同时记录n号监测单元距离坝底的高度hn;
步骤4、根据土压力传感器监测到的坝面所承受的总压力σzn和渗压计监测到的坝面所承受的水压力σwn,通过理论计算分析得到坝前的淤沙压力、淤沙高程、浑水容重、来水含沙量等参数;
具体包括以下步骤:
步骤4-1、计算监测单元的土压力传感器采集到的坝面所承受的总压力σzn,公式为:
式中,
kv为流速影响因子,除孔口区域坝前流速较低通常可取1.0-1.2;
H为坝前水位;
Hn为n号一体化监测装置的高程;
Hs为淤沙高程;
ha为水位到淤沙顶的高度;
γan为n号一体化监测装置高程以上浑水容重;
γa为上游浑水总容重;
γsat为淤沙饱和容重;
步骤4-2、取n个监测单元的土压力传感器采集结果并线性插值,得到在淤沙的情况下,大坝上游表面的压应力分布;大坝上游表面所受总压力分布图如图3所示;
步骤4-3、计算监测单元的渗压计采集到的坝面所承受的水压力σwn;计算公式为:
σwn=γw(H-Hn) (2)
式中,
γw为水的容重;
步骤4-4、计算坝面所承受的淤沙压力σsn,
式中,
γs′为淤沙的浮容重;
步骤4-5、取n个监测单元的土压力传感器和渗压计采集结果并线性插值,得到大坝上游表面所承受的淤沙压力分布图如图4所示;
步骤4-6、基于大坝表面总压力σzn和淤沙压力σsn分布图在淤沙高程处的明显拐点,求得淤沙高程Hs;
另外地,也可依据公式(3)求解淤沙高程Hs,具体求解步骤包括:
步骤4-6-1、当H-Hn>ha时,监测单元被埋于淤沙,故
σsn=(kvγa-γw)(H-Hs)+γs′(Hs-Hn);
式中,
γs′为淤沙的浮容重,可通过现场实测得到;
H为实测水位;
Hs为淤沙高程;
所述步骤4-6-1中,使用公式(3)求解淤沙高程Hs时,为获得更精确的计算结果,γs′更加精确,在初始监测时刻,实测淤沙高程Hs,由公式(1~3)直接得到γsat、γs′、γan随高程的分布和γa,取γs′随高程的均值作为计算值;由初始时刻计算求得的γa和γs′作为初始值;
步骤4-6-2、采用下一时刻坝基回填区埋设的两个压力监测装置,带入γa和γs′初始值和H至公式(3),求解得到淤沙高程Hs;
步骤4-6-3、步骤4-6-2求解得到Hs值后,将同一时刻已知的Hs高程下的所有淤沙压力σsn实测值和Hn带入步骤4-6-1所述的公式中,采用最小二乘法求解此时的超定方程组,得到γa和Hs的最优解;
步骤4-6-4、计算所述步骤4-6-2和步骤4-6-3两次求解γa和Hs的相对误差,若误差值小于5%,且Hs和淤沙压力σsn分布图拐点值的相对误差值小于5%,则取均值作为γa和Hs的真实值;若误差值大于5%,此时仅取淤沙压应力σsn分布图拐点值作为淤沙高程Hs;
步骤4-6-5、当由步骤4-6-4确定了淤沙高程后Hs,重复步骤4-6-1,得到新的γa和γs′值作为下一时刻淤沙高程求解的初始值;
步骤4-7、淤沙高程Hs确定后,由监测单元的实测值即为可求得上游来水含沙量Sn,其计算公式为:
式中,
ρs为完全密实状态下的沙密度;
ρw为水密度;
步骤4-8、基于淤沙高程Hs以上的不同监测单元监测值,采用公式(4)(5)同时采用线性差值,求得不同时刻的上游坝面的含砂量分布;
步骤4-9、基于监测单元在不同高程的布设,通过渗压计可获得大坝上游表面水温随大坝高程的分布规律;所述渗压计兼具测水压和温度的功能;
步骤4-10、基于监测单元测得结果,即可求得单位长度上游坝面所受的淤沙总压力值,计算公式为:
式中,
φs为淤沙的内摩擦角,淤沙总压力在大坝进行大坝表面荷载理论分析计算时,可认为作用于距坝基1/3淤沙高程的部位;
结果:如图5、图6所示,实际使用当中,采用本发明的一种大坝坝面多物理量一体化监测装置,可获得大坝表面总压力、淤沙压力分布数据,实现智能监测;
综上所述,本专利技术方案,可以采集上游坝面任意位置的总压力和淤沙压力,通过合理布设测点并进行线性差值,获得大坝上游面的总压应力、淤沙压应力、库水温度沿水深的分布规律并分析得到坝前的泥沙淤积厚度、浑水容重、来水含沙量等参数;本发明为上游坝面荷载实时监测提供了一种安全、智能可靠的方法,为大坝结构安全监测及仿真提供真实可靠的依据,为大坝的整体稳定性提供技术保障。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种大坝坝面多物理量一体化监测方法,其特征在于,包括以下步骤,
步骤1、沿坝面按一定的间隔布置测点,每个测点上安装一个监测单元;当坝面无保温被时,监测单元直接安装在坝面上;当坝面有保温被时,需要将监测单元布置在保温被之外,并用钢筋架将该测点的仪器固定;
步骤2、将渗压计(1)平行于套管方向放入,即渗压计(1)中线平行于套管中线,并在周围孔隙填充透水性较好的砂土,引出采集线后,用麻袋包裹测压管同时用钢丝绳扎紧;
步骤3、根据河流水文泥沙特性和枢纽布置情况,通过数学模型并结合类似工程的实测资料预估泥沙淤积厚度和高程,预估淤沙高程±10m内监测单元的布设间距不大于2m,淤沙高程以下监测装置沿高程方向的布设间距应不大于5m,淤沙高程以上监测单元沿高程方向的布设间距应不大于10m,坝基砂土回填区域沿高程均匀布设不少于1个监测单元;
将监测单元从坝底到坝顶编号分别为1,2,…,n,同时记录n号监测单元距离坝底的高度hn;
步骤4、根据土压力传感器(5)监测到的坝面所承受的总压力σzn和渗压计(1)监测到的坝面所承受的水压力σwn,通过理论计算分析得到坝前多项参数,所述参数包括淤沙压力、淤沙高程、浑水容重、来水含沙量;
步骤4-1、计算监测单元的土压力传感器(5)采集到的坝面所承受的总压力σzn,公式为:
式中,
kv为流速影响因子;
H为坝前水位;
Hn为n号一体化监测装置的高程;
Hs为淤沙高程;
ha为水位到淤沙顶的高度;
γan为n号一体化监测装置高程以上浑水容重;
γa为上游浑水总容重;
γsat为淤沙饱和容重;
步骤4-2、取n个监测单元的土压力传感器(5)采集结果并线性插值,得到在淤沙的情况下,大坝上游表面的压应力分布;
步骤4-3、计算监测单元的渗压计(1)采集到的坝面所承受的水压力σwn;计算公式为:
σwn=γw(H-Hn) (2)
式中,γw为水的容重;
步骤4-4、计算坝面所承受的淤沙压力σsn,
式中,γs′为淤沙的浮容重;
步骤4-5、取n个监测单元的土压力传感器(5)和渗压计(1)采集结果并线性插值,得到大坝上游表面所承受的淤沙压力分布;
步骤4-6、基于大坝表面总压力σzn和淤沙压力σsn分布图在淤沙高程处的明显拐点,求得淤沙高程Hs;
步骤4-7、淤沙高程Hs确定后,由监测单元的实测值即为可求得上游来水含沙量Sn,其计算公式为:
式中,ρs为完全密实状态下的沙密度;ρw为水密度;
步骤4-8、基于淤沙高程Hs以上的不同监测单元监测值,采用公式(4)(5)同时采用线性差值,求得不同时刻的上游坝面的含砂量分布;
步骤4-9、基于监测单元在不同高程的布设,通过渗压计(1)可获得大坝上游表面水温随大坝高程的分布规律;所述渗压计(1)兼具测水压和温度的功能;
步骤4-10、基于监测单元测得结果,即可求得单位长度上游坝面所受的淤沙总压力值,计算公式为:
式中,φs为淤沙的内摩擦角,淤沙总压力在大坝进行大坝表面荷载理论分析计算时,认为作用于距坝基1/3淤沙高程的部位;
所述步骤4-6中,依据公式(3)求解淤沙高程Hs,具体求解步骤包括:
步骤4-6-1、当H-Hn>ha时,监测单元被埋于淤沙,故
σsn=(kvγa-γw)(H-Hs)+γ′s(Hs-Hn);
式中,γs′为淤沙的浮容重,可通过现场实测得到;H为实测水位;Hs为淤沙高程;
步骤4-6-1中,使用公式(3)求解淤沙高程Hs时,为获得更精确的计算结果,γs′更加精确,在初始监测时刻,实测淤沙高程Hs,由公式(1)-(3)直接得到γsat、γs′、γan随高程的分布和γa,取γs′随高程的均值作为计算值;由初始时刻计算求得的γa和γs′作为初始值;
步骤4-6-2、采用下一时刻坝基回填区埋设的两个压力监测装置,带入γa和γs′初始值和H至公式(3),求解得到淤沙高程Hs;
步骤4-6-3、步骤4-6-2求解得到Hs值后,将同一时刻已知的Hs高程下的所有淤沙压力σsn实测值和Hn带入步骤4-6-1所述的公式中,采用最小二乘法求解此时的超定方程组,得到γa和Hs的最优解;
步骤4-6-4、计算步骤4-6-2和步骤4-6-3两次求解γa和Hs的相对误差,若误差值小于5%,且Hs和淤沙压力σsn分布图拐点值的相对误差值小于5%,则取均值作为γa和Hs的真实值;若误差值大于5%,此时仅取淤沙压应力σsn分布图拐点值作为淤沙高程Hs;
步骤4-6-5、当由步骤4-6-4确定了淤沙高程后Hs,重复步骤4-6-1,得到新的γa和γs′值作为下一时刻淤沙高程求解的初始值。
2.如权利要求1所述大坝坝面多物理量一体化监测方法,其特征在于,
使用公式(3)求解淤沙高程Hs时,包括a、b两种方法;
方法a包括由现场实测获得γs′,γs′=γsat-γw;
方法b包括在初始时刻,实测淤沙高程Hs,即可由公式(1)-(3)直接得到γsat、γs′、γan随高程的分布,取γs′随高程的均值作为计算值。
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