[發明專利]一種深埋長引水隧洞的無線長期監測裝置及其測試方法

在審

• 申請號: 202110360787.2
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN112923980A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 陶蒙蒙;王媛;馮迪;任杰;劉勝;焦裕
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01D11/16;G01D11/00;F03B13/00;G08C17/02
• 代理公司: 南京燦爛知識產權代理有限公司 32356
• 代理人: 趙麗

本發明提供了一種深埋長引水隧洞的無線長期監測裝置，包括能源模塊、監測模塊和傳輸模塊；所述能源模塊包括水力發電機和蓄電池，所述能源模塊為所述監測模塊和所述傳輸模塊進供電；所述監測模塊包括監測傳感器，所述監測模塊用于監測圍巖（21）的實際狀態；所述傳輸模塊用于將所述監測模塊的監測數據進行傳輸。本發明還提供了一種深埋長引水隧洞的無線長期監測裝置的測試方法。本發明通過水力發電機實現了長距離隧洞監測裝置的持續穩定供電，通過將監測數據編譯成離線二維碼，并使用水下機器人拍攝識別和解碼二維碼中的歷史監測數據，解決了長距離大埋深引水隧洞監測裝置供電困難和監測數據難以傳輸的問題。

技術領域

本發明涉及一種深埋長引水隧洞的無線長期監測裝置及其測試方法，具體為一種長期無線監測深埋長引水隧洞襯砌和圍巖的應力值、應變值、滲透壓力值等的系統裝置和測試方法，屬于水利工程技術領域。

背景技術

隨著我國水利水電事業的蓬勃發展，大批的引水隧洞相繼興建，建成的各種水工隧洞總里程約有10000km，建設中的水工隧洞總里程約有1000km，已規劃尚未開工的水工隧洞總里程超過2000km，隨著地下工程施工技術的迅猛發展，引水隧洞也朝著長距離、大斷面方向發展。遼寧大伙房輸水隧洞全長達85km，引漢濟渭秦嶺輸水隧洞全長達82km，錦屏二級水電站引水隧洞開挖直徑達12.4～13.0m，最大埋深約2500m，長度約17km，運行期洞內流速約5m/s。此類超長引水隧洞面臨著高地應力、高外水壓力等復雜地質條件，需在正常運行過程中密切關注水工建筑物及圍巖的實際狀態，以保證工程安全，因此，做好超長引水隧洞的安全監測尤其重要。

目前引水隧洞中常用的監測與檢測方法有電測法和水下機器人巡視法等。然而，基于電測法的傳統安全監測系統組網方式在大埋深長距離的引水隧洞中面臨著信號傳輸衰減，高水頭下絕緣保護難度大，工程成本高等難題。傳統巖土工程安全監測儀器的類型主要為差阻式和振弦式兩類傳感器，這兩類傳感器均為電信號式儀器，傳統布置方法不適用于高埋深長距離引水隧洞的安全監測。

一般傳感器通過電纜供電及傳輸數據，若在已建成隧洞中長距離開挖襯砌來埋設電纜，會對襯砌損害較大，影響其安全運行；而將電纜直接置于洞內時，高埋深、長距離和高水頭環境對電纜絕緣性能要求高，工程成本大。引水隧洞內水流裹挾的砂石顆粒極易對電纜的絕緣材料造成損傷，影響電纜絕緣性能。長距離電纜需要將多根電纜連接在一起，多個接頭使電纜故障風險加大，若電纜只要有一處斷路，整條電纜就會失效，并且在隧洞充水運行期無法及時修復。高埋深隧洞距離地表遙遠，通過山體上地面開挖豎井至監測點埋設電纜成本過高，并且施工困難。所以，在高埋深長距離水工隧洞中監測傳感器不適于使用電纜長期供電和傳輸數據。而傳感器通過蓄電池供電時，蓄電池容量有限，無法滿足引水隧洞長期運行時供電的要求。

一般傳感器無線傳輸是通過電磁波、超聲波等無線信號進行傳播，然而在水工隧洞運行期洞內充滿水流的介質下，無線信號衰減強烈，容易受到干擾，不適用于高埋深長距離引水隧洞的數據傳輸。

一般傳感器埋入隧洞襯砌或圍巖內，通過采用混凝土回填等措施對傳感器進行密封保護，導致后續傳感器難以取出，一旦傳感器出現故障只能被廢棄，極大地浪費了監測資源；并且業主有新的監測需求，無法在原有傳感器裝置基礎上升級改造，只能重新開挖襯砌進行埋設，對隧洞結構造成重復擾動，不利于隧洞健康運行。

目前引水隧洞在正常運行期的常用檢測手段為使用水下機器人巡視，但是其搭載的攝像頭等儀器，僅能獲取襯砌表面圖像，無法獲取襯砌和圍巖的應力、滲壓等信息。

綜上所述，目前，在高埋深、長距離和高水頭環境下，已建成運行的引水隧洞中急需開發一種安全、經濟、有效、靈活的監測裝置及測試方法來感知水工建筑物和圍巖實際狀態。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供了一種深埋長引水隧洞的無線長期監測裝置及其測試方法，解決了現有技術中傳感器難以持續穩定供電、監測數據難以有效傳輸的問題。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：