本实用新型涉及坝体加固及预警装置领域，尤其是涉及一种坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统。
背景技术：
数量庞大的水库大坝在我国防洪，灌溉，供水，发电和生态保护等方面发挥着极其重要的作用，社会，经济和环境效益明显，是我国防洪工程体系和水利基础设施的重要组成部分，特别是对改善农民生活条件和农村经济可持续发展起着不可替代的重要作用。我国已建水库8.7万余座，大部分水库兴建于20世纪中叶，由于受当时条件限制，许多工程先天不足，加上管理落后，致使约44％的水库成为病险水库。但由于历史原因和管理运行不善，致使大部分水库大坝存在程度不同的病险，使工程效益难以发挥、给社会，经济及环境带来安全隐患。开展大坝的除险加固，一方面可以及时治除病险水库的安全隐患，充分发挥工程效益，另一方面，也可使除险加固工程逐步走向规范化、科学化和法治化道路，为促进地方经济发展，社会稳定和人民安居乐业创造良好条件。
我国水利水电工程的大规模建设和管理已历经50多年，在补强、加固和加高方面积累了很多行之有效的方法和经验。施工期、运行期对大坝各种缺陷的及时、彻底地补强、加固可以有效避免重大病险，有效延长大坝的使用寿命。
我国的中小型水库大坝的基本结构类型一般分为重力坝和拱坝两种。
重力坝是用混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，依靠自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝上游侧的水推力以保持稳定。
拱坝是指将上游坝面所承受的大部分水压力和泥沙压力通过拱的作用传至两岸岩壁，只有小部分或部分水压力通过悬臂梁的作用传至坝基的一种坝体。拱坝对地形、地质条件要求较高，坝址要求河谷狭窄，两岸地形雄厚、对称、基岩均匀、坚固完整，并有足够强度、不透水性和抗风化性等。
目前，不论是重力坝或者拱坝，突出问题之一是大坝结构不安全。即大坝的结构强度及抗滑稳定不满足规范要求。造成的原因主要有：坝体断面不足，坝坡偏陡，坝坡的抗滑稳定不满足规范要求；护坡破损，危及大坝安全；浆砌石及混凝土坝由于施工质量差或坝基清基不彻底，大坝的结构强度或抗滑稳定不满足规范要求。
而当前主要的加固技术是采用预应力锚杆加固边坡或者坝基。在混凝土坝上游布置竖向预应力锚杆，既可提高大坝抗滑稳定性，又可提高大坝的抗弯能力，且可在不降低水库运行水位的条件下进行，经济效益较为突出。国外许多国家采用此法进行大坝加固。但是，因为水库一般都有蓄洪防洪功能，在采用预应力锚杆加固大坝的同时，也相应地加高大坝，这样一来会导致原有的不稳定结构面，如坝坡、坝基和坝肩的剪切力增大，进而可能加剧结构面的失稳。但传统的简单的预应力锚杆由于不能忍受显著变形，也不能吸收能量，最终对于病险结构面的加固不能起到持久稳定的支护。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种坝体固定锚杆、大坝加固锚杆装置群和坝体监测系统，以解决现有技术中存在的技术问题。
本实用新型提供的坝体固定锚杆，包括锚杆、防护墩、预应力计、承载板、限位螺母、行程拉杆、套锁具、外套、钢支架和恒阻护套；
所述钢支架设置在所述防护墩的一侧；
所述预应力计设置在所述钢支架远离所述防护墩的一端；
所述承载板设置在所述预应力计远离所述钢支架的一端；
所述套锁具设置在所述承载板远离所述预应力计的一侧；
所述限位螺母设置在所述套锁具远离所述承载板的一端；
所述行程拉杆上设置有外螺纹；
所述行程拉杆的一端与所述限位螺母螺纹连接，另一端穿过所述套锁具与所述外套的一端螺纹连接；
所述锚杆的一端通过所述外套的另一端插入且固定在所述外套内；
所述锚杆的另一端依次穿过所述钢支架、所述防护墩和所述恒阻护套后，与所述恒阻护套固定连接；
所述锚杆与所述恒阻护套之间设置有恒阻填充料；
所述锚杆为负泊松比性能材料；
所述钢支架上设置有应力应变传感器。
进一步的，所述钢支架包括上板、下板和多根立柱；
所述上板和所述下板通过多根所述立柱固定连接。
进一步的，所述应力应变传感器设置在所述上板和所述下板之间。
进一步的，所述防护墩为梯台；
所述梯台的较大底面设置在远离所述钢支架的一端。
本实用新型还提供了一种大坝加固恒阻锚杆装置群，其包括多个上述的坝体固定锚杆。
本实用新型还提供了一种坝体监测系统，其包括电源、第一数据传输装置、第二数据传输装置、数据处理器、室内数据接收器和上述的大坝加固恒阻锚杆装置群；
所述数据处理器与所述大坝加固恒阻锚杆装置群的所述应力应变传感器信号连接，用于接收并处理所述应力应变传感器的信号；
所述室内数据接收器通过所述第一数据传输装置和所述第二数据传输装置与所述数据处理器信号连接；
所述第一数据传输装置和所述第二数据传输装置并联设置；
所述第一数据传输装置、所述第二数据传输装置、所述数据处理器、所述室内数据接收器和所述大坝加固恒阻锚杆装置群均与所述电源连接。
进一步的，所述应力应变传感器与所述数据处理器之间通过zigbee链路连接。
进一步的，所述第一数据传输装置为GPRS zigbee数据传输装置；
所述第二数据传输装置为北斗zigbee数据传输装置。
进一步的，坝体监测系统还包括风险识别单元；
所述风险识别单元与所述数据处理器信号连接。
进一步的，坝体监测系统还包括避雷针；
所述避雷针与所述数据处理器、所述第一数据传输装置、第二数据传输装置连接，能够在雷雨季节起到防雷、防击穿作用。
本实用新型提供的坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统，利用具有负泊松比的锚杆，能够保证固定锚杆在工作状态下应力应变响应的灵敏性；同时，利用锚杆的负泊松比性能，在其受力过程中的相当一部分阶段，拉力增加，截面积反而增大，增大的机理是吸收外界传导的能量，而正是吸收能量的特性可以吸收大部分病险结构面的滑动力，从而削减或者避免病险结构面发生的变形；锚杆外设置的恒阻护套，能够使得锚杆具有较大的、恒定得摩擦阻力，因而可以保证锚杆加固性能的可靠性、稳定性和可持续性；本实用新型提供的坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统，具有成本低、操作简单、可以承受大变形、吸收能量、高度信息化等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例提供的坝体固定锚杆的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的坝体固定锚杆的使用状态参考图；
图3为本实用新型实施例提供的坝体监测系统的基础流程图。
附图标记：
1：限位螺母；2：外套；3：预应力计；4：钢支架；5：防护墩；6：锚杆；7：行程拉杆；8：套锁具；9：承载板；10：应力应变传感器；11：锚固界面；12：恒阻填充料；13：恒阻护套；14：坝体；15：恒阻端；16：病险结构面；17：行程杆体；18：锚固端；19：岩体。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如附图1-图3所示，本实用新型提供了一种坝体固定锚杆，包括锚杆6、防护墩5、预应力计3、承载板9、限位螺母1、行程拉杆7、套锁具8、外套2、钢支架4和恒阻护套13；
所述钢支架4设置在所述防护墩5的一侧；
所述预应力计3设置在所述钢支架4远离所述防护墩5的一端；
所述承载板9设置在所述预应力计3远离所述钢支架4的一端；
所述套锁具8设置在所述承载板9远离所述预应力计3的一侧；
所述限位螺母1设置在所述套锁具8远离所述承载板9的一端；
所述行程拉杆7上设置有外螺纹；
所述行程拉杆7的一端与所述限位螺母1螺纹连接，另一端穿过所述套锁具8与所述外套2的一端螺纹连接；
所述锚杆6的一端通过所述外套2的另一端插入且固定在所述外套2内；
所述锚杆6的另一端依次穿过所述钢支架4、所述防护墩5和所述恒阻护套13后，与所述恒阻护套13固定连接；
所述锚杆6与所述恒阻护套13之间设置有恒阻填充料12；
所述锚杆6为负泊松比性能材料；
所述钢支架4上设置有应力应变传感器10。
本实用新型要解决的问题是，在采用一种可以吸收显著变形和结构面滑动能量的大坝除险加固装置，控制病险结构面16的失稳趋势。
在本实用新型中，病险结构面16指的是大坝结构主体与岩体19接触的、存在滑动或者失稳可能性的不连续面。比如，坝基或坝坡与基岩岩体19的接触面、坝肩与山谷岩体19的接触面。
在本实施例中，坝体固定锚杆由预应力恒阻负泊松比锚杆6、钢筋混凝土制作的防护墩5、应力应变传感器10组成。
锚杆5设置在坝体14内的部分为行程杆体17，其端部为恒阻端15。
预应力恒阻负泊松比锚杆6在安装之前预先施加一定的拉应力，以保证加固装置工作状态下应力应变响应的灵敏性；
本实施例中的锚杆6具有恒阻特性，由于锚杆6在受力拉升的过程中，锚杆6外壁与锚浆或混凝土具有较大的、恒定得摩擦阻力，形成恒阻端15，因而可以保证锚杆6加固性能的可靠性、稳定性和可持续性。
本实施例中的锚杆6具有较大的变形能力，可以承受相当程度的拉伸变形而不损坏。
绝大部分弹性物质，更进步一地说，现今用于加固大坝的锚杆6具有正泊松比性能，就是说当其受力拉长时，截面积变小，也就是锚杆6变细。这就是锚杆6要受损破坏的前期特征，这种状态下，传统锚杆6已经无法承受稳定的拉力，加固作用大大降低。
本实用新型所使用的锚杆6的材料为负泊松比性能的材料，在其受力过程中的相当一部分阶段，拉力增加，截面积反而增大，增大的机理是吸收外界传导的能量。
这种负泊松比性能的材料是存在的和便于获得的。
在本实施例中的锚杆6的吸收能量特性可以吸收大部分病险结构面16的滑动力，从而削减或者避免病险结构面16发生的变形。
钢筋混凝土防护墩5作用是固定预应力恒阻负泊松比锚杆6的外受力端，并且承受部分结构面滑动的拉张荷载，并将其传递到大坝主体上。
应力应变传感器10与预应力恒阻负泊松比锚杆6内部结构耦合，实时传递锚杆6的应力和应变的变化情况。
应力应变传感器10可以通过导线将实时应力应变数据传输到数据处理器内。
加固装置具有特定的安装角度：预应力恒阻负泊松比锚杆6应尽可能大坝的垂直结构面，确保最大程度利用锚杆6的拉力和变形性能和潜力。
加固装置具有特定的安装工序：首先，垂直病险结构面16打钻孔，钻孔穿过病险结构面16，钻孔底端需要达到完整基岩区，以保证最大的底端抗拉强度。将锚杆6全程放入钻孔底部，从钻孔底部反排水泥砂浆进行锚固。
在本实施例中，坝体固定锚杆的工作原理为：加载时，套锁具8作用在限位螺母1上行程拉杆7，外套2依靠与行程拉杆7之间的螺纹连接，将拉力从行程拉杆7传递到外套2，继而传递给锚杆6。加载过程结束后，可撤去行程拉杆7、套锁具8和承载板9，进行重复使用。
优选的实施方式为，所述钢支架4包括上板、下板和多根立柱；
所述上板和所述下板通过多根所述立柱固定连接。
所述应力应变传感器10设置在所述上板和所述下板之间。
优选的实施方式为，所述防护墩5为梯台；
所述梯台的较大底面设置在远离所述钢支架4的一端。
防护墩5设置为梯台结构，其能够利用较大面与坝体14接触，形成锚固界面11，进而保证了锚杆6与坝体14之间的压力的传递，保证了不会由于锚杆6受力太大而将坝体14压坏。
本实用新型还提供了一种大坝加固恒阻锚杆装置群，其包括多个上述的坝体固定锚杆。
在一个病险大坝范围内，设置多个坝体固定锚杆形成一个加固装置群。
本实用新型提供的坝体固定锚杆和大坝加固恒阻锚杆装置群的作用是加固病险结构面16，稳定并阻止可能滑动、或者失稳的病险结构面16。
本实用新型还提供了一种坝体监测系统，其包括电源、第一数据传输装置、第二数据传输装置、数据处理器、室内数据接收器和上述的大坝加固恒阻锚杆装置群；
所述数据处理器与所述大坝加固恒阻锚杆装置群的所述应力应变传感器10信号连接，用于接收并处理所述应力应变传感器10的信号；
所述室内数据接收器通过所述第一数据传输装置和所述第二数据传输装置与所述数据处理器信号连接；
所述第一数据传输装置和所述第二数据传输装置并联设置；
所述第一数据传输装置、所述第二数据传输装置、所述数据处理器、所述室内数据接收器和所述大坝加固恒阻锚杆装置群均与所述电源连接。
本实用新型提供的具有远程无线数据传输功能的坝体监测系统，当病险结构面16达到可能失稳的阈值时，可以远程无线发出预警信号。
特别是一旦接近失稳阈值时，仍然可以采用新增或者加密本装置的方法，继续反复加固。
本实用新型能够监测病险结构面16上应力和应变的动态变化情况，科学指导水库大坝的全面安全防护工作；能够实时监测病险结构面16在外界情况突变，比如库存水位突增或者突降、远程地震作用触发和干扰等，造成病险结构面16的滑动力突然剧增，可能导致加固装置失效，进而危及大坝整体安全时，及时发出远程预警信号，使相关管理和技术人员及时采取应对措施。
加固装置通过应力应变传感器10联接监测预警系统。应力应变传感器10既属于加固装置，又属于监测预警系统，发挥桥梁作用。
本预警系统采用太阳能、交流电和锂电池组的方式进行工作供电。供电工作先后顺序是太阳能、交流电、锂电池组。
太阳能可以为锂电池组充电。
锂电池组多于2块锂电池。锂电池组是备用和紧急供电电源，保证危急时刻大坝监测预警系统的工作。
在本实施例中，还设置有天线，利用天线辅助监测数据的远程稳定传输。
根据理论计算，可为每座大坝的不同位置确定不同的应力应变阈值，根据实监测曲线的不同发展状态，设置不同的预警级别。并根据不同的预警级别采取不同的预防和加固措施。
室内监测平台包括北斗卫星接收机、室内数据接收器、服务器、数据自动处理和分析系统、显示器以及报警装置等。
优选的实施方式为，所述应力应变传感器10与所述数据处理器之间通过zigbee链路连接。
大坝加固恒阻锚杆装置群内的数据组网采用zigbee数据传输技术，既提高了数据传输的有效距离，又提高了数据传输的安全性和稳定性。
zigbee链路可以采用网状组网模式或者线状组网模式完成大坝区所有监测数据的汇聚处理操作。
相应地，大坝预警系统也存在GPRS-zigbee数据传输装置和北斗-zigbee数据传输装置两种数据收集汇聚和远程传送装置。
优选的实施方式为，所述第一数据传输装置为GPRS zigbee数据传输装置；
所述第二数据传输装置为北斗zigbee数据传输装置。
现场设备的数据传输采用GPRS zigbee数据传输装置和北斗zigbee数据传输装置并行的通讯模式，并设置有工作状态识别器，当发现一路信号通讯断开，立刻启动另一路设备进行数据传输。这种灵活的通讯组合方案，可以保证数据传输的稳定。GPRS zigbee数据传输装置和北斗zigbee数据传输装置并行的通讯模式可以保证全天候和全环境数据稳定传输。
GPRS zigbee数据传输装置可以根据大坝通讯环境，选择信号最强的移动运营SIM卡作为传输载体，也可以选择多种移动运营SIM卡组合方式，简单灵活，经济低廉。
北斗zigbee数据传输装置具有短文通报功能。
优选的实施方式为，坝体监测系统还包括风险识别单元；
所述风险识别单元与所述数据处理器信号连接。
每个大坝加固装置是一个节点，多个节点通过zigbee链路汇聚到数据处理器和风险识别单元。实时监测数据和预警判定信号通过GPRS和北斗通讯方式远程传输到室内监测平台。
执行监测和预警工作时，首先，各加固装置点应力应变传感器10采集到实时数据后，通过zigbee网状或者线状链路汇聚到汇聚点，也就是数据处理器和风险识别单元，然后经工作状态识别器的自动判断，优先将数据传输给GPRS/DTU，然后通过室内数据接收器，将数据上传并储存到室内监测平台。
特别地，当大坝区移动通讯信号中断或者不稳定时，数据传输自动转传输给BD/DTU，然后通过室内数据接收器，将数据上传并储存到室内监测平台。
优选的实施方式为，坝体监测系统还包括避雷针；
所述避雷针与所述数据处理器、所述第一数据传输装置、第二数据传输装置连接，能够在雷雨季节起到防雷、防击穿作用，进而保护整个坝体监测系统。
本实用新型提供的坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统，利用具有负泊松比的锚杆6，能够保证固定锚杆6在工作状态下应力应变响应的灵敏性；同时，利用锚杆6的负泊松比性能，在其受力过程中的相当一部分阶段，拉力增加，截面积反而增大，增大的机理是吸收外界传导的能量，而正是吸收能量的特性可以吸收大部分病险结构面16的滑动力，从而削减或者避免病险结构面16发生的变形；锚杆6外设置的恒阻护套13，能够使得锚杆6具有较大的、恒定得摩擦阻力，因而可以保证锚杆6加固性能的可靠性、稳定性和可持续性；本实用新型提供的坝体固定锚杆、大坝加固恒阻锚杆装置群和坝体监测系统，具有成本低、操作简单、承受大变形、吸收能量、高度信息化等优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。