[發明專利]一種土石壩防滲性能劣化的監測診斷裝置及方法

在審

• 申請號: 201710074281.9
• 申請日: 2017-02-10
• 公開（公告）號: CN106769783A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 楊陽;徐海峰;李卓;王海軍;曹偉;朱沁夏;黃浩
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種土石壩防滲性能劣化的監測診斷裝置，其特征在于：包括視電阻率測量系統、滲透壓力測量系統、水位測量系統、滲漏量測量系統、雨量觀測設備、電纜和監測箱；

所述的監測箱通過電纜與視電阻率測量系統、滲透壓力測量系統、水位測量系統、滲漏量測量系統、雨量觀測設備連接，采集監測數據；

所述的視電阻率測量系統包括若干測量電極，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測箱中；

所述的滲透壓力測量系統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于大壩內，埋設位置在土石壩壩基上部2~3m部位；

所述的水位測量系統有兩套，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；

滲漏量測量系統位于土石壩下游排水渠道出水口處；雨量觀測設備布置于壩頂，安裝在上游水位桿上；

所述的監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、氣溫數據的監測模塊，用于對土石壩防滲性能劣化分析診斷的診斷模塊。

2.根據權利要求1所述的一種土石壩防滲性能劣化的監測診斷裝置，其特征在于：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不需要安裝布置和測量。

3.如權利要求2所述的一種土石壩防滲性能劣化的監測診斷裝置的監測診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，數據采集：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；

第二步，實際滲流參數估算：選擇歷史監測數據中，上游水位變幅在0.5m且持續時段大于等于10日的水位數據；按照土石壩填筑的不同分區，選擇工程建設期設計報告中的滲流參數，建立土石壩滲流的有限元模型；模型輸入的上游水位數據為所述10日實測上游水位的均值，表示為H_e，選擇上游水位為H_e時滲壓計測值，n個滲壓計測值表示為p1、p2、…、pn；建立基于神經網絡的有限元分析迭代過程，通過調整滲流參數，使有限元模型在n個滲壓計埋設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，則所述的調整后滲流參數為土石壩運行期實際的滲流參數；

第三步，滲漏通道的狀態特征值提取：滲漏通道在視電阻率云圖上表現為視電阻率等值線所圍成的環形，視電阻率值越小越靠近環形中心，此區域含水量相對越高，取視電阻率等值線為50 ohm·m以內的范圍作為低阻區域，以低阻區域內的視電阻率最小點為中心，計算視電阻率比值x，表示為50 ohm·m與此部位視電阻率的比值，將視電阻率值比值x對區域面積進行積分，得到狀態特征值v；對于數值積分，采用泰森多邊形對低阻區域進行分割，視電阻率測值與所對應泰森多邊形面積相乘并累加得到狀態特征值v；

第四步，防滲性能劣化的監測診斷模型建立：建立滲漏通道的狀態特征值與上游水位、下游水位、滲漏量、降雨量的監測診斷模型，公式為：

式中，a₁~ a₂、b₁~ b₃、c、d₁~ d₄、e₁~e₂、 f₁~f₄為待求參數；H¹_u為所述視電阻率云圖低阻區域中心位置的水頭差值；H²_u為H¹_u的二次方；H_u1~ H_u3分別為監測日前1天，監測日前2~3天、監測日前4~10天各時段內的水頭差值的均值；當土石壩下游有下游水位時，H_d為下游水深，無滲漏量監測，滲漏量為0，d₁~ d₄=0；當土石壩下游無水位時，有滲漏量監測，c=0，Q₁~ Q₄分別為監測日當天、監測日后1天、監測日后2~3天、監測日后4~10天各時段內的滲漏量均值 ；θ為蓄水初期或起測日開始的天數除以100，代表隨時間推移土石壩滲流性態的變化；R₁~ R₄分別為監測日當天、監測日前1天、監測日前2~3天、監測日前4~10天各時段內的日累積雨量均值；

第五步，待求參數計算和安全范圍計算，選擇時段超過一年的歷史監測數據，計算時段內各個監測縱斷面內滲漏通道的狀態特征值序列V；按照第四步建立監測診斷模，進行統計回歸分析，得到監測診斷模的待求參數及狀態特征值的擬合值序列W，計算V和W的差值U；應用統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P_α=α，為小概率事件，差值序列中U某日測值有α的概率落在置信帶[б₁,б₂]之外，則判定當日此斷面防滲性能出現劣化；

第六步，防滲性能劣化綜合監測診斷：在土石壩運行過程中，實時監測上游水位、下游水位、滲漏量、視電阻率、降雨等數據，利用第二步得到的實際滲流參數結合有限元計算各縱斷面滲漏通道的水頭差值，將計算數據代入第四步得到的監測診斷模型，得到各縱斷面滲漏通道的狀態特征值，對布置的m個縱斷面斷面有，v₁~v_m；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特征值有w₁~w_m，計算差值u₁~u_m，進行以下診斷：

一級診斷：當u₁~u_m全部落在所對應的m個置信帶[б₁,б₂]上，土石壩防滲性能正常；

二級診斷：當u₁~u_m有大于等于1/3且小于2/3數量的值落在所對應的m個置信帶[б₁,б₂]之外，土石壩防滲性出現劣化，需要采取非工程措施；

三級診斷：當u₁~u_m有大于等于2/3數量的值落在所對應的m個置信帶[б₁,б₂]之外，土石壩防滲性出現惡化，需要采取工程措施進行維護。