本實用新型涉及土石壩滲流性的監(jiān)測診斷領(lǐng)域，尤其是土石壩壩體防滲性能劣化的監(jiān)測診斷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：我國是世界上水庫大壩最多的國家之一，新中國成立以后，我國陸續(xù)修建了近9萬多座水庫大壩，其中土石壩就占到了其中的三分之一。雖然土石壩在防洪、灌溉、供水等方面起到了非常大的作用，但由于在修建時受到條件限制、施工、設(shè)計技術(shù)等方面的原因，這些水庫多為一邊設(shè)計、一邊施工、一邊運行，簡稱"三邊工程"。這些水庫大都存在工程質(zhì)量差、壩體單薄、大壩滲漏、管理設(shè)施老化等問題。土石壩病險中滲漏問題最為嚴重。由于勘探工作的深度不夠、設(shè)計不合理或施工不合格、材料劣質(zhì)、水庫運行不合理等原因引起的滲漏問題往往會導(dǎo)致壩體失去穩(wěn)定性并造成滲透破壞。滲漏的形式和特征主要有壩體填筑材料不良，抗?jié)B能力不能滿足要求，滲透系數(shù)大，下游壩面出現(xiàn)大面積飽和濕潤漏水；防滲體斷裂或新老防滲體接觸不良出現(xiàn)漏水；導(dǎo)濾排水棱體堵塞失效，浸潤線上升，壩腳處飽和濕潤引起滲水；壩內(nèi)埋管斷裂，導(dǎo)致壩體滲水管涵或集中漏水；沿白蟻洞穴漏水等。由于滲漏的影響因素和發(fā)生特征多樣，同時滲漏發(fā)身在大壩內(nèi)部，常難以有效的識別和診斷；由于土石壩防滲性能是一個隨時間逐步劣化的過程，因此需要能夠長期有效的收集大壩防滲性能相關(guān)的各種特征數(shù)據(jù)的，在避免長期破壞大壩原有結(jié)構(gòu)的條件下，實現(xiàn)長時間的低損或無損測量。為此，需要一套能夠便捷監(jiān)測土石壩內(nèi)部滲流性態(tài)監(jiān)測，同時有效判別防滲性能劣化的裝置。這對研究土石壩滲流變化規(guī)律、滲漏土石壩病險診斷分析和工程維護能夠提供有效的幫助，并能保障土石壩工程的安全運行。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)土石壩壩體滲漏破壞過程的劣化程度監(jiān)測診斷，為滲漏土石壩診斷分析和工程維護提供幫助，保障了土石壩工程的安全運行。技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷裝置，包括視電阻率測量系統(tǒng)、滲透壓力測量系統(tǒng)、水位測量系統(tǒng)、滲漏量測量系統(tǒng)、雨量觀測設(shè)備、電纜和監(jiān)測箱。作為優(yōu)選，所述的監(jiān)測箱通過電纜與視電阻率測量系統(tǒng)、滲透壓力測量系統(tǒng)、水位測量系統(tǒng)、滲漏量測量系統(tǒng)、雨量觀測設(shè)備連接，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。作為優(yōu)選，所述的視電阻率測量系統(tǒng)包括若干測量電極，測量電極等間距布置于土石壩上游坡、壩頂、下游坡的若干縱斷面上，通過電纜沿縱斷面連接并匯集到監(jiān)測箱中。作為優(yōu)選，所述的滲透壓力測量系統(tǒng)包括大于等于兩個的滲壓計，滲壓計沿土石壩橫斷面從上游到下游埋設(shè)于大壩內(nèi)，埋設(shè)位置在土石壩壩基上部2~3m部位。作為優(yōu)選，所述的水位測量系統(tǒng)有兩套，其中一套包括水位桿、水位計，水位桿布置在土石壩壩頂，懸臂伸向上游，水位計安裝在懸臂伸末端，用于測量上游水位；另外一套包括水位桿、水位計，水位桿布置在土石壩壩頂，懸臂伸向下游，水位計安裝在懸臂伸末端，用于測量下游水位。作為優(yōu)選，滲漏量測量系統(tǒng)位于土石壩下游排水渠道出水口處；雨量觀測設(shè)備布置于壩頂，安裝在上游水位桿上。作為優(yōu)選，所述的監(jiān)測箱中包括用于控制及測量上下游水位、滲透壓力、視電阻率、氣溫數(shù)據(jù)的監(jiān)測模塊，用于對土石壩防滲性能劣化分析診斷的診斷模塊。作為優(yōu)選，當土石壩下游只有滲漏無下游水位時，所述的水位測量系統(tǒng)只有一套，用于上游水位測量；當土石壩下游有水位時，所述的滲漏量測量系統(tǒng)不需要安裝布置和測量。監(jiān)測箱中包括用于控制及測量上下游水位、滲透壓力、視電阻率、氣溫數(shù)據(jù)的監(jiān)測模塊，用于對土石壩防滲性能劣化分析診斷的診斷模塊，具體包括以下步驟：第一步，數(shù)據(jù)采集：按照每天一次的頻率采集整理得到上下游水位值、縱斷面視電阻率值、滲壓計的滲透壓力值、下游滲漏量值、降雨量值；其中降雨量值為日累計雨量。第二步，實際滲流參數(shù)估算：選擇歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中，上游水位變幅在0.5m且持續(xù)時段大于等于10日的水位數(shù)據(jù)；按照土石壩填筑的不同分區(qū)，選擇工程建設(shè)期設(shè)計報告中的滲流參數(shù)，建立土石壩滲流的有限元模型；模型輸入的上游水位數(shù)據(jù)為所述10日實測上游水位的均值，表示為He，選擇上游水位為He時滲壓計測值，n個滲壓計測值表示為p1、p2、…、pn；建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有限元分析迭代過程，通過調(diào)整滲流參數(shù)，使有限元模型在n個滲壓計埋設(shè)位置通過有限元模型計算得到的滲透壓力值與實測值相符，則所述的調(diào)整后滲流參數(shù)為土石壩運行期實際的滲流參數(shù)。第三步，滲漏通道的狀態(tài)特征值提?。簼B漏通道在視電阻率云圖上表現(xiàn)為視電阻率等值線所圍成的環(huán)形，視電阻率值越小越靠近環(huán)形中心，此區(qū)域含水量相對越高；因此，一個區(qū)域面積越大，視電阻率值越小，其部位防滲性能越差；取視電阻率等值線為50ohm·m以內(nèi)的范圍作為低阻區(qū)域，將低阻區(qū)域內(nèi)的視電阻率最小點做為中心，計算各個視電阻率對應(yīng)的比值x，表示為50ohm·m與此部位視電阻率的比值，則等值線為50ohm·m處的比值為1，低阻區(qū)域內(nèi)比值大于1。將視電阻率值比值x對區(qū)域面積進行積分，得到狀態(tài)特征值v，對于數(shù)值積分，采用泰森多邊形對低阻區(qū)域進行分割，視電阻率測值與所述面積相乘并累加得到狀態(tài)特征值v；第四步，防滲性能劣化的監(jiān)測診斷模型建立：滲漏通道的狀態(tài)特征值與上游水位、下游水位、滲漏量、降雨量相關(guān)，需要注意的是，由于土石壩滲流具有遲滯性，上游水位變化和降雨量變化逐漸引起滲漏通道狀態(tài)特征值的變化，之后引起滲漏量的變化，因此建立滲漏通道的狀態(tài)特征值與上游水位、下游水位、滲漏量、降雨量的監(jiān)測診斷模型，模型中選取監(jiān)測日前的水位降雨數(shù)據(jù)、同時選取了監(jiān)測日后的滲漏量數(shù)據(jù)，監(jiān)測診斷模型公式為：式中，a1~a2、b1~b3、c、d1~d4、e1~e2、f1~f4為待求參數(shù)；H1u為所述視電阻率云圖低阻區(qū)域中心（即低阻區(qū)域視電阻率最小的點）位置的水頭差值；H2u為H1u的二次方；Hu1~Hu3分別為監(jiān)測日前1天，監(jiān)測日前2~3天、監(jiān)測日前4~10天各時段內(nèi)的水頭差值的均值；當土石壩下游有下游水位時，Hd為下游水深，無滲漏量監(jiān)測，滲漏量為0，d1~d4=0；當土石壩下游無水位時，有滲漏量監(jiān)測，c=0，Q1~Q4分別為監(jiān)測日當天、監(jiān)測日后1天、監(jiān)測日后2~3天、監(jiān)測日后4~10天各時段內(nèi)的滲漏量均值；θ為蓄水初期或起測日開始的天數(shù)除以100，代表隨時間推移土石壩滲流性態(tài)的變化；R1~R4分別為監(jiān)測日當天、監(jiān)測日前1天、監(jiān)測日前2~3天、監(jiān)測日前4~10天各時段內(nèi)的日累積雨量均值。第五步，待求參數(shù)計算和安全范圍計算，選擇時段超過一年的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算時段內(nèi)各個監(jiān)測縱斷面內(nèi)滲漏通道的狀態(tài)特征值序列V；按照第四步建立診斷模型，進行統(tǒng)計回歸分析，得到診斷模型的待求參數(shù)及狀態(tài)特征值的擬合值序列W，實現(xiàn)防滲性能劣化監(jiān)測診斷模型的建立；計算V和W的差值U，應(yīng)用統(tǒng)計理論中的小概率事件原理，對U進行分析，取顯著性水平α（在1%~5%），則Pα=α，為小概率事件，差值U有α的概率落在置信帶[б1,б2]之外，則此斷面防滲性能出現(xiàn)劣化。第六步，防滲性能劣化綜合監(jiān)測診斷：在土石壩運行過程中，實時監(jiān)測上游水位、下游水位、滲漏量、視電阻率、降雨等數(shù)據(jù)，利用第二步得到的實際滲流參數(shù)結(jié)合有限元計算各縱斷面滲漏通道的水頭差值，將計算數(shù)據(jù)代入第四步得到的監(jiān)測診斷模型，得到各縱斷面滲漏通道的狀態(tài)特征值，對布置的m個縱斷面斷面有，v1~vm；按照第三步到第五步的過程，計算各縱斷面滲漏通道的狀態(tài)特征值有w1~wm，計算差值u1~um，進行以下診斷：一級診斷：當u1~um全部落在所對應(yīng)的m個置信帶[б1,б2]上，土石壩防滲性能正常。二級診斷：當u1~um有大于等于1/3且小于2/3數(shù)量的值落在所對應(yīng)的m個置信帶[б1,б2]之外，土石壩防滲性出現(xiàn)劣化，需要采取非工程措施。三級診斷：當u1~um有大于等于2/3數(shù)量的值落在所對應(yīng)的m個置信帶[б1,б2]之外，土石壩防滲性出現(xiàn)惡化，需要采取工程措施進行維護。有益效果：本實用新型的一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷裝置，彌補了現(xiàn)有土石壩防滲性能監(jiān)測診斷分析的不足，能夠長期有效的監(jiān)測與土石壩防滲性能相關(guān)的水位、降雨、滲漏量、視電阻率等數(shù)據(jù)，獲得實際滲流參數(shù)、滲漏通道的狀態(tài)特征和實際水頭差值；在此基礎(chǔ)上建立土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷模型、安全范圍和綜合監(jiān)測診斷過程，能夠有效的實現(xiàn)土石壩滲流變化參數(shù)的無損測量、滲漏規(guī)律分析、防滲性能劣化診斷，為滲漏土石壩病險診斷分析和工程維護能夠提供有效的幫助，從而保障土石壩工程的安全運行。附圖說明圖1一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷裝置俯視圖。圖2一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷裝置A-A斷面圖。圖3土石壩滲漏通道及滲流流網(wǎng)示意圖。圖4一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷視電阻率分布示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本實用新型作更進一步的說明。對某均質(zhì)土石壩進行分析，壩高為25m，上游水位常年在15~22m之間變化，下游無下游水位，有滲漏排水渠道；如圖1至圖4所示，本實用新型的一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測診斷裝置，包括視電阻率測量系統(tǒng)、滲透壓力測量系統(tǒng)、水位測量系統(tǒng)、滲漏量測量系統(tǒng)、雨量觀測設(shè)備、電纜和監(jiān)測箱。其中，視電阻率測量系統(tǒng)布置在土石壩5個縱斷面上，包括壩頂布置2個縱斷面，上游坡布置1個縱斷面，下游坡布置2個縱斷面；各縱斷面等間距埋設(shè)有不銹鋼材質(zhì)的測量電極，測量電極通過電纜沿縱斷面連接并匯集到監(jiān)測箱中。其中，滲透壓力測量系統(tǒng)包括3個的滲壓計，滲壓計沿土石壩橫斷面從上游到下游埋設(shè)于大壩內(nèi)，埋設(shè)位置距離土石壩基礎(chǔ)分別為3m、2.5m、2m。由于土石壩下游無水位，只有滲漏，水位測量系統(tǒng)只有一套，用于測量上游水位，水位計為智能型MIK-DP超聲波液位計，量程為0~20m；雨量觀測設(shè)備為JD-05B翻斗式雨量計，允許最大降雨強度為8mm/min；滲漏量測量系統(tǒng)為量水堰，包含量水堰槽和量水堰計，量水堰槽采用玻璃鋼材質(zhì)的三角堰，量水堰計（型號JY23-BGK-4675）分辨率為0.025mm，最大量程為5m。監(jiān)測箱中包括用于控制及測量上下游水位、滲透壓力、視電阻率、氣溫數(shù)據(jù)的監(jiān)測模塊，用于對土石壩防滲性能劣化分析診斷的診斷模塊，具體過程如下：第一步，監(jiān)測箱模塊采集整理并計算得到2012~2014年的土石壩上游水位值、縱斷面視電阻率值、滲壓計的滲透壓力值、下游滲漏量值、日累計雨量值。第二步，實際滲流參數(shù)估算：選擇歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中，2012年4月1~4月15日，上游水位變幅0.5m內(nèi)，最高水位20.9m，最低水位20.5m，平均水位20.8m。將所述土石壩按照填筑的不同分區(qū)，分為壩體填土、壩基的基礎(chǔ)土壤和基巖三部分，基巖為不透水層；參考設(shè)計及施工資料，壩體填土滲透系數(shù)為1.2×10-5，基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)為6.5×10-6，按照土石壩的結(jié)構(gòu)尺寸建立土石壩滲流的有限元模型；模型輸入上游水位20.8m，下游無水；3個滲壓計測值經(jīng)整編計算轉(zhuǎn)換為滲透壓力水頭為18m，12m，6.5m；將壩體填土滲透系數(shù)與基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)的比值固定為1.85；體填土滲透系數(shù)與基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)為計算初值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷調(diào)整滲透系數(shù)取值，允許誤差取0.001，進行迭代計算；當前后2次迭代結(jié)果的三個誤差的方差小于允許誤差時，停止計算；得到壩體填土滲透系數(shù)為9.6×10-5，基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)為5.2×10-5；可以看到，由于土石壩防滲性能的逐漸下降，實際滲透系數(shù)較工程設(shè)計及施工時期的滲透系數(shù)增大。第三步~第五步，滲漏通道的狀態(tài)特征值提取，待求參數(shù)計算和安全范圍計算：滲漏通道在視電阻率云圖上表現(xiàn)為視電阻率等值線所圍成的環(huán)形（圖4），取等值線為50ohm·m以內(nèi)的范圍作為低阻區(qū)域進行計算，對視電阻率值進行轉(zhuǎn)換，計算比值；由于視電阻率數(shù)據(jù)為圖4中等間距分布的采樣點，采用泰森多邊形對低阻區(qū)域進行分割，將各個采樣點的視電阻率測值與所屬面積相乘并累加得到狀態(tài)特征值v。對縱斷面1~縱斷面5中低阻區(qū)，計算2013年3月1~2014年10月1日的狀態(tài)特征值，并計算對應(yīng)時段的實際滲透系數(shù)條件下的水頭差，整理對應(yīng)同一時段的所需要的降雨和滲漏量數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測診斷模型，通過多元回歸計算得到待求參數(shù)；在此基礎(chǔ)上得到序列V，V中包含2013年3月1~2014年10月1日時段內(nèi)縱斷面狀態(tài)特征值v，擬合值序列W包含2013年3月1~2014年10月1日時段內(nèi)通過監(jiān)測診斷模型計算得到的狀態(tài)特征值u，計算結(jié)果見下表所示；表1狀態(tài)特征值表日期縱斷面1v縱斷面1u縱斷面2v縱斷面2u縱斷面3v縱斷面3u………………………2013.5.11.792.092.152.312.442.55…2013.5.21.861.972.262.642.602.81...2013.5.32.212.172.892.552.752.81…2013.5.42.041.862.592.572.853.03…2013.5.52.071.902.632.503.312.91…2013.5.61.912.222.682.602.342.64…2013.5.71.811.892.622.432.682.93...……………………計算各個序列的差值，取顯著性水平α=5%；得到縱斷面1~縱斷面5的置信帶分別為：[-0.223,0.223]、[-0.327,0.327]、[-0.429,0.429]、[-0.450,0.450]、[-0.455,0.455]。第六步，防滲性能劣化綜合監(jiān)測診斷：在土石壩運行過程中，實時監(jiān)測上游水位、下游水位、滲漏量、視電阻率等數(shù)據(jù)；在2016年10月20日，可計算10月10日診斷結(jié)果，利用第二步得到的實際滲流參數(shù)結(jié)合有限元計算各縱斷面滲漏通道的水頭差值，將計算數(shù)據(jù)代入第四步得到的監(jiān)測診斷模型，得到各縱斷面滲漏通道的狀態(tài)特征值，對布置的5個縱斷面有，差值為：0.15、0.2、0.43、0.39、0.46；得到以下診斷：二級診斷，在5個縱斷面中，縱斷面3和5，差值在置信帶之外，土石壩防滲性出現(xiàn)劣化。由于滲流性態(tài)劣化過程較為緩慢，通常建議每月進行2~3次的診斷分析，對一級診斷結(jié)果，需要持續(xù)進行正常監(jiān)測；對于二級診斷結(jié)果，需要采取重點滲漏部位巡查、監(jiān)測、降低水位等非工程措施，以保證土石壩的滲流安全性；對于三級診斷結(jié)果，需要對防滲體系進行工程措施處理。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。當前第1頁1 2 3