一种混凝土重力坝水下裂缝电控巡回监测装置的制作方法

本发明涉及水工结构安全监测领域，尤其涉及一种混凝土重力坝水下裂缝电控巡回监测装置。

背景技术：

混凝土重力坝的裂缝监测是坝体结构安全监测的重要部分。混凝土材料的变形易受温度影响，当混凝土结构件的温度场分布不均匀时，不同部位膨胀或收缩的状态不同，因此混凝土构件表面会产生温度裂缝。修建在高海拔寒冷地区的混凝土重力坝的特点在于，坝址区域昼夜温差大，该自然气候条件使得混凝土重力坝的坝体表面极易产生温度裂缝。因此寻求一种专门针对高寒地区混凝土重力坝运行期坝面裂缝监测装置及其使用方法，是水工结构安全监测领域研究人员对于极端条件下裂缝监测方向的研究热点，对混凝土重力坝结构的安全稳定运行也起着重要作用。

通常，水工结构裂缝监测项目的实施是通过在某些重点监测部位埋设测缝计，然而这种方式只能对坝体内部某些部位的开裂状态进行监测，裂缝监测的实际作用受到了限制，因此如何扩展裂缝监测的覆盖范围成为结构安全监测技术人员研究的方向。此外，在上述的传统裂缝监测方式中，测缝计一旦出现故障或者损坏不易进行修理和更换，因此，随着混凝土重力坝运行时间的增长，测缝计的存活率将会不断降低，裂缝监测项目的质量无法得到保证。第三，测缝计的监测量为裂缝开合度，其无法对裂缝数目和裂缝具体形态进行监测，不能对高寒地区混凝土重力坝运行期的坝面裂缝问题提供补强修复依据。

对于裂缝数目和形态的监测，目前主流的方式仍是潜水员携带设备潜入水底对坝面进行巡检。人工巡检的方式可以实现对坝面细微裂缝的识别，但是仍然存在以下几个问题：第一，人工巡检对于实操人员的专业背景较强，实际操作和评估中的人为误差难以避免；第二，潜水巡检存在一定的危险性，尤其是随着近年特高坝的建设，潜水的深度甚至要达到上百米，难度越来越大；第三，难以系统的记录整个坝面的裂缝信息，以及对坝面进行整体建模。

随着无人机技术的发展，工程技术人员开始尝试采用水下无人机拍照巡检的方式对桥墩裂缝进行监测，但是由于水下流速等环境的复杂性，巡检无人机在水下定点巡航的精度始终难以保障。另外，用于裂缝监测的相机等装备精度要求较高，质量通常比较重，因此在实际工程中，采购同时保障承重能力和续航能力的无人机价格过于昂贵。第三，水下环境恶劣时更容易出现坝面安全问题，而水下无人机难以在环境恶劣的场景实现定点巡航。

针对传统裂缝监测覆盖面不足，监测量单一，以及人工巡检和无人机监测稳定性不足等缺点，可以采用水下高清摄像机对混凝土坝面进行全覆盖拍摄，结合图像处理技术对坝体表面裂缝进行监测分析。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种针对高寒地区的混凝土重力坝水下裂缝电控巡回监测装置。

技术方案：本发明包括横向移动装置、竖向移动装置、横竖连接装置和拍摄装置，所述的横向移动装置固定在坝顶，竖向移动装置设置在重力坝侧面，横向移动装置和竖向移动装置之间安装有横竖连接装置，所述的拍摄装置设置在竖向移动装置的一侧；所述的横竖连接装置包括动力中号齿轮和从动中号齿轮，所述的动力中号齿轮和从动中号齿轮通过连接支架与横向移动装置连接，动力中号齿轮和从动中号齿轮下方啮合有双列齿轮条，所述双列齿轮条的一端与竖向移动装置固定。

所述双列齿轮条的另一端设有配重小车。

所述的配重小车包括配重小车底座和配重小车支架，其中，配重小车支架上设有承重托盘。

所述的承重托盘上放置有工程配重块。

所述双列齿轮条的底部连接有滑动小轮，所述的滑动小轮能够在坝顶滑动。

所述的动力中号齿轮和从动中号齿轮之间设有中号齿轮连接轴，所述的中号齿轮连接轴的两端均位于动力中号齿轮和从动中号齿轮的外侧。

所述的中号齿轮连接轴上绕有尼龙绳，尼龙绳的末端连接配重小车支架。

所述的横向移动装置包括动力大号齿轮和从动大号齿轮，所述的动力大号齿轮和从动大号齿轮的外侧套有齿轮传送带，所述齿轮传送带的底部连接有连接支架。

所述竖向移动装置的一侧设有单列齿轮条，所述的单列齿轮条上设有拍摄装置，通过电磁力将拍摄装置固定在竖向移动装置的一侧。

有益效果：本发明通过齿轮装置以及组装式通电磁导线套管和拍摄装置使水下拍摄装置能够对混凝土堆石坝面板进行全覆盖的图像采集，裂缝监测数据在时间空间上均得到了扩展，同时，该装置采用高清摄像机对混凝土面板表面进行拍摄，采集的裂缝信息将包括裂缝位置、裂缝形态及裂缝总数量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是图1中的a部放大图；

图4是图2中的b部放大图；

图5是本发明的组装式套管连接示意图；

图6是本发明的操作流程图；

图7是本发明的系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本发明包括横向移动装置、竖向移动装置、横竖连接装置和拍摄装置。其中，大号齿轮外接电源1，大号齿轮连接轴2，大号齿轮支架3，动力大号齿轮4，从动大号齿轮5和齿轮传送带33共同组成横向移动装置，为试验装置提供可自动横向移动的动力。单列齿轮条15，若干节组装式套管16和通电磁导线组成竖向移动装置，为试验装置提供可自动竖直向移动的动力。连接支架6，动力中号齿轮7，从动中号齿轮8，中号齿轮连接轴9，中号齿轮外接电源31，尼龙绳32，双列齿轮条14，滑轮支架29，滑动小轮30，配重小车底座10，配重小车支架11，承重托盘12和若干工程配重块13组成横竖连接装置，用于连接横向移动装置和竖向移动装置。led灯21，水下高清摄影机22，摄影机支架23，齿轮转轮25，齿轮转轮连接轴26，齿轮小车支架27，齿轮小车平板28和位置传感器34组成拍摄装置，进行裂缝图像采集。

如图1和图2所示，横向移动装置包括一个动力大号齿轮4和一个从动大号齿轮5，两个齿轮位于同一高度，其外侧套有齿轮传送带33，动力大号齿轮4和从动大号齿轮5内均套有大号齿轮连接轴2，大号齿轮连接轴2的两端均固定有大号齿轮支架3，大号齿轮支架3呈l型，其底部固定在坝顶上。动力大号齿轮4上还连接有大号齿轮外接电源1，为动力大号齿轮4内的小型电机提供动力，外接电源电压为220v～380v。动力大号齿轮4由内置小型电机驱动，其外直径为30～50cm，内直径为3～5cm，宽度为7～10cm，齿数为15～30齿，齿面粗糙度为1.4～1.8，动力大号齿轮4转动，进而带动齿轮传送带33和从动大号齿轮5转动，实现拍摄装置的横向移动。从动大号齿轮5的尺寸与动力大号齿轮4一致，直径为30～50cm，宽度为7～10cm，齿数为15～30齿，齿面粗糙度为1.4～1.8，从动大号齿轮5和动力大号齿轮4的布置距离由坝顶长度决定；齿轮传送带33内侧齿与动力大号齿轮4和从动大号齿轮5吻合，宽度为5～15cm。两个大号齿轮连接轴2的材质为不锈钢，分别穿过动力大号齿轮4和从动大号齿轮5的中心连接大号齿轮支架3，其直径为3～7cm，两个大号齿轮支架3为不锈钢管，支架高度为50～100cm，外直径为10～20cm，厚度为3～5cm。

齿轮传送带33底部的中央位置固定有连接支架6，用于连接齿轮传送带33和中号齿轮，为不锈钢管，外直径为10～15cm，厚度为2～3cm，连接支架6与齿轮传送带33连接后分成左右两条管路，左侧的管路末端与从动中号齿轮8连接，右侧的管路末端连接动力中号齿轮7，如图4所示。动力中号齿轮7上连接有中号齿轮外接电源31，为其内部内置的小型电机提供动力，电源电压为220v～380v，动力中号齿轮7外直径为15～25cm，内直径为2～4cm，齿数为15～30齿，齿面粗糙度为1.4～1.8；从动中号齿轮8与动力中号齿轮7尺寸相同，外直径为15～25cm，内直径为2～4cm，齿数为15～30齿，齿面粗糙度为1.4～1.8。动力中号齿轮7和从动中号齿轮8之间贯穿有中号齿轮连接轴9，中号齿轮连接轴9的末端均超出中号齿轮的外侧，中号齿轮连接轴9直径为0.5～1.5cm，长度为10～15cm，中号齿轮连接轴9的直径与动力中号齿轮7和从动中号齿轮8的内径均相同。动力中号齿轮7和从动中号齿轮8的底部啮合有双列齿轮条14，位于动力中号齿轮7和从动中号齿轮8之间的中号齿轮连接轴9上饶有尼龙绳32，尼龙绳32一端缠绕在中号齿轮连接轴9上，另一端连接配重小车支架11，如图1所示。两个配重小车支架底11呈三角形分布，其底部连接有配重小车底座10，配重小车底座10位于双列齿轮条14上，配重小车支架底11顶部固定有承重托盘12，用于放置工程配重块13。尼龙绳32长度为3～10m，双列齿轮条14与动力中号齿轮7的齿吻合并且固定在两个滑轮支架29上，滑轮支架29底部设有滑动小轮30，能够在坝顶上横向移动。双列齿轮条14一端放置配重小车，另一端固定连接竖向移动装置，双列齿轮条14长度为10m～20m；配重小车底座为不锈钢，长度为1～1.5m，宽度为1～1.5m，厚度为3～5cm；配重小车支架11为铝合金材料，承重托盘12为铝合金材料，长度为1～1.5m，宽度为1～1.5m，高度为20～40cm；承重托盘12用于放置工程配重块13，配重块为结构的平衡提供重量，工程配重块13重量在100～500kg之间。设置配重小车用来平衡双列齿轮条14右端的竖向移动装置的重量；当动力中号齿轮7转动时，可以调整双列齿轮条14右端的竖向移动装置与坝面的距离，此时配重小车通过缠绕在中号齿轮连接轴9上的尼龙绳32可以改变在中号齿轮在齿轮条上的位置，达到新的平衡。

竖向移动装置包括若干节组装式套管16，如图5所示，若干节组装式套管16之间通过高强度螺栓24组装在一起，组装式套管16的左侧设有单列齿轮条15，每节组装式套管16内部均设有两组通电磁导线。组装式套管16中的通电磁导线接通电源之后产生电磁力，拍摄装置中的齿轮转轮25材料为不锈铁，因此拍摄装置能够通过电磁力固定在竖向移动装置的单列齿轮条15上。拍摄装置的运动通过控制沿途的通电磁导线依次打开和关闭实现，例如当拍摄装置需要匀速下降时，由上至下依次打开和关闭通电磁导线电源，即打开下一节组装式套管16中的通电磁导线电源，并关闭拍摄装置所在的组装式套管16中的通电磁导线电源，通过电磁力位置的变化，牵引拍摄装置下行。

单列齿轮条15与齿轮小车中的齿轮转轮25的齿相吻合，长度为50～150m，单列齿轮条15和若干节组装式套管16长度一致；组装式套管16为铝合金管，每节长度为50～100cm，外直径为10～20cm，厚度为2～3mm，用于组装套管的高强度螺栓24的规格为m16～m30。通电磁导线包括外盒17，材质为聚氯乙烯，内部设有一根磁铁19，磁铁19上绕有通电导线20，通电导线20上设有电源18，电源18电压为220～380v；磁铁19长度为10～20cm，直径为5～10cm；通电导线20为带有绝缘层的铜线，齿轮小车的齿轮转轮25能在内置通电磁导线的套管上实现竖直方向的移动，单列齿轮条15作为竖直方向移动的轨道。

如图3所示，齿轮小车包括两个齿轮转轮25，并通过其内套有的两个齿轮转轮连接轴26与齿轮小车支架27连接，齿轮转轮25为小号齿轮，两个齿轮转轮25尺寸相同，材质为不锈铁，外直径为10～20cm、内直径为1～2cm，宽度为5～10cm，每个齿轮包括15～30个齿，齿面粗糙度为1.4～1.8；两个齿轮转轮连接轴26尺寸相同，直径为0.5～1.5cm，长度为10～15cm，齿轮转轮连接轴26直径与齿轮转轮25内径相同；齿轮小车支架27材质为实心不锈钢，形状为等腰三角形，支架两条腰长度为10～20cm，底边长度为15～20cm，齿轮小车支架27固定在齿轮转轮25两侧，各自与齿轮转轮连接轴26固定，齿轮小车支架27的顶角上固定有齿轮小车平板28，齿轮小车平板28材质为不锈钢，长度为20～30cm，宽度为15～25cm，厚度为3～5cm，齿轮小车平板28固定在齿轮小车支架27上；led灯21固定在小车平板上，led灯21输入电压为12～24v，光通量为1000～2000lm，材质为不锈钢和钢化玻璃；摄像机支架23固定在小车支架上，材质为不锈钢，长度为15～20cm，宽度为15～20cm，厚度为3～5cm；水下高清摄像机22固定放置于摄像机支架23上，水下高清摄像机22的防水等级为水下50～200m，记录分辨率为1080p～1440p，水下高清摄像机22顶部固定有位置传感器34，用于收集水下摄像机的位置信息。

一种混凝土重力坝水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，如图6所示，包括以下步骤：

(1)依次安装横向移动装置，横竖连接装置和竖向移动装置，安装位置传感器，在承重托盘上放置重量为100～500kg的工程配重块，将水下高清摄像机安装在齿轮小车的摄像机支架上，接通动力大号齿轮的电源，使其带动齿轮传送带及横竖连接装置横向移动。

(2)横向移动1～2m时关闭动力大号齿轮电源，通过遥感开关控制通电磁导线电源依次打开，齿轮小车匀速下降，水下高清摄像机开始进行拍摄，位置传感器收集水下摄像机位置，同时地面上工作人员通过vr设备查看水下摄影图像效果。

(3)拍摄结束后将视频缓存、压缩，同时采集位置传感器收集的位置数据，将拍摄图像数据和位置数据打包上传至web服务器和数据服务器，如图7所示。

(4)监测管理人员在web服务器上下载相应数据进行处理，首先将视频格式转换为图片格式，随后对图片进行二值化处理，通过程序对图片分析后导出程序删选出的异常图片，监测管理人员对异常图片进行人工判断，最后将分析结果及分析过程的数据存储至数据服务器。

(5)对混凝土重力坝建立三维模型，将裂缝监测数据导入模型数据库，进行有限元结构计算分析。

(6)用户终端能够查看三维模型和裂缝监测结果，查看模型数据库，对监测信息进行检索，实现监测数据可视化。

实施例1：

购置大号齿轮外接电源1，其电压为220～380v(本实施例为220v)，购置动力大号齿轮4和从动大号齿轮5，其外直径为30～50cm(本实施例为40cm)，内直径为3～5cm(本实施例为4cm)，宽度为7～10cm(本实施例为8cm)，齿数为15～30齿(本实施例为15齿)，齿面粗糙度为1.4～1.8(本实施例为1.5)，购置两个大号齿轮连接轴2，直径为3～7cm(本实施例为4cm)，穿过两个大号齿轮中心安装，购置两组大号齿轮支架3，其高度为50～100cm(本实施例为70cm)，外直径为10～20cm(本实施例为15cm)，厚度为3～5cm(本实施例为3cm)，预制齿轮传送带33，其宽度为5～15cm(本实施例为8m)，组装横向移动装置。

预制连接支架6，其外直径为10～15cm(本实施例为12cm)，厚度为2～3cm(本实施例为2cm)，连接齿轮传送带33和中号动力齿轮7，购置动力中号齿轮7和从动中号齿轮8，其外直径为15～25cm(本实施例为20cm)，内直径为2～4cm(本实施例为2cm)，齿数为15～30齿(本实施例为15齿)，齿面粗糙度为1.4～1.8(本实施例为1.5cm)，购置中号齿轮连接轴9，其直径为0.5～1.5cm(本实施例为1.5cm)，长度为10～15cm(本实施例为12cm)，购置中号齿轮外接电源31，其电源电压为220～380v(本实施例为220v)；预制尼龙绳32，其长度为3～10m(本实施例为9m)，预制双列齿轮条14，其长度为10m～20m(本实施例为15m)，预制配重小车底座10放置在双列齿轮条14一端，其长度为1～1.5m(本实施例为1.2m)，宽度为1～1.5m(本实施例为1.2m)，厚度为3～5cm(本实施例为3cm)，预制配重小车支架11，其高度为30～50cm(本实施例为40cm)，预制承重托盘，用于放置工程配重块13，其长度为1～1.5m(本实施例为1.0m)，宽度为1～1.5m(本实施例为1.0m)，高度为20～40cm(本实施例为30cm)，组装横竖连接装置。

预制单列齿轮条15，其长度为50～150m(本实施例为120cm)，预制组装式套管16，其每节长度为50～100cm(本实施例为100cm)，外直径为10～20cm(本实施例为10cm)，厚度为2～3mm(本实施例为3mm)，套管通过高强度螺栓24(本实施例为m16)组装，每节套管内有两个外盒17，每个外盒17中有购置的磁铁19，其长度为10～20cm(本实施例为15cm)，直径为5～10cm(本实施例为8cm)，购置通电导线20，其总长度为50～100m(本实施例为80m)，组装竖直向移动装置。

购置两个小号齿轮25，其直径为10～20cm(本实施例为20cm)、内直径为1～2cm(本实施例为1cm)，宽度为5～10cm(本实施例为7cm)，每个齿轮包括15～30个齿(本实施例为15cm)，齿面粗糙度为1.4～1.8(本实施例为1.5cm)；购置两个齿轮转轮连接轴26，其直径为0.5～1.5cm(本实施例为1.0cm)，长度为10～15cm(本实施例为15cm)，齿轮连接轴26连接两个齿轮转轮25和齿轮小车支架27，预制齿轮小车支架27，其两条腰长度为10～20cm(本实施例为10cm)，底边长度为15～20cm(本实施例为15cm)，预制小车平板28，其长度为20～30cm(本实施例为25cm)，宽度为15～25cm(本实施例为20cm)，厚度为3～5cm(本实施例为3cm)，组装齿轮小车。购置led灯21，其输入电压为12～24v(本实施例为12v)，光通量为1000～2000lm(本实施例为1500ml)，led灯21安装在小车平板28上，购置摄像机支架23，其长度为15～20cm(本实施例为15cm)，宽度为15～20cm(本实施例为15cm)，厚度为3～5cm(本实施例为3cm)，购置水下高清摄像机22，其防水等级为水下50～200m(本实施例为150m)，记录分辨率为1080p～1440p(本实施例为1440p)，摄像机支架23固定在小车平板28下端，水下高清摄像机22固定在摄像机支架23上，水下高清摄像机22顶部固定位置传感器34。

本发明根据混凝土重力坝温度裂缝多位于坝体表面这一分布特点，采用安装在平面全覆盖移动支架上的水下高清摄像机对混凝土坝面进行拍摄，结合图像处理技术对坝体表面裂缝进行监测分析，作为解决传统裂缝监测覆盖面不足，监测量单一问题的方法。另外，建立裂缝监测数据共享平台，将区域内裂缝监测数据共享上传，便于流域管理机构集中分析管理。