一种监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统及方法与流程

本发明属于黏土干缩裂缝监测，具体涉及一种监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统及方法。

背景技术：

1、在干旱天气环境下，最易受到影响的为黏土体结构，在干旱中极易产生干缩裂缝，尤其是作为防渗结构的黏土体，干缩裂缝一旦出现也会削弱其防渗性能，影响工程安全。针对干缩裂缝发育的各类参数，最受关注的为干缩裂缝的发育深度，其不仅对黏土体防渗性能影响显著，对工程结构的稳定同样有巨大影响。

2、由于干缩裂缝是在特定情况下出现的问题，对其发育情况的监测属于应急处置，一般工程中不会设置针对性监测设施，导致现阶段尚没有针对干缩裂缝发育情况的监测设备与监测方法。不同于干缩裂缝的宽度可以直接测量，干缩裂缝深度往往难以准确量测，更难以进行实时监控。因此，研究一种干旱环境下黏土干缩裂缝发育监测系统及方法，把握干缩裂缝的发育过程并针对性地进行预警，对应对极端干旱影响做好防灾减灾工作具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统及方法，解决现有技术中难以针对黏土干缩裂缝深度发育过程进行跟踪监测并实时预警的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

3、监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统，包括数据采集子系统、数据传输子系统和数据分析子系统；

4、所述数据采集子系统用于采集土体参数，包括黏土含水率、环境温度，以及土体表面的裂缝数据；

5、所述数据传输子系统用于将数据采集子系统所采集的数据传送至数据分析子系统；

6、所述数据分析子系统中包括计算分析模块、数据库模块和智能决策模块，计算分析模块用于对采集的数据进行分析和计算，采集的数据，以及分析计算所得数据存储于数据库模块中；所述智能决策模块根据计算分析模块的分析、计算结果进行判断，当表层土体达到开裂临界状态时发出预警信息。

7、进一步改进，所述数据采集子系统包括含水率采集组件和监控组件；

8、其中，含水率采集组件包括多个探测组件，以及上端开口、下端封堵的测量管，测量管下段沿长度方向开设有多个探测口；所述探测组件包括探针、硬质外壳以及数据传输线，数据传输线的下段部分嵌设在硬质外壳的腔体中，探针固定在硬质外壳的下端并与数据传输线电性连接；所有探测组件活动式设置在测量管中，每个探针能够从对应的一个探测口中伸出，每个探针对应不同的探测口；数据传输线的上半段从测量管的上端伸出并与数据转换设备连接，数据转换设备与数据传输子系统电性连接。

9、所述含水率采集组件包含多个探针，可同时探测不同高程处的土体含水率，探测深度通过测量管插入土体的深度决定。

10、所述监控组件包括摄像头和温度计，测量管的上端固定设置有监控组件支架，摄像头和温度计安装在监控组件支架上，摄像头和温度计与数据传输子系统电性连接。

11、所述摄像头设置在测量管顶部，可保障摄像头在自然环境中的稳定性。摄像头面向土体表面，摄像头主视方向角度可调。摄像头角度可以旋转调整，测量管插入土体后不可再移动了，后续土体表面出现裂缝后直接调整摄像头角度对准干缩裂缝，保证拍摄精准。所述温度计用于测量带监测区域的实时温度。

12、进一步改进，所述测量管中每个探测口处固定设置有一个导向板，导向板自上而下朝探测口方向倾斜设置；所述硬质外壳的下端连接探针的一段设置为弧形，形成过渡段。

13、通过设置导向板和过渡段，向下按压硬质外壳时，过渡段沿导向板斜向下移动，使探针顺利从探测口伸出，插入土体中。导向板的面积较小，不会影响其他探测组件的上、下移动。

14、进一步改进，所述测量管上固定设置有助力踏板，助力踏板位于探测口上方，操作人员通过踩在助力踏板上对测量管施加压力，将测量管插入土体中；测量管下端为呈圆锥形，便于将其插入土体中。

15、进一步改进，所述数据传输子系统包括箱体、设置在箱体中的无线通讯模块，以及信号增稳器，箱体上开设有sim卡插槽；数据传输子系统将所采集数据信息通过移动网络传输至数据分析子系统。

16、进一步改进，所述数据处理子系统包括位于远端的计算机，其内部有计算分析模块、数据库模块、智能决策与预警模块，计算分析模块包含图像识别子模块、基质吸力分析子模块、裂缝深度图谱数据库；智能决策模块包括开裂预警子模块和裂缝深度计算子模块。

17、所述图像识别子模块根据需求确定尺寸大小，对所拍摄的图片进行裁剪，根据照片中裂缝第一次出现的方位进行监控对比，实际裂缝参数信息根据图片中裂缝所占像素点数量进行统计获取。受外界光照强度影响，拍摄的图片统一进行灰度化处理后再进行裂缝参数信息获取。

18、所述基质吸力分析子模块根据实际土体属性选择经验公式进行换算，得到不同高程处的基质吸力后通过插值法获取土层一定深度的基质吸力分布情况。

19、所述裂缝深度计算子模块基于土体基本力学参数预先计算土体裂缝深度随基质吸力的变化情况，并将裂缝底端处土体的基质吸力和裂缝深度的这些对应数值点储存于裂缝深度图谱数据库中，并形成数据库。

20、干旱环境下黏土干缩裂缝发育的监测方法，基于上述监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统，包括如下步骤：

21、步骤1：清除待监测区域土体表面植物与碎石，将测量管插入土体中；调节摄像头的角度使其拍摄范围能够覆盖待监测区域；插入sim卡确认信号连接成功；通过按压硬质外壳的上端，使每个探针从对应的探测口伸出插入土体中；

22、步骤2：每个探针实时采集土体对应深度处的含水率，摄像头实时拍摄土体表面的变化情况，并将所采集的数据发送给数据传输子系统，数据传输子系统定时将采集的数据通过无线通讯模块传给远端的数据分析子系统；

23、步骤3：数据分析子系统根据所采集数据进行计算、决策，具体为：

24、步骤3.1：每个探针对应一个唯一的编号，基质吸力分析子模块根据探针所采集的含水率，带入基质吸力计算模型中，计算出土体不同深度、不同时刻的基质吸力，然后拟合出同一时刻沿土体深度方向的土体基质吸力分布曲线，即土体基质吸力沿高程分布曲线；当土体已达到开裂临界状态，则开裂预警子模块进行开裂预警；发生开裂后，图像识别子模块根据所拍摄图片计算裂缝的长度和宽度；

25、步骤3.2：在同一坐标系中构建基质吸力沿高程分布曲线和裂缝发育深度与基质吸力关系曲线，两条曲线交点即为对应时刻的裂缝深度。

26、进一步改进，所述步骤3.1中，根据土体实际属性确定基质吸力计算模型为v-g模型；

27、所述v-g模型为：式中，us为基质吸力，θ为含水率变化，

28、θ为实测含水率；θr,θs分别为残余含水率与饱和含水率，这两个参数为土体基本参数，饱和含水率可根据孔隙比e0计算得到，残余含水率需要通过试验获取。

29、进一步改进，所述步骤3.1中，根据最上方探测口处探针所测得含水率确定土体表层基质吸力us上，并将土体表层基质吸力us上带入如下公式，若方程左、右两侧相等，表明土体已达到开裂临界状态，则进行干裂预警；

30、

31、式中，e杨氏模量，μ为泊松比，λ为收缩系数，e0土体孔隙比，a、b分别为回归系数，pa为大气压力。

32、因为是土体表层所以计算开裂临界状态不考虑土压力，只考虑应力，采用上式计算即可。如果在土体中还涉及土压力作用，综合考虑压力和应力计算裂缝深度。

33、进一步改进，所述步骤3.1中，预先在待监测土体表面标记2个点，记为a、b，并测量a、b两点在土体表面的实际距离l；所述图像识别子模块对所拍摄的土体表面图片进行二值化处理，然后根据图片中a、b两点的像素距离l，以及图片中裂缝宽度m像素，长度n像素，计算得到裂缝实际宽度m＝mll，裂缝实际长度n＝nll。

34、进一步改进，所述步骤3.2中，裂缝深度计算子模块基于土体基本力学参数根据如下公式计算裂缝发育深度：

35、

36、式中，h为裂缝深度；k为土压力系数；us为裂缝底端处土体的基质吸力；

37、给定不同的裂缝底端处土体的基质吸力us，计算得出不同的裂缝深度h，则对应到多个

38、(us，h)点，将裂缝底端处土体的基质吸力和裂缝深度的这些对应数值点储存于裂缝深度图谱数据库中，并根据这些点拟合裂缝发育深度与基质吸力关系曲线。

39、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

40、1、本发明通过设置监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统及方法，能够实时监测黏土干缩裂缝发育情况，把握干缩裂缝的发育过程并针对性地进行预警，对应对极端干旱影响做好防灾减灾工作具有重要意义。

41、2、本发明通过设置监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统，结果简单，易于安装和操作，且监测结果精准。

42、3、本发明所涉及监测干旱环境下黏土干缩裂缝发育的系统，可临时布置在已出现的干缩裂缝旁边，开展对裂缝深度的应急检测探测，实用性强。