大坝坝体监测系统的制作方法
【专利摘要】一种能测量出大坝外部、内部每个测试点的大地坐标点，从而建立完整的描述出大坝WGS84坐标系的三维坐标的系统。该系统包括：安装在坝体表面的北斗/GPS双频双系统测量部件，以及安装在坝体内部外部的传感器组；并将以上两项测量数据进行关联计算，推导出大坝外部、内部每一个测试点的坐标点，形成多组大坝测量数据，从而描述出大坝的三维数组；在大坝上安装若干个上述测量系统，可对大坝的变形和位移进行整体监测。
【专利说明】大坝坝体监测系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种新型大坝变形与位移测量【技术领域】，特别是涉及一种大坝整体内外部位移与变形测量及实现大坝内外部变形位移整体耦合的监测装置。
【背景技术】
[0002]水库大坝的测量技术以及测量精度是保证大坝安全的重要手段，高效率、高精度、全天候、无距离限制的实时测量方式，以及在野外环境下长时间工作，是现有水利测量技术发展的方向。
[0003]现在测量大坝的主要手段有:
[0004]使用传感器组成网络的大坝监测设备，使用计算机技术对各种传感器进行数据采集，还包括传感器网络和网关节点；传感器网络、网关节点和计算机监测中心依次连接?’传感器网络由N个传感器节点构成，传感器节点之间根据传感器节点通信协议和节点间距选择形成自组织网络；根据传感器节点能量消耗情况和传感器节点与网关节点的间距，选择一个传感器节点与网关节点无线连接，形成传感器网络测量技术。该技术只能测量出相对位移，无法对大坝的整体绝对位移进行监测
[0005]激光测量法，该方法是在大坝的坝体基点设置一准直激光，射向大坝的各个坝段，在每一个坝段安装一套与坝段固定成一体的激光反射装置，测量时，光斑偏离监测系统中的毛玻璃中心，说明坝段发生偏移，通过数学模型运算可测定大坝的变形量，对较长的大坝，考虑激光光斑大小对测 量精度和范围的影响，还可分段使用该系统，整个系统还能实现激光准直的自校验，保证大坝变形自动化监测高精度要求。这种监测方式只适用于水平位移监测、垂直位移监测，同时监测装置容易受到外界环境的干扰。
[0006]使用GPS卫星定位技术，也是能准确的测量出大坝的变形情况，根据GPS差分测量技术，水平测量精度达到2mm，垂直测量精度能达到5mm，满足坝体测量要求，但该种测量方式只能测量坝体表面变形。
【发明内容】
[0007]本申请所要解决的技术问题是提供一种大坝整体内外部变形与位移测量，并能将大坝内部位移、外部变形数据与整体大坝的绝对位置数据进行关联的监测装置，解决了现有各种大坝测量技术中存在的无法反映坝体变形全貌以及单纯通过大坝的内部或外部数据进行大坝安全性评估的问题。
[0008]坝体的形变通常是在外力和内力的作用下产生的，当形变较大时，就有可能导致坝体断裂。大坝断裂前后的应力应变关系基本符合从弹性形变到塑性形变的过程，所以准确测量与预判大坝的安全必须实时监测大坝外部和内部的变形与位移情况。
[0009]本申请解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种大坝坝体监测系统，其特征在于:主要包括坝体整体内外部变形与位移的测量装置、坝体相对地面的绝对位移的测量装置以及将两部分上述测量装置得到的坝体整体内外部变形与位移数据与坝体相对地面的绝对位移数据进行关联的数据转换装置；
[0010]其中大坝整体内外部变形与位移的测量装置包括:
[0011]外部变形监测装置，其用来实现对坝体表面监测点的位移测量；
[0012]内部变形监测装置，其用来实现对坝体内部相对变形进行测量；
[0013]所述内部变形监测装置中包括坝体测斜孔以及安装在测斜孔中的测斜仪，其用来确定坝体内部每个监测点的基于WGS84坐标系的坐标点；
[0014]所述坝体相对地面的绝对位移的测量装置采用北斗/GPS设备，其能得到坝体表面每个点相对地面的绝对位移；
[0015]所述数据转换装置为将通过上述外部变形监测装置、内部变形监测装置以及北斗/GPS设备得到的测量点的相关位移数据，应用网络数据处理及联合平差算法，形成大坝内部、外部每个测量点的在WGS84坐标系中的绝对变形值，从而构造成大坝坝体整体变形数据结构。
[0016]所述外部变形监测装置包括:
[0017]水平位移监测装置，主要应用引张线仪；
[0018]垂直位移监测装置，主要应用沉降仪或垂线坐标仪。
[0019]所述内部变形监测装置包括:温度计、湿度计、压力计，固定式测斜仪、便携测斜仪，土体沉降仪，分层沉降仪，多点沉降仪组成的传感器阵列。
[0020]所述北斗/GPS设备实时测量精度达到水平测量精度小于1mm、垂直测量精度小于2mm ο
[0021]该监测系统还包括嵌入式计算机部件，以及防雷、供电单元、箱体作为所述监测系统的辅助单元。上述监测系统的工作方式为:首先通过北斗/GPS设备测量出坝体变形区监测点的绝对位移，并将其转换为大地坐标系(坐标显示符合国标相关规定，支持坐标转换功能，WGS84坐标系、CGS2000坐标系、北京54坐标系，并具有各种坐标系转换功能)；再通过坝体整体内外部变形与位移的测量装置测量得到坝体内外部相对变形与位移；最后将前两步的测量数据组合关联，将大地坐标系导入坝体内部，通过地下位移监测系统确定大坝体内部每个监测点的大地坐标点,这样就形成了 3D地理信息的坝体数学模型。
[0022]本申请的有益效果为:现有大坝测量技术方案，对大坝表面位移测量与坝体内部测量没有进行整体融合，应用不同测量技术，可对大坝分别测量，但存在着巨大的风险隐患，如:坝体表面未发生变形，但坝体内部出现整体移动，两类传感器都会出现不超标现象，将导致灾害的发生，此时单一测量技术没能呈现出坝体危机前兆。而采用本申请的技术方案，将不同位置测量技术融合到一起，形成整体测量装置，通过不同测量装置的测量点的相关位置，应用网络数据处理及联合平差算法，形成大坝内部、外部每个点的相对大地坐标系的绝对变形，使监测系统对大坝形成整体的数据结构，并可通过3D数字化地理信息技术，将该大坝的模拟变形情况展示给观测者。并辅以一体化的渗流及扬压力监测传感器、温度传感器、水位传感器等，可对大坝的安全进行分析预判，确保水库大坝的安全。从而解决了水库大坝的整体变形监测问题，提高了大坝的安全系数，减少了人力巡查带来的费时费力问题，是大坝监测的新途径。能够准确测量出大坝表面以及内部任何一个位置的变形位移情况，准确测量与计算出大坝表面与内部绝对位移，并能预测坝体变形趋势。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是监测系统组成图；
[0024]图2是北斗/GPS坝体表面变形测量图；
[0025]图3是地下位移监测对比示意图；
[0026]图4是大坝整体内外部变形与位移监测装置组合关联图
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和【具体实施方式】对本申请技术方案进行详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落入本申请权利要求书所限定的范围。
[0028]本申请的实施方式涉及一种大坝坝体监测系统，主要包括坝体整体内外部变形与位移的测量装置、坝体相对地面的绝对位移的测量装置以及将上述坝体整体内外部变形与位移与坝体相对地面的绝对位移进行关联的数据转换装置。其中大坝整体内外部变形与位移的测量装置包括:外部变形监测装置和内部变形监测装置，内部变形监测装置采用多个不同种类埋设在坝体内部的传感器，对坝体内部进行相对位置测量，外部变形监测装置使用表面局部传感器，对坝体表面具有代表性的监测点进行重点测量；测量坝体相对地面的绝对位移的装置采用北斗/GPS设备，该设备应用差分技术，可达到毫米级的测量精度，对坝体表面的水平位移和垂直位移进行实时监测；数据转换装置为将采集监控单元读取的不同类型传感器的数据进行关联处理，数据处理单元通过北斗/GPS设备给出的大坝不同点的坐标，再通过图3中所示的测斜仪数据算出坝体中每个点在WGS84坐标系中的变形位移，根据不同时间的数据累加，构造成大坝坝体整体变形数据结构从而得出大坝整体位移情况。
[0029]所述外部变形监测装置包括:水平位移监测装置，主要采用引张线仪；垂直位移监测装置，主要采用沉降仪或垂线坐标仪。
[0030]所述内部变形监测装置包括:温度计、湿度计、压力计，固定式测斜仪、便携测斜仪，土体沉降仪，分层沉降仪，多点沉降仪等传感器组成的传感器阵列，这里要理解，内部变形监测装置是一个广义的概念，包括测量坝体内部各种待测参数的装置。
[0031]所述北斗/GPS设备实时测量精度达到水平测量精度小于1mm、垂直测量精度小于2mm ο
[0032]所述系统还包括嵌入式计算机部件、以及防雷、供电单元、箱体等辅助单元。
[0033]图1是监测系统组成图；大坝坝体监测系统主要包括:1、使用北斗与GPS组合，对坝体表面进行绝对位置测量，能够得到坝体表面监测点的绝对位移；2、多个埋设在坝体内部的传感器，对坝体内部反应变形与位移的各个参量进行相对位置测量；3、表面局部传感器，对大坝表面特定位置进行重点测量，得出相对位置变形。此三部分构成了本装置的测量核心。
[0034]前端监测设备主要由外部变形监测装置与内部变形监测装置两部分进行相对位置测量:外部变形监测仪器，包括:水平位移监测，主要应用引张线仪；垂直位移监测，主要应用沉降仪或垂线坐标仪。内部变形设备，包括:温度计、湿度计、压力计，固定式测斜仪，便携测斜仪，土体沉降仪，分层沉降仪，多点沉降仪等传感器组成的传感器阵列。以及采用北斗/GPS设备用于测量坝体绝对位移。
[0035]图2是北斗/GPS坝体表面变形测量图。图2中，I为安装在稳定区的北斗/GPS基站；2和3为安装在坝体变形区的监测点。北斗/GPS应用差分技术，测量精度达到毫米级。用来监测坝体表面的水平和竖直位移，采用的北斗/GPS系统测量静态定位精度为水平测量精度小于1_、垂直测量精度小于2mm。
[0036]对于坝体表面水平位移及沉降位移的监测，采用北斗/GPS变形监测系统最为理想。坝体位移变化在短时间内是很缓慢的，要通过观测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，需要获得监测点高精度位置坐标数据，通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度，这也是北斗/GPS定位技术能应用于变形观测的一个关键性问题。一般观测使用的全站仪由于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，北斗/GPS技术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将北斗/GPS信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理。
[0037]图3是地下位移监测对比示意图。图3中，左侧表示安装后的正常状态，右侧表示大坝内部发生位移后的状态。采用在测斜孔内安装双轴固定测斜仪来测量地下位移，具有高精度、稳定性好、适于长期地下监测等特点，是目前用于地下位移监测最优的选择。其中双轴固定测斜仪的主要技术参数为:
[0038]轴数:2
[0039]角度量程:±12.5°
[0040]角度精度:0.55% F.S
[0041]位移精度:± 2mm
[0042]温度补偿:内部0.1 °C /mV温度传感器
[0043]图4是大坝整体内外部变形与位移监测装置组合关联图。图4中，4为北斗/GPS位移测量部件，5为测斜计，6为其他内部传感器组合。通过外部变形监测仪器，内部变形设备的关联埋放形成整套大坝测量装置。
[0044]上述监测系统的工作方式为:首先通过北斗/GPS设备测量出坝体变形区监测点的绝对位移,并将其转换为WGS84坐标系(坐标显示符合国标相关规定,支持坐标转换功能，WGS84坐标系、CGS2000坐标系、北点54坐标系，并具有各种坐标系转换功能)；再通过坝体整体内外部变形与位移的测量装置测量得到坝体内外部相对于北斗/GPS测量点的变形与位移；然后将前两步的测量数据组合关联计算，将WGS84坐标系导入坝体内部，通过地下位移监测系统确定大坝体内部每个监测点的WGS84坐标点，这样就形成了 3D地理信息的坝体数学模型，该数学模型能够实时表征坝体整体变形位移情况；最后根据附带安装的温度、压力、湿度、雨量等传感器，通过数据分析，可预测大坝的危险情况，达到本系统对水库大坝坝体的监测以及预测坝体变形趋势的目的。
[0045]该系统整体工作原理是采集监控单元4轮流读取不同类型传感器的相关数据，并将上述得到的数据上传至数据处理单元。数据处理单元通过北斗/GPS设备给出大坝不同点的坐标，再通过测斜仪算出坝体中每个点的大地坐标位置，根据不同时间的数据累加，得出大坝位移情况。
【权利要求】
1.一种大坝坝体监测系统，其特征在于:主要包括坝体整体内外部变形与位移的测量装置、坝体相对地面的绝对位移的测量装置以及将两部分上述测量装置得到的坝体整体内外部变形与位移数据与坝体相对地面的绝对位移数据进行关联的数据转换装置； 其中大坝整体内外部变形与位移的测量装置包括: 外部变形监测装置，其用来实现对坝体表面监测点的位移测量； 内部变形监测装置，其用来实现对坝体内部相对变形进行测量； 所述内部变形监测装置中包括坝体测斜孔以及安装在测斜孔中的测斜仪，其用来确定坝体内部每个监测点的基于WGS84坐标系的坐标点； 所述坝体相对地面的绝对位移的测量装置采用北斗/GPS设备，其能得到坝体表面每个点相对地面的绝对位移； 所述数据转换装置将通过上述外部变形监测装置、内部变形监测装置以及北斗/GPS设备得到的测量点的相关位移数据，形成大坝内部、外部每个测量点的在WGS84坐标系中的绝对变形值，从而构造成大坝坝体整体变形数据结构。
2.如权利要求1所述的大坝坝体监测系统，所述外部变形监测装置包括: 水平位移监测装置，主要应用引张线仪； 垂直位移监测装置，主要应用沉降仪或垂线坐标仪。
3.如权利要求1所述的大坝坝体监测系统，所述内部变形监测装置包括:温度计、湿度计、压力计，固定式测斜仪、便携测斜仪，土体沉降仪，分层沉降仪，多点沉降仪组成的传感器阵列。
4.如权利要求1所述的大坝坝体监测系统，所述北斗/GPS设备实时测量精度达到水平测量精度小于1_、垂直测量精度小于2mm。
5.如权利要求1所述的大坝坝体监测系统，还包括嵌入式计算机部件，以及防雷、供电单元、箱体作为所述监测系统的辅助单元。
【文档编号】G01B7/02GK203744915SQ201320454280
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】王晓翔, 鲁涛 申请人:王晓翔, 鲁涛