一种全断面网络化布设的土石坝位移监测系统及方法与流程

本发明涉及土石坝安全监测技术领域，具体是一种全断面网络化布设的土石坝位移监测系统及方法，适用于弱(微)风化岩石建基面上填筑的高土石坝内部的水平与垂直位移监测。

背景技术：

我国西南部水利水电工程多处于高地震烈度区，土石坝作为一种柔性结构坝体，应用非常广泛。土石坝作为一种当地天然材料填筑的水工结构，在经济性和环保性方面优势突出，拦水坝体结构相对简单、对坝基要求较重力坝、拱坝等坝型低，且便于后期维修及扩建。然而，从已建成土石坝工程的运行情况看，运行中常出现面板挠曲变形、挤压破坏、水平开裂、坝体沉降等变形问题。

在填筑及中长期运行过程中，土石坝坝体会产生较大的沉降(通常约为坝高的1％左右)和水平变形，这就要求必须对土石坝做中长期变形监测。根据《土石坝安全监测技术规范》sl551-2012，需在坝体内部选择变形监测断面，布置观测仪器进行监测，以评判坝体变形是否在正常值范围内，并对坝体变形趋势做出判断，保障土石坝的安全运行。

当前在土石坝监测的仪器系统中，主要有引张线式水平位移计、水管式沉降仪、分布式光纤及测斜仪等。

大量土石坝工程实践表明，目前广泛使用的引张线式位移监测计对于坝高100m以内的中低土石坝，尚可较好的对坝体变形进行监测，但对于坝高超过100m、特别是200m以上高土石坝，其位移测量数值存在较大误差。以近年建成的某200m级混凝土面板堆石坝水平位移监测成果为例，在采用引张线式水平位移计对坝体进行监测时发现，大坝填土荷载引起的水平位移都偏向上游，且向上游的位移大于向下游的位移，该结果有悖常规。分析其原因主要为高土石坝几何尺寸远大于中低土石坝，引张线长度通常超过500m甚至达到700m～800m，沿程垂曲曲线呈现不规律和不平滑特性，将难以对由此引起的过大误差进行修正。这意味着100m以上高坝的水平位移监测不但测程过长，而且管线垂曲度亦将过大，从而使以引张线移动量量测的水平位移值比实际值大得多，且因沿程垂曲曲线不一定规律、平滑，将难以对由此引起的过大误差进行修正；另外，变形过大会导致引张线位移计不能与堆石坝沉降很好的协调发展，引张线移动量量测的水平位移值比实际值大得多，当变形较大时引张线存在局部断裂隐患。因此，需要开展高土石坝位移监测新技术研究。

水管式沉降仪是基于“连通管”原理，一端位于被测位置(随坝体沉降)，另一端位于观测房(基准端)，测量时将连通管内充满水直至被测端溢流，此时观测房内水管水位与被测点在同一水平位置，换算被测点高程。作为一种间接测量的方法，在坝高超过200m的条件下，水管式沉降仪由于管路长度过长使得仪器的灵敏度降低，显著增大误差。

近年来，分布式光纤在高土石坝变形监测中也有使用，但考虑到长距离、多层次光纤铺设的难度，以及土石坝填筑碾压过程中经常遇到的局部变形极易造成光纤剪断或拉裂等因素，该监测系统较易发生损坏且由于已埋设于坝体中而难以修复，在满足土石坝中长期位移的稳定监测方面存在较多不确定性。

技术实现要素：

本发明提供一种全断面网络化布设的土石坝位移监测系统及方法，可以满足土石坝中长期位移的稳定监测。

一种全断面网络化布设的土石坝位移监测系统，包括电火花发射探头、地震波接收探头、多通道地震仪、电火花震源发射控制箱；所述多通道地震仪具有触发信号输入端和检波信号输入端，所述电火花震源发射控制箱具有触发信号输出端和脉冲信号输出端；所述电火花发射探头和所述地震波接收探头分层间隔埋设在土石坝坝体拟监测断面，且逐层间隔呈网络状分布，各个电火花发射探头与所述电火花震源发射控制箱的脉冲信号输出端连接，所述电火花震源发射控制箱的触发信号输出端与多通道地震仪的触发信号输入端连接，多通道地震仪的检波信号输入端与各个地震波接收探头连接。

进一步的，还包括与电火花震源发射控制箱连接的第一电源。

进一步的，还包括与多通道地震仪连接的第二电源。

进一步的，多通道地震仪通过触发信号输入端发出触发信号给触发信号输出端，电火花震源发射控制箱收到触发信号后即通过脉冲信号输出端输出脉冲信号给电火花发射探头，脉冲信号通过电火花发射探头发出电火花，电火花爆破能量转化为地震波信号输出，电火花震源发射控制箱记录脉冲信号输出时刻，亦即地震波信号的输出时刻，同时将记录的地震波信号的输出时刻反馈给多通道地震仪，地震波接收探头接收到地震波信号后，通过检波信号输入端输入给多通道地震仪，多通道地震仪记录地震波信号的输入时刻。

一种全断面网络化布设的土石坝位移监测方法，采用上述系统进行，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、按照预设断面里程，将电火花发射探头埋设到预设位置，回填并对覆盖填料进行预碾压；

步骤二、土石坝填筑至第一层指定标高后，在顶面处挖坑埋设地震波接收探头，地震波接收探头与周围填筑料用砂浆固定并填平；

步骤三、初始定位：依次触发电火花发射探头，地震波接收探头逐一进行检波，并将接收到的地震波数据及时间数据存储；

步骤四、土石坝填筑继续，至下一个指定高程后，坝体下部已经产生变形，逐一触发电火花发射探头并记录地震波接收探头接收到的地震波信号，利用增量法计算本阶段的沉降及水平位移；

步骤五、待坝体进行下一步填筑之前，按照步骤一进行电火花发射探头布设，并按照步骤三进行初始定位；

步骤六、坝体继续发生变形，通过电火花发射探头大功率电火花触发和地震波接收探头测得地震波数据及时间数据记录坝体动态变形，并按照步骤二的方法布设地震波接收探头；

步骤七、重复以上过程，直至坝体填筑完毕，基于网络中各探头的初始空间位置计算分离出水平位移和沉降，水平位移和沉降数据输入监测网中位移图中，实时生成坝体剖面上各分层的变形曲线和各监测点的变形时程曲线，以及沉降和水平变形等值线图。

进一步的，步骤四中利用增量法计算本阶段的沉降及水平位移具体为：参考埋设点的初始坐标，按监控数据解算时间差与传播速度，通过电火花发射探头发出的地震波信号在土石坝填料中传导的时间差进行换算，得出大坝监测点的更新坐标，计算土石坝在不同填筑期及运行期的沉降和水平变形。

进一步的，同一层位的电火花发射探头或地震波接收探头统一布设线缆，并将各自独立的线头端口引至坝坡临空面。

本发明对坝体位移进行不定期监测时，只需携带电火花震源发射控制箱和多通道地震仪，与预先牵到下游侧坝坡临空的线缆端口相连即可开展位移监测，通过接收自身触发的人工震源信号，利用土石坝中传递的相位差监测土石坝在不同填筑期及运行期的位移增量(包括沉降和水平变形)，以此达到中长期监测土石坝全断面变形的目的。

附图说明

图1是本发明建基面处电火花发射探头的埋设示意图；

图2是本发明填筑过程地震波接收探头的埋设示意图；

图3是本发明人工震源与电火花发射探头模块连接示意图；

图4是本发明建基面接收探头检波工作模式示意图；

图5是本发明接收探头检波与增量法变形计算示意图；

图6是本发明发射探头与接收探头构建的监测网络示意图；

图7是本发明土石坝沉降变形曲线示意图；

图8是本发明地震波波幅-时间关系曲线示意图。

图中：1—电火花发射探头，2—地震波接收探头，3—多通道地震仪，4—电火花震源发射控制箱，5—第一电源，6—第二电源，31—触发信号输入端，32—检波信号输入端，41—触发信号输出端，42—脉冲信号输出端。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明目的在于提供一种全断面网络化布设的土石坝位移监测系统，通过在土石坝拟监测断面逐层布设并最终形成呈网络状分布的探头：电火花发射探头(以下简称发射探头)和地震波接收探头(以下简称接收探头)，通过接收自身触发的人工震源信号，利用土石坝中传递的相位差监测土石坝在不同填筑期及运行的位移增量，探头之间可替代使用，从而实现土石坝全断面变形的中长期监测。

为达成上述目的，本发明的一方面提出一种全断面网络化布设的土石坝位移监测系统，包括电火花发射探头1、地震波接收探头2、多通道地震仪3、电火花震源发射控制箱4、第一电源5、第二电源6，第一电源5与电火花震源发射控制箱4连接，第二电源6与多通道地震仪3连接；所述多通道地震仪3具有触发信号输入端31和检波信号输入端32，所述电火花震源发射控制箱4具有触发信号输出端41和脉冲信号输出端42。

所述电火花发射探头1和所述地震波接收探头2分层间隔埋设在土石坝坝体拟监测断面，且逐层间隔呈网络状分布，各个电火花发射探头1与所述电火花震源发射控制箱4的脉冲信号输出端42连接，所述电火花震源发射控制箱4的触发信号输出端41与多通道地震仪3的触发信号输入端31连接，多通道地震仪3的检波信号输入端32与各个地震波接收探头2连接。第一电源5与电火花震源发射控制箱4连接，给电火花震源发射控制箱4充电完成后进行能量储备。

需要进行地震波采集时，多通道地震仪3通过触发信号输入端31发出触发信号给触发信号输出端41，电火花震源发射控制箱4收到触发信号后即通过脉冲信号输出端42输出脉冲信号给电火花发射探头1，脉冲信号通过电火花发射探头1发出电火花，电火花爆破能量转化为地震波信号输出，电火花震源发射控制箱4记录脉冲信号输出时刻，亦即地震波信号的输出时刻，同时将记录的地震波信号的输出时刻反馈给多通道地震仪3。地震波接收探头2接收到地震波信号后，通过检波信号输入端32输入给多通道地震仪3，多通道地震仪3记录地震波信号的输入时刻。

本发明的另一方面提出一种全断面网络化布设的土石坝位移监测方法，包括如下步骤：

发射与接收探头的布设伴随着坝体填筑过程展开，不需要额外修筑试验廊道、埋设管道、打孔或挖槽等。同一层位的探头统一布设线缆，并将各自独立的线头端口引至坝坡临空面，便于电火花发射探头1和地震波接收探头2分别与电火花震源发射控制箱4和多通道地震仪3连接。

1、如图1所示，当土石坝坝基开挖至指定标高建基面处，按照预设断面里程，将电火花发射探头1埋设到预设位置，回填并对覆盖填料进行预碾压，其填料级配在坝体填料设计级配基础上增加细粒料比例，以减少探头直接暴露于空气中，尽可能使电火花爆破能量转化为地震波而非声波，增强地震波传播质量和传播距离。之后将与电火花发射探头1相连的分布式电缆牵出至坝体临空面附近，便于后续监测时与电火花震源发射控制箱4相连。

2、如图2所示，土石坝填筑至第一层指定标高后，在顶面处挖坑埋设地震波接收探头2，地震波接收探头2与周围填筑料用砂浆固定并填平，目的在于避免探头与空气的直接接触，提高检波质量。埋设影响范围不宜过大，以免在后续坝体填筑中被压裂。

3、初始定位：完成第1步和第2步后，按照图3所示连接图，依次触发电火花发射探头1，地震波接收探头2逐一进行检波(如图4所示)，并将接收到的地震波数据及时间数据(地震波信号的输出时刻和输入时刻)存储。本监测系统主要采用增量法原则进行坝体位移测量，因此，初始定位数据非常重要。

4、如图5所示，土石坝填筑继续，至下一个指定高程后，坝体下部已经产生变形，逐一触发电火花发射探头1并记录地震波接收探头2接收到的地震波信号，利用增量法计算本阶段的沉降及水平位移。

5、第4步之后，待坝体进行下一步填筑之前，按照第1步流程进行电火花发射探头1布设，并按照第3步的方法进行初始定位。

6、第5步之后，坝体继续发生变形，通过电火花发射探头1大功率电火花触发和地震波接收探头2测得检波数据(地震波数据及时间数据)记录坝体动态变形，并按照第2步的方法布设地震波接收探头2。

7、重复以上过程，直至坝体填筑完毕，图6所示即为坝体填筑完毕，探头空间位置示意图与所构建的监测网络。可通过不定期的方式对坝体中长期的变形趋势及量值发展情况进行完整掌握，为保障土石坝中长期安全运行提供依据。

监测网络的设置与工作原理如下。

1)监测网络的组织结构如下：在监测断面定义局部坐标系，在第l个监测断面上，以坝轴线与断面交点为原点，x代表水平方向，y代表竖直方向。探头坐标为(x[l][m][n][t]，y[l][m][n][t])，分别表示发射或接收探头第m排的第n个发射探头在t时刻的横、纵坐标，m为奇数时判别为接收探头，m为偶数时判别为发射探头。所有探头采用同步时钟校准，确保时间一致。发射探头埋设的初始位置，对应时刻t＝t0。探头埋设对应点的纵向与侧向位移则为(δx[l][m][n][t]，δy[l][m][n][t])。

2)参考埋设点的初始坐标，监测系统按监控数据解算时间差与传播速度，通过人工震源信号(电火花发射探头1发出的地震波信号)在土石坝填料中传导的时间差进行换算，得出大坝监测点的更新坐标，计算土石坝在不同填筑期及运行期的位移增量(包括沉降和水平变形)。以第一个监测断面为例，说明监测网络的计算原理。

由发射探头推算接收探头坐标，需要两个发射探头和一个接收探头。以第一个监测断面在指定标高建基面(即第一排)的第1、2个探头为例(图6)，探头判别为发射探头，其初始时刻t0的坐标分别为(x[1][1][1][t0]，y[1][1][1][t0])，(x[1][1][2][t0]，y[1][1][2][t0])。其上一排为接收探头，第一个探头为(x[1][2][1][t0]，y[1][2][1][t0])。按同步时钟计算，发射与接收探头的检波时间差分别为δt1和δt2。地震波传播波速为，

经过短暂的施工或运行时间δt，可认为波速基本不变，按同步时钟计算，发射与接收探头的检波时间差分别为δt1’和δt2’，可建立如下方程，

(3)、(4)两个方程求解，可得该点的新坐标值(x[1][2][1][t0+δt]，y[1][2][1][t0+δt]。

该点的侧向位移为：

δx[1][2][1][t0+δt]＝(x[1][2][1][t0+δt]-x[1][2][1][t0])(5)

该点的沉降量为：

δy[1][2][1][t0+δt]＝(y[1][2][1][t0+δt]-y[1][2][1][t0])(6)

此时，采用新坐标值，按照式(1)、(2)更新地震波传播速度值。

参照以上算法，进一步可得第二排所有接收探头在随坝体变形后的坐标值。

由接收探头推算发射探头坐标，需要两个接收探头和一个发射探头。以第一个监测断面在第二排的第1、2个探头为例，探头首先判别为接收探头，其初始时刻t0的坐标分别为(x[1][2][1][t0]，y[1][2][1][t0])，(x[1][2][2][t0]，y[1][2][2][t0])。第三排为发射探头，第一个探头坐标为(x[1][3][1][t0]，y[1][3][1][t0])，接收第二排的第1、2个探头的地震波信号后，参照以上算法进行坐标换算，进一步可得第三排所有发射探头在随坝体变形后的坐标值。

其他排的发射、接收探头亦可依序获取更新后的坐标值。

基于网络中各探头的初始空间位置，可通过计算分离出水平位移和沉降，一套系统可同时得到两个方向的位移情况，显著降低布设监测系统和采集监测数据的工作量。断面上两侧临空面的节点主要做校正位移增量之用，同时也可将其位移量值输入到监测网中位移图中。数据传输到后台后可实时生成坝体剖面上各分层的变形曲线和各监测点的变形时程曲线，以及沉降和水平变形等值线图(图7)。

所述发射探头与接收探头可在各自层面选取相邻节点替代使用。在个别探头意外损坏的情况下，本监测系统通过相邻若干节点探头数据的修正，仍能够满足对坝体变形的定量监测分析。图7所示为完整的监测网络与地震波传播网络示意图。可以看出在本系统中，数据的收发具有“多对多”的属性，在个别探头损坏时确保系统仍能有效运行，这也是本系统中长期位移监测稳定性的重要保障。

对坝体位移进行不定期监测时，只需携带电火花震源发射控制箱4和多通道地震仪3，与预先牵到下游侧坝坡临空的线缆端口相连即可开展位移监测。在一定距离内，通过接收自身触发的人工震源信号，利用土石坝中传递的相位差监测土石坝在不同填筑期及运行期的位移增量(包括沉降和水平变形)，以此达到中长期监测土石坝全断面变形的目的。

从原理上看，本方法可能不及分布式光纤精度高，但土石坝坝体变形达到厘米级就已经能够很好的为坝体变形监测服务，为坝体变形发展趋势做出正确判断提供依据，其网络化“多对多”的监测模式使其稳定性优势十分突出，允许施工过程中和长期条件下部分发射探头或接收探头损坏，通过相邻节点的数据校正可很大程度的弥补部分节点数据缺失的问题。

应用实例：

1、在某地层结构较均匀的露天场地用钻机钻一直径10cm、深5m的勘探孔(无水)，采用电动升降装置将电火花发射探头1放至接近孔低位置，并向孔中灌砂，填充探头与孔壁之间的空隙，避免探头直接暴露于空气中，以提高后续点火后气体爆炸振动能量转化为地震波的比率。

2、在约30m距离开外地表串联布设三个高精度地震波接收探头2，将探头插入泥土，采用皮尺测量电火花发射探头1与三个地震波接收探头2之间的距离，精确到厘米记录。

3、按照图4将电火花发射探头1、电火花震源发射控制箱4、电火花震源发射控制箱4、多通道地震仪3以及电源和燃气罐等连接妥当，在电火花发射探头1附近标记进行地震波波速的校准测量，可尝试多次取平均值。

4、通过电火花震源发射控制箱4对电火花发射探头1蓄能并点火，利用多通道地震仪3连接地震波接收探头2，采集数据并传输至后台。

5、后台通过数据处理得到图8所示的地震波接收信号，通过对地震波相位差的捕捉，并通过之前皮尺测量数据以及校准的地震波波速计算对比，测量精度误差在2cm左右，能够满足土石坝变形监测的要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。