CN116754135A - 一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统与方法，所述方法包括在在坝体中心横断面顶部位置沿垂向布设信号发射缆线，坝体左右坝肩内部垂向布设信号接收缆线；对采集的信号进行信号反演，获取监测断面的电性参数可视化图谱；基于电性参数可视化图谱定性识别监测断面渗漏浸润区域，并获取监测断面渗漏浸润区域形态特征点坐标，计算监测断面渗漏浸润区域面积和监测断面渗漏预警指数，结合电性参数可视化图谱定性识别结果对坝体渗漏风险进行分级预警。本发明实现了薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变的实时监测与预警，可有效避免由于薄心墙堆石坝渗漏检测不及时而导致的大坝安全事故问题，以此为薄心墙堆石坝的安全稳定运行提供技术保障。

Description

一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统与方法

技术领域

本发明涉及薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警相关领域，具体为一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统与方法。

背景技术

目前，针对薄心墙堆石坝(混凝土心墙堆石坝和沥青心墙堆石坝)坝体的渗漏病灶探测仍主要处于被动阶段，即当坝体出现明显渗漏病险(坝坡出溢、局部塌陷等)后采取相关物探手段进行查探修复，此时渗漏病险已形成一定规模，不仅会对大坝安全运行产生较大影响，其后期除险修复成本也将大幅增加。此外，传统的主动渗漏监测手段(如渗压计、测压管监测等)也均存在监测时效性差、监测范围小及设备后续可修复性差等缺点。因此，如何对渗漏病灶演变初期进行及时和有效识别是当前亟待解决的一个重点问题。

发明内容

为了对薄心墙堆石坝坝体渗漏病险的初期形成进行有效识别，并实现薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变的实时主动监测与预警，本发明提出了一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统与方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警方法，包括：

在大坝上游迎水面处布设水位监测装置，坝体中心横断面顶部位置沿垂向布设信号发射缆线，坝体左右坝肩内部垂向布设信号接收缆线；所述信号发射缆线为布设有若干发射电磁波/电流信号源的缆线，电磁波信号频率固定/电流信号电压固定；所述信号接收缆线为安装有信号接收探头的缆线；

对采集的信号进行信号反演，获取监测断面的电性参数可视化图谱；

基于电性参数可视化图谱定性识别监测断面渗漏浸润区域，并获取监测断面渗漏浸润区域形态特征点坐标，计算监测断面渗漏浸润区域面积；

以监测断面所有渗漏浸润区域总面积与坝体监测断面总面积的比值作为监测断面渗漏预警指数，结合电性参数可视化图谱定性识别结果对坝体渗漏风险进行分级预警。

作为一种优选的实施方式，根据监测对象水位高度变化调整水位监测装置的监测频率。

作为一种优选的实施方式，所述信号发射缆线的布设方式为：

对于已建大坝，通过钻孔方式布设信号发射缆线；对于在建大坝，通过预埋方式布设，缆线上等间距布设信号发射源，缆线具体布设深度根据实际工程监测断面最大深度确定。

作为一种优选的实施方式，所述信号发射缆线沿坝体中心横断面垂向布设在薄心墙后方处，布设位置与薄心墙水平距离不超过1.5m。该布设位置可最大程度上实现发射信号对坝体的均匀化覆盖，保证坝体两端信号接受单元的信号接受强度对等，统一监测精度。

作为一种优选的实施方式，所述信号发射缆线上相邻信号发射源间距不超过2.0m。

作为一种优选的实施方式，所述电性参数为电阻率或视电阻率。

作为一种优选的实施方式，信号接收缆线布设深度及缆线上接收探头布设间距均与信号发射缆线相同，且信号发射缆线与信号接收缆线空间分布处于同一纵断面。

作为一种优选的实施方式，所述监测断面渗漏浸润区域形态特征点的获取包括：

以过监测断面最深点的水平线为横轴，以监测断面最左侧竖向为纵轴，建立直角坐标系，对一个渗漏浸润区域的各特征点进行坐标标定，包括区域中心点、上顶点和右侧顶点；

以上顶点到区域中心点的距离和右侧顶点到区域中心点分别作为椭圆的长/短、短/长轴计算椭圆面积，以椭圆面积作为该渗漏浸润区域的面积。

作为一种优选的实施方式，所述坝体监测断面总面积为监测断面轮廓线与坝顶线形成的封闭区域的面积。

作为一种优选的实施方式，结合定性识别结和监测断面渗漏预警指数进行分级预警的方式为：

监测图谱整体平稳，无明显突变特征点出现且∈＝0，无预警；

监测图谱出现呈现闭合“烟圈”形态的低阻区且0<∈≤e，三级预警；

监测图谱出现呈现闭合“烟圈”形态的低阻区且e<∈≤f，二级预警；

监测图谱出现呈现闭合“烟圈”形态的低阻区且∈>f，一级预警；

其中∈为监测断面渗漏预警指数，e、f为根据实际工程确定的参数。

本发明的另一目的在于提供一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统，包括：

水位监测装置，布设于大坝上游迎水面处；

若干组信号发射缆线，信号发射缆线为布设有若干发射电磁波/电流信号源的缆线，沿垂向布设于坝体中心横断面顶部位置；电磁波信号频率固定/电流信号电压固定；

若干组信号接收缆线，信号接收缆线为安装有若干信号接收探头的缆线，沿垂向布设于坝体左右坝肩内部；

信号存储与传输装置，获取并存储信号接收探头采集的信号，并发送至信号反演单元；

服务器，包括信号反演单元、渗漏浸润区域识别单元、分级预警单元；

所述信号反演单元对采集的信号进行信号反演，获取监测断面的电性参数可视化图谱；

所述渗漏浸润区域识别单元基于电性参数可视化图谱定性识别监测断面渗漏浸润区域，并获取监测断面渗漏浸润区域形态特征点坐标，计算监测断面渗漏浸润区域面积；

所述分级预警单元以监测断面所有渗漏浸润区域总面积与坝体监测断面总面积的比值作为监测断面渗漏预警指数，结合电性参数可视化图谱定性识别结果对坝体渗漏风险进行分级预警。

本发明通过搭建集大坝库水位动态监测、固定场源信号发射、探测数据采集与传输、数据反演与分析和渗漏病灶演变预警于一体的高度自动化平台，针对渗漏病险的初期形成进行有效识别，实现了薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变的实时监测与预警，可有效避免由于薄心墙堆石坝渗漏检测不及时而导致的大坝安全事故问题，以此为薄心墙堆石坝的安全稳定运行提供技术保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1是同组固定场源发射缆线与数据探测接收缆线布设示意图。

图2是数据反演单元数据反演流程图。

图3是监测断面具体信息标定示意图(以圆心至上顶点距离为长半轴、圆心至右侧顶点距离为短半轴的椭圆形渗漏标识为例)。

图4是本发明装置结构示意图。

图中，1、下游坝体；2、心墙；3、上游坝体；4、信号接收装置；41、信号接收缆线；42、信号接收探头；43、信号存储与传输装置；5、信号发射装置；51、信号发射缆线；52、信号发射源；6、水位监测装置；7、信号反演单元；8、渗漏浸润区域识别单元；9、分级预警单元。

具体实施方式

实施例1

本实施例具体说明本发明方法流程，包括：

(1)在大坝上游迎水面布设水位监测装置，实现大坝库水位高程数据随时间变化的连续动态监测与传输，其实测水位信息用于控制整体监测系统的监测频率。

水位监测装置优选采用将水位测量、存储和无线传输三大单元有机结合为一体的无线远传水位监测计，实现大坝库水位高程数据随时间变化的连续动态监测与传输，其实测水位信息用于控制整体监测系统的监测频率。

系统监测频率根据库水位动态监测数据的变化而变化，当库水位高度小于正常蓄水位时，设备监测频率为每3天1次；当库水位高度位于设计洪水位与正常蓄水位之间时，监测频率为每1天1次；当库水位高度超过设计洪水位时，监测频率为每1天2次；

监测频率除遵循上述设定以外，也可执行人工采集和分析指令，具体视实际工程需求而定。

(2)根据工程现场实际勘察情况，在坝体中心横断面顶部位置沿垂向布设一组信号发射缆线，缆线上以相同间距布设信号发射源，信号发射源可向坝体发射固定频率的电磁波信号或固定电压的电流信号；

优选的，可沿坝体中心横断面位于薄心墙后方处沿垂向布设一组信号发射缆线，该布设位置与薄心墙水平距离不超过1.5m，具体取值根据工程现场监测要求选定。

信号发射缆线的布置方式为：对于已建大坝通过钻孔方式布设，对于在建大坝可通过预埋方式布设，缆线上以相同间距布设信号发射源，缆源缆线具体布设深度根据实际工程监测断面最大深度选定。

优选的，信号发射缆线上以0.5m为布设间距布设信号发射源预接接口，可根据工程现场监测精度要求实现信号发射源安装间距的动态调整，但为保证监测精度不小于最低限制，相邻信号发射源安装间距不超过2.0m。

信号发射源发射功率根据监测所需覆盖范围选定，需实现发射信号对监测断面纵向区域范围的全覆盖，且需对信号发射干扰大的区域进行合理规避。

(3)将安装有电磁波信号/电流信号接收探头的信号接收缆线沿垂向布设于坝体左右坝肩内部，用于探测同组固定场源发射的电磁波信号及回波信号/固定场源电流信号。

优选的，信号接收缆线布设深度及缆线上接收探头布设间距均与信号发射缆线相同(如图1)，且信号发射缆线与信号接收缆线空间分布处于同一纵断面，以此实现该纵断面的实时监测。

(4)对采集的电磁波信号数据(或电流信号数据)进行反演计算，将所监测断面磁场、电场等实测信息转化为直观的电性参数(电阻率、视电阻率等)可视化图谱；

(5)基于电性参数可视化图谱，完成坝体渗漏异常区域的定性分析与判定，并提取该区域相关特征点数据进行监测断面渗漏预警指数的量化计算；

坝体渗漏异常区域定性分析与判定方法具体为：

基于坝体监测断面电性参数(电阻率、视电阻率等)可视化图谱，识别监测断面渗漏浸润区域，受重力或其他因素影响，实际场景下渗漏浸润区域通常呈椭圆形态或近似椭圆形态，因此单一渗漏浸润区域以区域中心点为圆心、圆心至上顶点距离为长半轴(或短半轴)、圆心至右侧顶点距离为短半轴(或长半轴)的椭圆形标识；

以过监测断面最深点水平向为x轴，以监测断面最左侧竖向为y轴，建立直角坐标系，对监测断面渗漏浸润区域各特征点进行坐标标定，区域中心点记为C_j(x,y)(下标j为渗漏浸润区域序号，j＝1，2，…，按测线从左到右依次排序)，上顶点记为A_j，右侧顶点记为B_j，浸润区域面积记为S_j，坝体监测断面总面积(监测断面轮廓线与坝顶线形成的封闭区域)记为S_A，监测断面具体信息标定如图3；

监测断面渗漏预警指数量化计算方法具体为：

定义为渗漏浸润总面积与坝体监测断面总面积的比值为监测断面渗漏预警指数∈，其计算公式为：

(2)式代入(1)式得：

式中：分别为第j个椭圆形标识渗漏浸润区域的长半轴与短半轴，坝体监测断面总面积S_A根据工程实际情况进行核算确定。

(6)根据预警准则进行预警等级判定，并获取渗漏异常区域各特征点坐标数据，向大坝运营管理中心发送渗漏病灶演变预警信息。

预警准则根据定性和定量双指标制定，通过所标识的渗漏浸润区域特征进行预警指数的定性判定，通过监测断面渗漏预警指数进行预警等级的定量判定，具体如下表1：

表1预警准则

实施例2

本实施例说明本发明系统结构。

如图4所示，所述系统结构包括水位监测装置6、信号发射装置5、信号接收装置4、信号存储与传输装置43和服务器：

水位监测装置6布设于大坝上游迎水面处，用于根据水位控制检测频率。可采用将水位测量、存储和无线传输三大单元有机结合为一体的WXS无线远传水位监测仪(内嵌5G、NB-lot、LoRa模块)，能够实时监测与传输大坝库水位高程数据，其实测水位信息用于控制整体监测系统的监测频率。

信号发射装置5包括若干组信号发射缆线51和信号发射源52，信号发射缆线51为垂向布设若干信号发射源52的缆线，信号发射缆线51沿垂向布设于坝体中心横断面顶部位置；信号发射源52发射电磁波/电流信号，电磁波信号频率固定/电流信号电压固定。

信号接收装置4包括若干组信号接收缆线41和信号接收探头42，信号接收缆线41为安装有信号接收探头的缆线，沿垂向布设于坝体左右坝肩内部；

信号存储与传输装置43获取并存储信号接收探头42采集的信号，并发送至信号反演单元7。

服务器包括信号反演单元7、渗漏浸润区域识别单元8和分级预警单元9；信号反演单元7对采集的信号进行信号反演，获取监测断面的电性参数可视化图谱；渗漏浸润区域识别单元8基于电性参数可视化图谱定性识别监测断面渗漏浸润区域，并获取监测断面渗漏浸润区域形态特征点坐标，计算监测断面渗漏浸润区域面积；分级预警单元9以监测断面所有渗漏浸润区域总面积与坝体监测断面总面积的比值作为监测断面渗漏预警指数，结合电性参数可视化图谱定性识别结果对坝体渗漏风险进行分级预警。

Claims (10)

1.一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警方法，其特征在于，包括：

在大坝上游迎水面处布设水位监测装置，坝体中心横断面顶部位置沿垂向布设信号发射缆线，坝体左右坝肩内部垂向布设信号接收缆线；所述信号发射缆线为布设有若干发射电磁波/电流信号源的缆线，电磁波信号频率固定/电流信号电压固定；所述信号接收缆线为安装有信号接收探头的缆线；

对采集的信号进行信号反演，获取监测断面的电性参数可视化图谱；

基于电性参数可视化图谱定性识别监测断面渗漏浸润区域，并获取监测断面渗漏浸润区域形态特征点坐标，计算监测断面渗漏浸润区域面积；

以监测断面所有渗漏浸润区域总面积与坝体监测断面总面积的比值作为监测断面渗漏预警指数，结合电性参数可视化图谱定性识别结果对坝体渗漏风险进行分级预警。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据监测对象水位高度变化调整水位监测装置的监测频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号发射缆线的布设方式为：

对于已建大坝，通过钻孔方式布设信号发射缆线；对于在建大坝，通过预埋方式布设，缆线上等间距布设信号发射源，缆线具体布设深度根据实际工程监测断面最大深度确定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号发射缆线沿坝体中心横断面垂向布设在薄心墙后方处，布设位置与薄心墙水平距离不超过1.5m。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号发射缆线上相邻信号发射源间距不超过2.0m。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电性参数为电阻率或视电阻率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，信号接收缆线布设深度及缆线上接收探头布设间距均与信号发射缆线相同，且信号发射缆线与信号接收缆线空间分布处于同一纵断面。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监测断面渗漏浸润区域形态特征点的获取包括：

以过监测断面最深点的水平线为横轴，以监测断面最左侧竖向为纵轴，建立直角坐标系，对一个渗漏浸润区域的各特征点进行坐标标定，包括区域中心点、上顶点和右侧顶点；

以上顶点到区域中心点的距离和右侧顶点到区域中心点分别作为椭圆的长/短、短/长轴计算椭圆面积，以椭圆面积作为该渗漏浸润区域的面积。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合定性识别结和监测断面渗漏预警指数进行分级预警的方式为：

监测图谱整体平稳，无明显突变特征点出现且∈＝0，无预警；

监测图谱出现呈现闭合“烟圈”形态的低阻区且0<∈≤e，三级预警；

监测图谱出现呈现闭合“烟圈”形态的低阻区且e<∈≤f，二级预警；

监测图谱出现呈现闭合“烟圈”形态的低阻区且∈>f，一级预警；

其中∈为监测断面渗漏预警指数，e、f为根据实际工程确定的参数。

10.一种薄心墙堆石坝坝体渗漏病灶演变监测预警系统，其特征在于，包括：

水位监测装置，布设于大坝上游迎水面处；

若干组信号发射缆线，信号发射缆线为布设有若干发射电磁波/电流信号源的缆线，沿垂向布设于坝体中心横断面顶部位置；电磁波信号频率固定/电流信号电压固定；

若干组信号接收缆线，信号接收缆线为安装有若干信号接收探头的缆线，沿垂向布设于坝体左右坝肩内部；

信号存储与传输装置，获取并存储信号接收探头采集的信号，并发送至信号反演单元；

服务器，包括信号反演单元、渗漏浸润区域识别单元、分级预警单元；

所述信号反演单元对采集的信号进行信号反演，获取监测断面的电性参数可视化图谱；

所述渗漏浸润区域识别单元基于电性参数可视化图谱定性识别监测断面渗漏浸润区域，并获取监测断面渗漏浸润区域形态特征点坐标，计算监测断面渗漏浸润区域面积；

所述分级预警单元以监测断面所有渗漏浸润区域总面积与坝体监测断面总面积的比值作为监测断面渗漏预警指数，结合电性参数可视化图谱定性识别结果对坝体渗漏风险进行分级预警。