一种水流诱发场地振动的监测系统的制作方法

本发明涉及一种水流诱发场地振动的监测系统，属于水利水电工程、土木工程技术领域。

背景技术：

高坝大库工程是水资源综合利用和水能资源开发的需要，一直倍受世界各国重视。由于高坝大库泄洪落差大，高坝泄洪水流引起的水流脉动荷载，作用在泄流结构上，会诱发泄流结构和地基产生振动，这种振动会由地基向周边场地传递，遇到特殊的场地条件，会对振动产生“放大效应”，而场地上的房屋或其他建筑物又可能会对场地上的振动进行“二次放大”，经“多次放大”的场地振动会造成一定的环境危害，即对建筑物的结构安全和人的身体心理产生的不利影响。国外，俄罗斯Zhigulevskaya水电站1979年宣泄洪水时，曾引起了左岸陶里亚蒂市的场地和房屋强烈振动，甚至在距大坝左岸3km远处的居民楼也产生了可感的振动，振动使人出现焦虑，头晕，恶心等现象。国内，金沙江溪洛渡水电站曾在主汛期坝身4个深孔开启泄洪，坝区下游右岸混凝土拌合系统的制冰楼(为一栋5层钢结构建筑)发生了明显的振动。雅砻江二滩水电站也出现过泄洪引起的下游电厂管理用房明显振动的现象。金沙江向家坝水电站2012年10月首次下闸蓄水，距离其1.5km的县城出现了明显的振动，在较远处的局部场地振动甚至强于近坝区的地面振动，振动造成居民楼晃动，引起坝区和城区民众的不安。然而，水流诱发场地振动涉及振动输入(泄洪水流)和振动输出(场地)，振动传播路径复杂，目前对于水流诱发场地振动的监测方法手段未见报道，因此，需要建立一种有效地监测泄洪水流诱发场地振动监测系统，通过对振动输入、输出以及传播路径的全过程监测，达到及时预测场地振动量级、有效控制场地振动大小、减少场地振动造成的破坏。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种水流诱发场地振动的监测系统，利用合理布置的传感器采集水流脉动和场地振动信号，通过对信号进行实时分析，判断场地振动是否由水流引起、得出场地振动传播路径、预测场地振动量级等信息，并根据分析结果，自动判断水流对场地的影响，发布预警信息和控制方式信息，以有效控制场地振动现象。

本发明提出的水流诱发场地振动的监测系统，包括：多个脉动压力传感器、多个振动传感器、多个数据无线发射装置和控制机房；所述的控制机房置于下游河道一侧的下游场地上，控制机房内设置有数据采集控制终端、数据分析处理终端和报警器；

所述的多个脉动压力传感器分别置于坝体下方的泄洪结构中，用于采集不同泄流结构处的水流脉动压力随时间变化信号；

所述的多个振动传感器，分别置于下游河道一侧的下游场地的各处，用于采集场地振动随时间变化信号，并将该信号通过无线装置发送至数据采集控制终端；

所述的多个数据无线发射装置，分别置于坝体和下游场地上，用于通过无线网络接收脉动压力传感器和振动传感器采集的信号，并将该信号通过无线网络发送至机房内的数据分析采集终端；

所述的数据采集控制终端，置于控制机房内，用于通过无线网络控制采集脉动压力传感器和振动传感器的数据，并控制数据采集时间和数据采集方式，数据采集方式为设定时间周期自动采集或人工手动采集；

所述的数据分析处理终端，置于控制机房内，用于对采集信号进行实时分析，得到场地振动强度、场地振动主要振动频率、泄流结构方式与场地振动关系、泄流结构的合理性和泄流结构的泄流方式合理性，并将分析结果进行显示和保存；

所述的报警器，置于下有场地控制机房内，用于接收数据分析处理终端发出的报警信号，并进行语音提示和动态仿真图形显示，或将语音提示和动态仿真图形通过数据无线发射装置发送至监测人员的手机上。

本发明提出的水流诱发场地振动的监测系统，其优点是：本发明的监测系统，首次通过监测振动传播全过程，即振动输入端、输出端以及传播路径，建立振源与场地振动的联系，实现对场地振动振源进行分析、得出场地振动传播路径、预测场地振动量级等信息，并根据分析结果，自动判断水流对场地的影响，发布预警信息和控制方式信息，有效控制场地振动现象。

附图说明

图1是本发明提出的水流诱发场地振动智能监测系统的示意图。

图2是本发明监测系统监测到的水流脉动压力和场地测点振动信号时间-小波能量谱示意图。

图3是本发明监测系统监测到的水流脉动压力和场地测点振动信号交叉小波变换谱示意图。

图1中，图1中，1坝体，2脉动压力传感器，3是泄洪结构，4是数据无线发射装置，5是下游河道，6是下游场地，7是振动传感器，8是控制机房，9是山体，10是水库。

具体实施方式

本发明提出的水流诱发场地振动的监测系统，其结构如图1所示，包括：多个脉动压力传感器2、多个振动传感器7、多个数据无线发射装置4和控制机房8。控制机房8置于下游河道5一侧的下游场地6上，控制机房8内设置有数据采集控制终端、数据分析处理终端和报警器；

所述的多个脉动压力传感器2分别置于坝体下方的泄洪结构3中，用于采集不同泄流结构处的水流脉动压力随时间变化信号；

所述的多个振动传感器7，分别置于下游河道5一侧的下游场地6的各处，用于采集场地振动随时间变化信号，并将该信号通过数据无线装置4发送至控制机房8内数据采集控制终端；

所述的多个数据无线发射装置4，分别置于坝体1和下游场地6上，用于通过无线网络接收脉动压力传感器和振动传感器采集的信号，并将该信号通过无线网络发送至机房内的数据分析采集终端；

所述的数据采集控制终端，置于控制机房内，用于通过无线网络控制采集脉动多个压力传感器和多个振动传感器的数据，并控制数据采集时间和数据采集方式，数据采集方式为设定时间周期自动采集或人工手动采集；

所述的数据分析处理终端，置于控制机房内，用于对采集信号进行实时分析，得到场地振动强度、场地振动主要振动频率、泄流结构方式与场地振动关系、泄流结构的合理性和泄流结构的泄流方式合理性，并将分析结果进行显示和保存；

所述的报警器，置于下有场地控制机房内，用于接收数据分析处理终端发出的报警信号，并进行语音提示和动态仿真图形显示，或将语音提示和动态仿真图形通过数据无线发射装置发送至监测人员的手机上。

本发明的监测系统中，用于采集相关数据的多个脉动压力传感器2、多个振动传感器7合理排列布置在水流处的泄洪结构和下游场地，采集水流脉动以及场地振动信息，本发明的监测系统中，使用的脉动压力传感器可以是由航天部701研究所生产的型号为固化硅AK—3型的水压脉动传感器，振动传感器可以是由清华大学科教仪器厂生产的DP型地震式低频振动传感器。

控制机房8内设置的数据采集控制终端将传感器上传的信号实时传输，至数据分析处理终端，实现远程实时动态监测。

数据分析处理终端可实现数据的实时显示、采集、保存，各项指标的分析、提取和预警等。进行信号的时域分析、幅值域分析、频域分析以及时-频域分析等功能，通过分析，可判断场地振动是否由水流引起、得出场地振动传播路径、预测场地振动量级等信息。

本发明的监测系统中，使用的报警器可以是天津大学提供的型号为ZF-1动态监测报警装置。

下面结合附图详细说明本发明的检测系统，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

以一个水电站泄洪水流诱发场地为例，介绍该系统应用情况。

在本实施方式中，一种水流诱发场地振动智能监测系统，应用某水电站泄洪水流诱发场地振动现场，该区域水电站与下游场地的位置如图1所示。

该系统运行过程如下：

(1)传感器的选择：脉动压力传感器采用航天部701研究所生产的固化硅AK—3型水压脉动传感器，量程为0～100米水柱，动态范围0～1000Hz，使用二等标准压力计现场静态原位率定，传感器精度±0.2％FS。振动传感器采用清华大学科教仪器厂生产的高精度低频振动传感器，具体指标为：频率响应0.35-200Hz；灵敏度8mV/μm；量程±1.25mm。

(2)数据采集：数据采集控制终端，置于控制机房内，使用专用48路远程数据采集仪，通道间无时差。该仪器包含一个ADAM-5550KW数据采集控制器和4块ADAM-5017S数据采集卡。可控制数据采集时间和数据采集方式，数据采集方式为设定时间周期自动采集或人工手动采集；可根据测量数据的状态，任意调整测量频率。采样随启随停，设计了示波－采样－回放流程，可以对不需要的数据予以删除。具有工况表述功能，并与数据文件一起保存。可以手动采集或预设自动采集。

(3)数据传输：采用APT-103S33IC型光纤收发器进行数据传输，APTTEK系列以太网光纤传输收发器设计用于城域光纤宽带网络。通过无线网络接收脉动压力传感器和振动传感器采集的信号，并将该信号通过无线网络发送至机房内，与ADAM-5017S数据采集器连接，再通过采集器将采集到的数据通传输到数据分析处理终端，实现远程实时动态监测。

(4)数据分析处理终端：置于控制机房内，用于对采集信号进行实时分析，得到场地振动强度、场地振动主要振动频率、泄流结构方式与场地振动关系、泄流结构的合理性和泄流结构的泄流方式合理性，并将分析结果进行显示和保存；

利用已有的时间-小波能量谱分析技术可以消除干扰因素，突出水流脉动能量，用以实时判断并输出场地振动是否由泄洪水流引起。如图2所示为某工况下水流脉动压力变化情况和同一时间场地某测点振动变化情况)时间-小波能量变换结果。其中的图2(a)为时间-小波能量谱，其中的图2(b)为时间-小波能量频谱。可以看出，水流脉动荷载主频为2.55Hz，其他能量在3.58Hz及其倍频也有分布，场地测点有2.55Hz和3.58Hz两个明显主频，且两个频率的能量较水流脉动的有所增强。因此可以判断这一工况场地振动的主要能量来自泄流产生水流脉动。

利用交叉小波变换在时频域内同时分析两个非平稳信号之间的相关性，建立振源与场地振动的联系，可以预判场地振动量级，并根据多次分析结果，自动计算控制振动方式。如图3所示为某工况下水流脉动压力信号和同一时间场地某测点振动信号交叉小波变换结果，图中从深到浅表示两个信号对应时间、频率处的幅值关联程度从大到小。可以看出，该工况振源与场地振动相关频带较宽，同步性较高，在1.0-3.0Hz频带对场地振动都有影响。因此，可根据分析结果，调整水电站泄洪方式，降低或升高水流脉动频率。

(5)报警器：置于下有场地控制机房内，用于接收数据分析处理终端发出的报警信号，并进行语音提示和动态仿真图形显示，或将语音提示和动态仿真图形通过数据无线发射装置发送至监测人员的手机上。