CN117095081B - 谷幅变形监测范围确定方法及系统 - Google Patents

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CN117095081B CN202311311815.7A CN202311311815A CN117095081B CN 117095081 B CN117095081 B CN 117095081B CN 202311311815 A CN202311311815 A CN 202311311815A CN 117095081 B CN117095081 B CN 117095081B
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Abstract

本发明提供谷幅变形监测范围确定方法及系统，能够根据获取的坝址区图像和勘测数据科学合理地确定谷幅变形监测范围。方法包括：步骤1、获得坝址区图像和勘测数据；步骤2、建立坝址区模型；步骤3、获取渗流总水头分布场；步骤4、绘制典型总水头等值面；步骤5、在坝址区二维平面图上，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于等值面投影河床侧的边线的两个交点相连形成交点线段；分别从两个交点开始，搜索切点；分别过第一和第二切点绘制交点线段的平行线，与等值面对岸河床侧边线交点分别记作第一和第二对岸切点，进而得到第一和第二切点线段；第一切点线段所在位置为监测范围的上界限，第二切点线段所在位置为监测范围的下界限。

Description

谷幅变形监测范围确定方法及系统
技术领域
本发明属于图像数据处理领域，具体涉及谷幅变形监测范围确定方法及系统。
背景技术
高坝蓄水后，近坝山体出现向河床方向的变形现象称为谷幅变形。谷幅变形会挤压大坝，严重的会导致坝体开裂。谷幅变形监测是评价高拱坝结构性态安全的重要方法。谷幅变形的监测主要包括谷幅测线和在谷幅洞内布置石墨烯式杆式位移计监测。
但目前尚未形成谷幅监测系统布置的原则方法，主要体现在缺乏谷幅监测范围的划定模式。谷幅监测的范围过大，会导致监测成本的增加。监测范围过小，则不能全面的反馈谷幅变形的规律，进而影响大坝结构安全的合理预测和评价。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供谷幅变形监测范围确定方法及系统，能够根据获取的坝址区图像和勘测数据科学合理地确定谷幅变形监测范围。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供谷幅变形监测范围确定方法，包括以下步骤：
步骤1、获得坝址区图像数据和勘测数据；
步骤2、基于坝址区图像数据，建立包含地层、主要地质结构面和主要水工建筑物在内的坝址区模型；
步骤3、基于步骤1和2，对坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定坝模型仿真计算的边界水位和各岩层与地质结构面的渗透系数取值；然后，采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的渗流总水头分布场；
步骤4、根据渗流总水头分布场，绘制典型总水头等值面；
步骤5、根据坝址区模型和典型总水头等值面确定谷幅变形监测范围；具体包括如下子步骤：
步骤5-1，对坝址区模型和典型总水头等值面沿重力加速度方向进行投影得到显示有典型总水头等值面的坝址区二维平面图；
步骤5-2，在坝址区二维平面图上，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于典型总水头等值面投影河床侧边线的两个交点记为第一交点D和第二交点D’，将两个交点相连形成交点线段DD’；
步骤5-3，分别从两个交点D和D’开始，搜索切点：将位于典型总水头等值面投影河床侧的边线记为河床侧边线，以河床侧边线上位于每个交点的上游和下游的点作为待定切点，绘制河床侧边线的切线作为待定切线，直至待定切线与河流主方向的夹角小于阈值a，则将该待定切点作为确定切点，并记录该确定切点的位置，从而在上游两岸和下游两岸各得到2个确定切点；然后，在上游和下游的2个确定切点中各选出距离大坝更远的确定切点，分别记录为第一切点A和第二切点B；
步骤5-4，分别过第一切点A和第二切点B绘制交点线段DD’的平行线，与典型总水头等值面对岸河床侧边线的交点分别记作第一对岸切点A’和第二对岸切点B’，将切点和相应的对岸切点相连得到第一切点线段AA’和第二切点线段BB’；
步骤5-5，将第一切点线段AA’所在位置作为谷幅变形监测范围的上界限，将第二切点线段BB’所在位置作为谷幅变形监测范围的下界限。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，在步骤2的坝址区模型中，横河向长度至少取3倍坝宽，建议取值为3~5倍坝宽，即河床中线居坝址区模型中部，沿着两岸拱端向山体各延伸1~2倍坝宽；坝址区模型沿着上游方向延伸长度至少为2.5倍坝宽，建议取值为2.5~4倍坝宽；在二道坝后沿着下游方向延伸长度至少为1倍坝宽，建议取值为1~3倍坝宽；坝基面以下深度取1~2倍坝高。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，在步骤4中，典型总水头等值面为超过正常蓄水位10m~30m中任意量值的总水头等值面。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，在步骤5-3中，阈值a应不超过2°。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，在步骤5-3中，搜索顺序为：先搜索一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点；然后搜索另一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，还可以包括：步骤6，根据步骤5中确定的谷幅变形监测范围，生成谷幅监测仪器的布置方案。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，步骤6具体包括如下子步骤：
步骤6-1，将坝址区模型中第一切点线段AA’和交点线段DD’之间的区域记作第一区域S，将第二切点线段BB’和交点线段DD’之间的区域记作第二区域X；
步骤6-2，在第一区域S内布置至少3个谷幅观测断面，并且，第一切点线段AA’所在铅垂面、进水口边坡上游端和下游端各须布置1个谷幅观测断面；
步骤6-3，在第二区域X内布置至少3个谷幅观测断面，并且，紧邻两岸坝端、第二切点线段BB’所在铅锤面和第二区域X沿顺河向的中间剖面各须布置1个谷幅观测断面；将第二区域X沿顺流方向六等分，取第二个和第三个等分剖面位置的左右岸成对设置谷幅洞；
步骤6-4，根据工程地形分别在第一区域S内各谷幅观测断面的坝顶高程附近各布置1根谷幅测线；并且，对于第二区域X内每个谷幅观测断面，在坝顶高程和最低观测马道高程之间由上至下设置3~5组谷幅测线。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法，在步骤1中，获得反映坝址区地形、地层、主要地质结构面和主要水工建筑物空间布置情况的图像数据；并获得至少包含坝址区地质勘测中地下水位H、岩体密度ρ、岩体力学参数和渗透系数建议值Kt的勘测数据。
进一步，本发明还提供谷幅变形监测范围确定系统，包括：
实测数据获取部，获得坝址区图像数据和勘测数据；
模型建立部，基于坝址区图像数据，建立包含地层、主要地质结构面和主要水工建筑物在内的坝址区模型；
反演分析部，基于坝址区图像数据和勘测数据以及和坝址区模型，对坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定坝模型仿真计算的边界水位和各岩层与地质结构面的渗透系数取值；然后，采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的渗流总水头分布场；
等值面绘制部，根据渗流总水头分布场，绘制典型总水头等值面；
监测范围确定部，根据坝址区模型和典型总水头等值面确定谷幅变形监测范围；包括：二维平面图生成单元，对坝址区模型和典型总水头等值面沿重力加速度方向进行投影得到显示有典型总水头等值面的坝址区二维平面图；交点线段生成单元，在坝址区二维平面图上，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于典型总水头等值面投影河床侧的边线的两个交点记为第一交点D和第二交点D’，将两个交点相连形成交点线段DD’；切点搜索单元，分别从两个交点D和D’开始，搜索切点：将位于典型总水头等值面投影河床侧的边线记为河床侧边线，以河床侧边线上位于每个交点的上游和下游的点作为待定切点，绘制河床侧边线的切线作为待定切线，直至待定切线与河流主方向的夹角小于阈值a，则将该待定切点作为确定切点，并记录该确定切点的位置，从而在上游两岸和下游两岸各得到2个确定切点；然后，在上游和下游的2个确定切点中各选出距离大坝更远的确定切点，分别记录为第一切点A和第二切点B；切点线段生成单元，分别过第一切点A和第二切点B绘制交点线段DD’的平行线，与典型总水头等值面对岸河床侧边线的交点分别记作第一对岸切点A’和第二对岸切点B’，将切点和相应的对岸切点相连得到第一切点线段AA’和第二切点线段BB’；上下限确定单元，将第一切点线段AA’所在位置为谷幅变形监测范围的上界限，将第二切点线段BB’所在位置为谷幅变形监测范围的下界限；
控制部，与实测数据获取部、模型建立部、反演分析部、等值面绘制部、监测范围确定部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，还可以包括：布置方案生成部，与控制部通信相连，根据监测范围确定部中确定的谷幅变形监测范围，在坝址区图像或模型上生成谷幅监测仪器的二维或三维布置方案。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，布置方案生成部包括：
区域划分单元，将坝址区模型中第一切点线段AA’和交点线段DD’之间的区域记作第一区域S，将第二切点线段BB’和交点线段DD’之间的区域记作第二区域X；
第一区域布置单元，在第一区域S内布置至少3个谷幅观测断面，并且，第一切点线段AA’所在铅垂面、进水口边坡上游端和下游端各须布置1个谷幅观测断面；
第二区域布置单元，在第二区域X内布置至少3个谷幅观测断面，并且，紧邻两岸坝端、第二切点线段BB’所在铅锤面和第二区域X沿顺河向的中间剖面各须布置1个谷幅观测断面；将第二区域X沿顺流方向六等分，取第二个和第三个等分剖面位置的左右岸成对设置谷幅洞；
高程布置单元，根据工程地形分别在第一区域S内各谷幅观测断面的坝顶高程附近各布置1根谷幅测线；并且，对于第二区域X内每个谷幅观测断面，在坝顶高程和最低观测马道高程之间由上至下设置3~5组谷幅测线。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，在模型建立部建立坝址区模型的过程中，横河向长度至少取3倍坝宽，建议取值为3~5倍坝宽，即河床中线居坝址区模型中部，沿着两岸拱端向山体各延伸1~2倍坝宽；坝址区模型沿着上游方向延伸长度至少为2.5倍坝宽，建议取值为2.5~4倍坝宽；在二道坝后沿着下游方向延伸长度至少为1倍坝宽，建议取值为1~3倍坝宽；坝基面以下深度取1~2倍坝高。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，在等值面绘制部中，典型总水头等值面为超过正常蓄水位10m~30m中任意量值的总水头等值面。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，在切点搜索单元中，阈值a应不超过2°。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，在切点搜索单元中，搜索顺序为：先搜索一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点；然后搜索另一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点。
优选地，本发明提供的谷幅变形监测范围确定系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
发明的作用与效果
本发明提供的谷幅变形监测范围确定方法及系统，在显示有典型总水头等值面的坝址区二维平面图上，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于等值面投影河床侧的边线的两个交点记为第一和第二交点，将两个交点相连形成交点线段；接着，分别从两个交点开始，搜索切点：以河床侧边线上位于每个交点的上游和下游的点作为待定切点，绘制河床侧边线的切线直至切线与河流主方向的夹角小于阈值，则将该切点作为确定切点，在上游两岸和下游两岸各得到2个确定切点；然后，在上游和下游的2个确定切点中各选出距离大坝更远的确定切点，分别记录为第一切点和第二切点；随后，分别过第一切点和第二切点绘制交点线段的平行线，与等值面对岸河床侧边线的交点分别记作第一对岸切点和第二对岸切点，将切点和相应的对岸切点相连得到第一切点线段和第二切点线段；将第一切点线段所在位置为谷幅变形监测范围的上界限，将第二切点线段所在位置为谷幅变形监测范围的下界限；从而确定谷幅变形监测范围，能够高效、合理、准确地划定谷幅收缩范围，为谷幅监测范围的合理划定和监测仪器的科学布置提供可靠支撑，也为大坝结构安全的合理有效预测和准确评价提供了科学工具。
附图说明
图 1 为本发明实施例涉及的蓄水后的总水头分布图；
图 2a 为本发明实施例涉及的显示有典型总水头等值面和大坝的二维平面图；
图 2b 为本发明实施例涉及的在图2a上生成了两个交点及交点线段后的二维平面图；
图 2c 为本发明实施例涉及的在图2b上生成了两个切点后的二维平面图；
图 2d 为本发明实施例涉及的在图2c上生成了两个对岸切点和切点线段后的二维平面图；
图 2e 为发明实施例涉及的实施例谷幅收缩范围划定结果示意图，其中横线填充区域为第一区域S，网格线填充区域为第二区域X；
图 3 为本发明实施例涉及的谷幅收缩范围和实测谷幅收缩变形分布情况示意图，图中标注的AA’和BB’、区域S和X均为图2e划定结果，图中白色数字标注的实测谷幅收缩变形数据的单位为mm；
图 4 为本发明实施例涉及的谷幅观测断面和谷幅洞布置示意图；
图 5 为本发明实施例涉及的河谷典型横断面谷幅测线布置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的谷幅变形监测范围确定方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
本实施中，以西南某高拱坝工程的高拱坝蓄水诱发的谷幅变形监测范围确定为例对本方案进行说明，谷幅变形监测范围确定方法具体包括：
步骤1、获得坝址区图像数据和勘测数据。
本实施例中，获得反映坝址区地形、地层、主要地质结构面和主要水工建筑物空间布置情况的图像数据。此外，获得坝址区地质勘测中地下水位H、岩体密度ρ、岩体力学参数和渗透系数建议值Kt的勘测数据。坝址区地形图包括但不仅限于未进行工程治理的原始边坡和经过工程改造后的工程边坡等。地层、主要地质结构面图内容主要包括地层和主要地质结构面的走向、倾向和倾角等产状，厚度和延伸长度等几何尺寸。主要水工建筑物包括但不仅限于大坝、进水口等，图纸内容为各水工建筑物空间布置和几何尺寸。岩石力学参数主要包括弹性模量E，泊松比υ，粘聚力c，摩擦角φ，抗拉强度σ t，剪胀角ψ。将岩体渗透系数建议值Kt换算获得以主值表示的岩体渗透张量。
步骤2、基于坝址区图像数据，建立包含地层、主要地质结构面和主要水工建筑物在内的坝址区模型。
本实施例中，基于步骤1获得的图像数据，建立坝址区包含地层、主要地质结构面和水工建筑物在内的三维有限元模型。计算模型横河向长度取3.8倍坝宽，即河床中线居模型中部，沿着两岸拱端向山体各延伸1.4倍坝宽；模型沿着上游方向延伸长度为4倍坝宽，在二道坝后沿着下游方向延伸长度为1倍坝宽；坝基面以下深度取2倍坝高。
步骤3、基于步骤1和2，对坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定坝模型仿真计算的边界水位和各岩层与地质结构面的渗透系数取值；然后，采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的渗流总水头分布场。
本实施例中，对步骤1中获得的坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定仿真计算边界水位和岩体渗透张量（渗透系数取值），具体为：首先，根据步骤1中获得的坝址区地下水位和岩体渗透张量估计步骤2中计算模型边界水位和各岩层和地质结构面渗透系数取值的大致范围，将边界水位和渗透系数作为待反演的参数。随后，采用正交设计方法生成系列样本，其中每个样本包含一组待反演参数的组合。接着，对每个样本采用稳定渗流有限元方法模拟其渗流场的变化过程，得到相应监测点处的计算结果。然后，将各个样本对应的参数组合与水位监测点处的计算值作为输入参数，采用BP神经网络进行训练并预测不同参数组合下的计算值。最后，利用遗传算法优化以逼近监测资料为目标，进而得到最佳计算模型边界水位和各岩层和地质结构面渗透系数取值。
采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的总水头分布场，具体过程如下：
将研究区域定义为，干区定义为/>，湿区定义为/>，自由面定义为/>。在研究区域内，稳定渗流的控制方程为：
或/>，
式中，为渗流速度矢量；▽表示梯度；/>为渗透系数张量；/>为水头；/>为孔隙水压力；/>为垂直位置坐标；/>为水的密度；/>为重力加速度；/>为罚函数，是压力水头/>的二值函数，在饱和区/>为0，在干区/>为1。
边界条件如下：
（1）水头边界条件：，/>，/>为水头边界/>上的已知水头；
（2）流量边界条件：，/>，/>为边界上的单位外法线矢量，/>为流量边界/>上的已知流量；
（3）潜在溢出边界条件：，/>，/> ，/>为潜在溢出边界；
（4）自由面边界条件：，/> ，/>为自由面。
本实施例中，基于以上过程计算的蓄水后的总水头分布见图1（单位：m）。
步骤4、根据渗流总水头分布场，绘制典型总水头等值面。
典型总水头等值面为超过正常蓄水位10m~30m中任意量值的总水头等值面。本实施例中，典型总水头等值面取为超过正常蓄水位10m的总水头等值面
步骤5、根据坝址区模型和典型总水头等值面确定谷幅变形监测范围；具体包括如下子步骤：
步骤5-1，如图2a所示，对坝址区模型和典型总水头等值面（后文简称为：等值面）沿重力加速度方向进行投影得到显示有典型总水头等值面的坝址区二维平面图。
步骤5-2，在坝址区二维平面图上，如图2b所示，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于等值面投影河床侧的边线（河床两岸共两条边线，每条边线一个交点）的两个交点记为第一交点D和第二交点D’，将两个交点相连形成交点线段DD’。
步骤5-3，如图2c所示，分别从两个交点D和D’开始，搜索切点：将位于等值面投影河床侧的两条边线均记为河床侧边线，以河床侧边线上位于每个交点的上游和下游的点作为待定切点，绘制河床侧边线的切线作为待定切线，直至待定切线与河流主方向的夹角小于阈值a，则将该待定切点作为确定切点，并记录该确定切点的位置。按照前述方法可以在上游左右两岸和下游左右两岸各得到2个确定切点，共得到4个确定切点。然后，在上游和下游的2个确定切点中各选出距离大坝更远的确定切点，分别记录为第一切点A和第二切点B。
本实施例中，a=2°。搜索顺序为：先搜索一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点；然后搜索另一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点。
步骤5-4，如图2d所示，分别过第一切点A和第二切点B绘制交点线段DD’的平行线，与等值面对岸河床侧边线的交点分别记作第一对岸切点A’和第二对岸切点B’，将切点和相应的对岸切点相连得到第一切点线段AA’和第二切点线段BB’。
步骤5-5，如图2e所示，将第一切点线段AA’所在位置为谷幅变形监测范围的上界限，将第二切点线段BB’所在位置为谷幅变形监测范围的下界限。谷幅监测仪器沿着河流方向的平面布置范围为线段AA’和BB’之间的区域。
如图3所示，为了验证以上本发明方法确定的谷幅变形监测范围的合理性，将坝址区蓄水两年后监测到的河谷累计收缩实测情况与本方案的谷幅变形监测范围进行比对。图3中AA’和BB’之间的区域为采用本发明提出的方法划定的谷幅收缩范围，这个区域以大坝为界分为上游的第一区域S（第一切点线段AA’和交点线段DD’之间的区域）和下游的第二区域X（第二切点线段BB’和交点线段DD’之间的区域）。
大坝下游布置有密集的谷幅测线，现场的实测数据表明大坝下游的河谷收缩变形量沿着河流方向整体上逐渐减小，至BB’附近时变形已逐渐趋于收敛，表明大坝下游发生收缩变形的河谷位于本发明方法划定的区域X内，即下游河谷累计收缩量值在第二区域X内已趋于收敛，验证了本发明的合理性。
大坝上游布置的谷幅测线较为稀疏，这些测线测值反映出上游发生收缩变形的河谷位于本发明方法划定的第一区域S内，而且在第一区域S以外的测线均表现为谷幅扩张，表现为收缩的测线均在第一区域S内，即上游河谷实测的收缩区域均位于我们划定的AA’和BB’之间，大坝上游有限的监测数据也证明了本发明的合理性。
进一步，如图4和5所示，根据以上步骤1~5得到的谷幅变形监测范围，还可以进一步生成和输出谷幅监测仪器的布置方案（步骤6）。如图4所示，布置方案以图纸方式展示，主要包括谷幅测线和谷幅洞的布置，具体过程如下：
步骤6-1，将坝址区模型中第一切点线段AA’和交点线段DD’之间的区域记作第一区域S，将第二切点线段BB’和交点线段DD’之间的区域记作第二区域X。
步骤6-2，在第一区域S内布置至少3个谷幅观测断面，并且，第一切点线段AA’所在铅垂面、进水口边坡上游端和下游端各须布置1个谷幅观测断面，结合地质结构分布情况（例如，布置区域有较大的结构面分布）可在第一区域S内进行观测断面的加密布置。
步骤6-3，在第二区域X内布置至少3个谷幅观测断面，并且，紧邻两岸坝端、线段BB’所在铅锤面和第二区域X沿顺河向的中间剖面各须布置1个谷幅观测断面，结合地质结构分布情况可在区域X内进行观测断面的加密布置。将第二区域X沿顺流方向六等分，取第二个和第三个等分剖面位置的左右岸成对设置谷幅洞，谷幅洞高程大致取为坝顶高程与下游水位高程的均值，洞深设置为300m。
步骤6-4，根据工程地形分别在第一区域S内各谷幅观测断面的坝顶高程附近各布置1根谷幅测线；并且，对于第二区域X内每个谷幅观测断面，在坝顶高程和最低观测马道高程之间由上至下设置3~5组谷幅测线。
最终生成的河谷横断面谷幅监测仪器和河谷横断面谷幅测线布置图见图4和图5。
另外，本实施例还提供能够自动实现上述方法确定谷幅变形监测范围的系统，该系统包括实测数据获取部、模型建立部、反演分析部、等值面绘制部、监测范围确定部、布置方案生成部、输入显示部、控制部。
实测数据获取部执行上文步骤1所描述的内容，获得坝址区图像数据和勘测数据。
模型建立部执行上文步骤2所描述的内容，基于坝址区图像数据，建立包含地层、主要地质结构面和主要水工建筑物在内的坝址区模型。
反演分析部执行上文步骤3所描述的内容，基于坝址区图像数据和勘测数据以及和坝址区模型，对坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定坝模型仿真计算的边界水位和各岩层与地质结构面的渗透系数取值；然后，采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的渗流总水头分布场。
等值面绘制部执行上文步骤4所描述的内容，根据渗流总水头分布场，绘制典型总水头等值面。
监测范围确定部执行上文步骤5所描述的内容，根据坝址区模型和典型总水头等值面确定谷幅变形监测范围。
布置方案生成部执行上文步骤6所描述的内容，根据监测范围确定部中确定的谷幅变形监测范围，在坝址区图像或模型上生成谷幅监测仪器的二维或三维布置方案。
输入显示部用于让用户输入操作指令，并根据操作指令对相应部的输入、输出和中间处理数据进行相应显示。显示方式可以为文字、数据、列表、静态或动态的二维或三维图（含模型）。
控制部与实测数据获取部、模型建立部、反演分析部、等值面绘制部、监测范围确定部、布置方案生成部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的谷幅变形监测范围确定方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获得坝址区图像数据和勘测数据；
步骤2、基于坝址区图像数据，建立坝址区模型；
步骤3、基于步骤1和2，对坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定坝模型仿真计算的边界水位和各岩层与地质结构面的渗透系数取值；然后，采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的渗流总水头分布场；
步骤4、根据渗流总水头分布场，绘制典型总水头等值面；
步骤5、根据坝址区模型和典型总水头等值面确定谷幅变形监测范围；具体包括如下子步骤：
步骤5-1，对坝址区模型和典型总水头等值面沿重力加速度方向进行投影得到显示有典型总水头等值面的坝址区二维平面图；
步骤5-2，在坝址区二维平面图上，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于典型总水头等值面投影河床侧的边线的两个交点记为第一交点D和第二交点D’，将两个交点相连形成交点线段DD’；
步骤5-3，分别从两个交点D和D’开始，搜索切点：将位于典型总水头等值面投影河床侧的边线记为河床侧边线，以河床侧边线上位于每个交点的上游和下游的点作为待定切点，绘制河床侧边线的切线作为待定切线，直至待定切线与河流主方向的夹角小于阈值a，则将该待定切点作为确定切点，并记录该确定切点的位置，从而在上游两岸和下游两岸各得到2个确定切点；然后，在上游和下游的2个确定切点中各选出距离大坝更远的确定切点，分别记录为第一切点A和第二切点B；
步骤5-4，分别过第一切点A和第二切点B绘制交点线段DD’的平行线，与典型总水头等值面对岸河床侧边线的交点分别记作第一对岸切点A’和第二对岸切点B’，将切点和相应的对岸切点相连得到第一切点线段AA’和第二切点线段BB’；
步骤5-5，将第一切点线段AA’所在位置作为谷幅变形监测范围的上界限，将第二切点线段BB’所在位置作为谷幅变形监测范围的下界限。
2.根据权利要求1所述的谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于：
其中，在步骤2的坝址区模型中，横河向长度至少取3倍坝宽，河床中线居坝址区模型中部，沿着两岸拱端向山体各延伸1~2倍坝宽；坝址区模型沿着上游方向延伸长度为2.5~4倍坝宽，在二道坝后沿着下游方向延伸长度为1~3倍坝宽；坝基面以下深度取1~2倍坝高。
3.根据权利要求1所述的谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，典型总水头等值面为超过正常蓄水位10m~30m中任意量值的总水头等值面。
4.根据权利要求1所述的谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于：
其中，在步骤5-3中，阈值a应不超过2°。
5.根据权利要求1所述的谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于：
其中，在步骤5-3中，搜索顺序为：先搜索一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点；然后搜索另一个交点的上游的确定切点和下游的确定切点。
6.根据权利要求1所述的谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于，还包括：
步骤6，根据步骤5中确定的谷幅变形监测范围，生成谷幅监测仪器的布置方案。
7.根据权利要求6所述的谷幅变形监测范围确定方法，其特征在于：
其中，步骤6具体包括如下子步骤：
步骤6-1，将坝址区模型中第一切点线段AA’和交点线段DD’之间的区域记作第一区域S，将第二切点线段BB’和交点线段DD’之间的区域记作第二区域X；
步骤6-2，在第一区域S内布置至少3个谷幅观测断面，并且，第一切点线段AA’所在铅垂面、进水口边坡上游端和下游端各须布置1个谷幅观测断面；
步骤6-3，在第二区域X内布置至少3个谷幅观测断面，并且，紧邻两岸坝端、第二切点线段BB’所在铅锤面和第二区域X沿顺河向的中间剖面各须布置1个谷幅观测断面；将第二区域X沿顺流方向六等分，取第二个和第三个等分剖面位置的左右岸成对设置谷幅洞；
步骤6-4，根据工程地形分别在第一区域S内各谷幅观测断面的坝顶高程附近各布置1根谷幅测线；并且，对于第二区域X内每个谷幅观测断面，在坝顶高程和最低观测马道高程之间由上至下设置3~5组谷幅测线。
8.谷幅变形监测范围确定系统，其特征在于，包括：
实测数据获取部，获得坝址区图像数据和勘测数据；
模型建立部，基于坝址区图像数据，建立坝址区模型；
反演分析部，基于坝址区图像数据和勘测数据以及和坝址区模型，对坝址区地下水位和岩体渗透张量进行反演分析，确定坝模型仿真计算的边界水位和各岩层与地质结构面的渗透系数取值；然后，采用稳定渗流计算正常蓄水位工况时的渗流场并输出基于蓄水过程的渗流总水头分布场；
等值面绘制部，根据渗流总水头分布场，绘制典型总水头等值面；
监测范围确定部，根据坝址区模型和典型总水头等值面确定谷幅变形监测范围；包括：二维平面图生成单元，对坝址区模型和典型总水头等值面沿重力加速度方向进行投影得到显示有典型总水头等值面的坝址区二维平面图；交点线段生成单元，在坝址区二维平面图上，过大坝的左右坝端绘制直线，将该直线与位于典型总水头等值面投影河床侧的边线的两个交点记为第一交点D和第二交点D’，将两个交点相连形成交点线段DD’；切点搜索单元，分别从两个交点D和D’开始，搜索切点：将位于典型总水头等值面投影河床侧的边线记为河床侧边线，以河床侧边线上位于每个交点的上游和下游的点作为待定切点，绘制河床侧边线的切线作为待定切线，直至待定切线与河流主方向的夹角小于阈值a，则将该待定切点作为确定切点，并记录该确定切点的位置，从而在上游两岸和下游两岸各得到2个确定切点；然后，在上游和下游的2个确定切点中各选出距离大坝更远的确定切点，分别记录为第一切点A和第二切点B；切点线段生成单元，分别过第一切点A和第二切点B绘制交点线段DD’的平行线，与典型总水头等值面对岸河床侧边线的交点分别记作第一对岸切点A’和第二对岸切点B’，将切点和相应的对岸切点相连得到第一切点线段AA’和第二切点线段BB’；上下限确定单元，将第一切点线段AA’所在位置作为谷幅变形监测范围的上界限，将第二切点线段BB’所在位置作为谷幅变形监测范围的下界限；
控制部，与实测数据获取部、模型建立部、反演分析部、等值面绘制部、监测范围确定部均通信相连，控制它们的运行。
9.根据权利要求8所述的谷幅变形监测范围确定系统，其特征在于，还包括：
布置方案生成部，与控制部通信相连，根据监测范围确定部中确定的谷幅变形监测范围，在坝址区图像或模型上生成谷幅监测仪器的二维或三维布置方案。
10.根据权利要求8所述的谷幅变形监测范围确定系统，其特征在于，还包括：
输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
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