一种隧洞裂缝检测及安全评价系统
本发明属于隧洞安全监测技术领域，具体是一种隧洞裂缝检测及安全评价系统。
背景技术：
通过防洪、合理调配水资源、保护生态，供应电力等，水利工程在国民经济发展和生态保护中发挥着重要作用。隧洞工程又是水利工程中的重要组成部分，在水利工程整体质量和使用寿命有着举足轻重的作用。隧洞一旦出现大面积渗漏，将影响水利工程整体的运行状态，甚至导致水利工程失去设计功能，造成重大经济损失。隧洞工程具有受地质条件影响大、工序复杂、施工条件差等特点，往往导致运行期间工程主体上出现许多裂缝。着眼于隧洞工程自身稳定与公共安全的角度，对隧洞的裂缝进行高效准确的检查、监控、评价、维护具有十分重要的意义。
隧洞监测手段分为传感器和无损检测两类，前者主要包括振动弦传感器，光纤传感器，微电子传感器等，后者主要包括拍照，雷达监测，激光检测等成像手段。随着监测手段的不断进步，需要充分利用先进科技对隧洞进行监测。在隧洞长期运行过程中往往产生大量的实测数据，所以需要依据数据进行高效准确的分析，为推断隧洞开裂的真实情况提供科学基础，使得确保隧洞安全的情况下，充分发挥工程效益。
目前，隧洞裂缝检测方法的研究集中于交通隧道(如地铁隧道)的无损检测，利用人工智能方法等先进手段对检测结果(一般是图像)进行分析，确定裂缝位置。但是对于水利工程中引水隧洞的裂缝检测研究尚不多，引水隧洞也不便于进行无损检测。在隧洞施工过程逐步专业化、自动化、精准化的今天，建立保障隧洞安全运行的裂缝检测系统成为一种趋势。
为高效地完成隧洞安全监测及管理工作，需要结合现代技术手段和监测数据，搭建一套反馈隧洞真实运行状态的系统。本专利从隧洞长期服役的根本要求出发，有效结合现代监测技术、数值模拟方法和高性能计算技术，提出一种隧洞裂缝检测与安全评价系统，用于指导隧洞安全稳定运行和应急决策。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种隧洞裂缝检测及安全评价系统，对隧洞监测数据进行高效准确的分析，对隧洞运行状态进行反馈展示，服务于隧洞安全评价与应急决策。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种隧洞裂缝检测及安全评价系统，包括数据库模块、工程信息模块、bim模块、风险预估模块、裂缝检测模块和预测分析模块；所述数据库模块、工程信息模块、bim模块集成融合后与风险预估模块、裂缝检测模块、预测分析模块连接；
所述数据库模块包括监测数据采集模块和监测数据处理模块；所述监测数据采集模块用于采集并存储所有监测设备测得的原始监测数据；所述监测数据处理模块用于对所述原始监测数据进行预处理，主要为了减少因检测设备损坏、人为因素等不稳定因素导致的监测数据奇异或缺失的情况；
所述工程信息模块用于存放隧洞相关的模型信息，所述模型信息包括工程几何模型信息、有限元网格模型信息和隧洞周围地质信息；
所述bim模块用于融合数据库模块、工程信息模块和预测分析模块的数据，并在前端构建系统总界面、展示界面和评价结果界面，所述系统总界面(包括窗口、按钮、输入框等构件)用于实现人机交互，所述展示界面用于展示裂缝的位置信息，所述评价结果界面用于展示最终的评价结果；
所述风险预估模块包括风险值计算模块和优化模块，用于根据监测数据异常情况得到可能的裂缝位置，初步选取隧洞该局部位置相关性较大的测点对应的监测数据，减少之后计算过程中参与的监测数据量。
所述裂缝检测模块包括检测模块、分析模块和展示模块；所述检测模块用于开启分布在可能出现裂缝的位置周围的监测设备；所述分析模块用于建立监控模型，对监测数据进行分析，发现异常值；所述展示模块用于结合工程几何模型信息，在bim模块中标明可能出现裂缝的位置并在展示界面展示；
所述预测分析模块用于根据裂缝检测模块得到的隧洞运行状态和裂缝位置信息，建立多尺度模型，预测该位置的裂缝的发展趋势与隧洞安全状态；所述裂缝发展趋势包括主裂缝位置、主裂缝宽度和主裂缝周围开裂状况；所述隧洞安全状态包括隧洞安全预测分析及评价结果。
作为本发明的进一步技术方案，所述监测设备包括探测管、发热系统和测温系统，所述探测管沿隧洞内壁轴向布置，既作为测温系统的测温管，也防止发热带和光纤在混凝土浇筑时损坏；所述发热系统包括发热带和恒温器，通过发热带加热保证在通过裂缝的渗流与探测管之间有明显的温差，形成温度突变来表征某处存在裂缝，恒温器保证发热带的温度恒定在某一个值；所述测温系统包括光纤和光纤光栅传感器。
作为本发明的进一步技术方案，所述原始监测数据包括环境量(包括隧洞周围地质条件、温度等)变化、隧洞变形(位移)、渗流场变化、应力场变化和温度场变化。
作为本发明的进一步技术方案，所述风险预估模块在得到裂缝大致位置的基础上，采用风险预估方法对隧洞监测数据进行初步挑选，剔除对隧洞的风险值影响较小的测点数据，选取有效的测点数据；具体方法包括以下步骤：
s1，选取需要分析的隧洞的范围ω，作为一个系统；
s2，计算该范围内的隧洞节段环的风险值；
s3，计算该范围内的总体风险值；
s4，建立优化框架，移除对总体风险值影响较小的节段环的测点数据。
作为本发明的进一步技术方案，所述风险预估模块还对监测数据进行反演分析，具体包括如下步骤：
步骤1，根据正分析结果，选择相应力学模型；
步骤2，根据反演参数需求，选择合适的群智能寻优算法并调用；设定反演参数范围、初始值和终止条件；
步骤3，从结构信息模块中读取有限元网格模型信息，从数据库模块读取环境监测信息(水荷载等)，调用有限元程序进行计算；
步骤4，从数据库模块读取位移监测数据，根据目标函数计算目标函数值，开始寻优；
步骤5，判断当前是否满足收敛条件，若是则程序运行终止；否则更新优化算法参数，返回步骤3。
作为本发明的进一步技术方案，步骤s2中，计算ω范围内的隧洞节段环的风险值的方法为：
测点l对于节段环a的风险分布为：
假设风险预估区域内有n个测点，则节段环a的风险值为：
假设区域ω范围内有w个节段环，则该区域内的风险分布为：
其中，pll是测点l处出现裂缝的概率特征值；
作为本发明的进一步技术方案，步骤s3中，ω范围内的总体风险值的表达式为：
其中，不在考虑范围内的一系列节段环u对于测点j的实际风险分布为：
在考虑范围内的一系列节段环m对于测点j的风险分布为：
其中，α是传感器的精度，pd是传感器mf对测点j的风险预估影响。
作为本发明的进一步技术方案，步骤s4中，所述优化框架以“精度-时间”为综合指标来衡量选取测点的合理性，该综合指标的表达式为：
其中，ir0是未选用测点的监测数据时的风险，iri是移除第i个节段环的监测数据时的风险；ei是第i个节段环考虑所有监测点的数据所需时间。
移除对总体风险值影响较小的节段环的测点数据的方法包括以下步骤：
s41，将n个节段环的id放入集合{lay}，分别计算每个节段环的风险值rh；
s42，计算系统总体风险值初始值ir0＝∑rh，假设集合{lay}里所有节段环的监测数据均未移除，系统的实际风险值ir＝ir0；
s43，遍历集合{lay}里的n个节段环，移除集合{lay}里的第i个节段环对应的监测数据，计算此时系统的实际风险值iri，若iri与ir的差值小于预设值，则将第i个节段环对应的id从集合{lay}中移除，并放入集合{abandon}中；若差值大于预设值，则将第i个节段环对应的id保留在集合{lay}中；其中，i∈[1,n]；最终得到对总体风险值影响较大的节段环对应的id集合{lay}，即移除了对总体风险值影响较小的节段环的测点数据。
作为本发明的进一步技术方案，所述预测分析模块预测裂缝的发展趋势与隧洞安全状态的方法包括以下步骤：
步骤a，根据裂缝检测模块得到的检测结果，确定裂缝所在位置节段环的几何形状，生成宏观有限元网格；
步骤b，根据隧洞混凝土骨料级配与骨料体积比，利用预测分析模块内置的随机骨料投放程序，建立骨料随机几何分布模型；
步骤c，由骨料随机几何分布模型，利用预测分析模块内置网格剖分程序，分出骨料、砂浆和过渡界面区三类网格，建立裂缝周围的混凝土细观有限元模型；
步骤d，根据映射关系，融合宏观有限元网格和细观有限元网格，生成宏细观结合模型；
步骤e，根据裂缝检测模块获取节段环的应力状态，通过有限元内力法计算得到所选节段环的内力，在宏细观结合模型上施加与所述内力对应的荷载，进行有限元分析，得到与裂缝检测模块的检测结果相吻合的开裂情况，并在此基础上预测主裂缝周围的开裂情况。
作为本发明的进一步技术方案，步骤b中，所述随机骨料投放程序通过生成随机尺寸的多边形，并在不同多边形之间设置接触检测，建立骨料随机几何分布模型。
作为本发明的进一步技术方案，步骤c中，首先采用有限元网格坐标投影法生成砂浆与骨料的网格，再利用网格剖分程序生成在砂浆与骨料两种网格之间的过渡界面区网格。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明结合有效的优化技术，缩小可能出现裂缝的范围，高效利用裂缝检测设备，提高裂缝检测结果的可信性，所搭建的检测理论与方法的架构具有重要的科学价值；
(2)本发明通过结合宏细观分析手段，对裂缝所在位置的情况进行分析，并预测裂缝发展趋势，为技术人员及时的做出运行决策提供基础，具有重要的社会经济效益；
(3)本发明具有展示隧洞监测数据以及裂缝检测结果的功能，使用人员能够更直观地了解隧洞的运行情况。
附图说明
图1为本发明实施例一种隧洞裂缝检测及安全评价系统的结构示意框图；
图2为本发明实施例中移除对总体风险值影响较小的节段环的方法流程图；
图3为本发明实施例中引水隧洞上下值错动示意图；
图4为本发明实施例中引水隧洞某位置温度突变示意图；
图5为本发明实施例中引水隧洞某位置位移突变示意图；
图6为本发明实施例中可能产生裂缝的节段环位置示意图；
图7为本发明实施例中多尺度有限元模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种隧洞裂缝检测及安全评价系统，包括数据库模块、工程信息模块、bim模块、风险预估模块、裂缝检测模块和预测分析模块；所述数据库模块、工程信息模块、bim模块集成融合后与风险预估模块、裂缝检测模块、预测分析模块连接；
所述数据库模块包括监测数据采集模块和监测数据处理模块；所述监测数据采集模块用于采集并存储所有监测设备测得的原始监测数据；所述监测数据处理模块用于对所述原始监测数据进行预处理，主要为了减少因检测设备损坏、人为因素等不稳定因素导致的监测数据奇异或缺失的情况；
所述工程信息模块用于存放隧洞相关的模型信息，所述模型信息包括工程几何模型信息、有限元网格模型信息和隧洞周围地质信息；
所述bim模块用于融合数据库模块、工程信息模块和预测分析模块的数据，并在前端构建系统总界面、展示界面和评价结果界面，所述系统总界面(包括窗口、按钮、输入框等构件)用于实现人机交互，所述展示界面用于展示裂缝的位置信息，所述评价结果界面用于展示最终的评价结果；
所述风险预估模块包括风险值计算模块和优化模块，用于根据监测数据异常情况得到可能的裂缝位置，初步选取隧洞该局部位置相关性较大的测点对应的监测数据，减少之后计算过程中参与的监测数据量。
所述裂缝检测模块包括检测模块、分析模块和展示模块；所述检测模块用于开启分布在可能出现裂缝的位置周围的监测设备；所述分析模块用于建立监控模型，对监测数据进行分析，发现异常值；所述展示模块用于结合工程几何模型信息，在bim模块中标明可能出现裂缝的位置并在展示界面展示；
所述预测分析模块用于根据裂缝检测模块得到的隧洞运行状态和裂缝位置信息，建立多尺度模型，预测该位置的裂缝的发展趋势与隧洞安全状态；所述裂缝发展趋势包括主裂缝位置、主裂缝宽度和主裂缝周围开裂状况；所述隧洞安全状态包括隧洞安全预测分析及评价结果。
作为本发明的进一步技术方案，所述监测设备包括探测管、发热系统和测温系统，所述探测管沿隧洞内壁轴向布置，既作为测温系统的测温管，也防止发热带和光纤在混凝土浇筑时损坏；所述发热系统包括发热带和恒温器，通过发热带加热保证在通过裂缝的渗流与探测管之间有明显的温差，形成温度突变来表征某处存在裂缝，恒温器保证发热带的温度恒定在某一个值；所述测温系统包括光纤和光纤光栅传感器，所述光纤和光栅传感器布置在探测管内。
作为本发明的进一步技术方案，所述原始监测数据包括环境量(包括隧洞周围地质条件、温度等)变化、隧洞变形(位移)、渗流场变化、应力场变化和温度场变化。
作为本发明的进一步技术方案，所述风险预估模块在得到裂缝大致位置的基础上，采用风险预估方法对隧洞监测数据进行初步挑选，剔除对隧洞的风险值影响较小的测点数据，选取有效的测点数据；具体方法包括以下步骤：
s1，选取需要分析的隧洞的范围ω，作为一个系统；
s2，计算该范围内的隧洞节段环的风险值；
s3，计算该范围内的总体风险值；
s4，建立优化框架，移除对总体风险值影响较小的节段环的测点数据。
作为本发明的进一步技术方案，所述风险预估模块还对监测数据进行反演分析，具体包括如下步骤：
步骤1，根据正分析结果，选择相应力学模型；
步骤2，根据反演参数需求，选择合适的群智能寻优算法并调用；设定反演参数范围、初始值和终止条件；
步骤3，从结构信息模块中读取有限元网格模型信息，从数据库模块读取环境监测信息(水荷载等)，调用有限元程序进行计算；
步骤4，从数据库模块读取位移监测数据，根据目标函数计算目标函数值，开始寻优；
步骤5，判断当前是否满足收敛条件，若是则程序运行终止；否则更新优化算法参数，返回步骤3。
作为本发明的进一步技术方案，步骤s2中，计算ω范围内的隧洞节段环的风险值的方法为：
测点l对于节段环a的风险分布为：
假设风险预估区域内有n个测点，则节段环a的风险值为：
假设区域ω范围内有w个节段环，则该区域内的风险分布为：
其中，pll是测点l处出现裂缝的概率特征值；
作为本发明的进一步技术方案，步骤s3中，ω范围内的总体风险值的表达式为：
其中，不在考虑范围内的一系列节段环u对于测点j的实际风险分布为：
在考虑范围内的一系列节段环m对于测点j的风险分布为：
其中，α是传感器的精度，pd是传感器mf对测点j的风险预估影响。
作为本发明的进一步技术方案，步骤s4中，所述优化框架以“精度-时间”为综合指标来衡量选取测点的合理性，该综合指标的表达式为：
其中，ir0是未选用测点的监测数据时的风险，iri是移除第个i节段环的监测数据时的风险；ei是是第i个节段环考虑所有监测点的数据所需时间。
如图2所示，移除对总体风险值影响较小的节段环的测点数据的方法包括以下步骤：
s41，将n个节段环的id放入集合{lay}，分别计算每个节段环的风险值rh；
s42，计算系统总体风险值初始值ir0＝∑rh，假设集合{lay}里所有节段环的监测数据均未移除，计算系统的实际风险值ir＝ir0；
s43，遍历集合{lay}里的n个节段环，移除集合{lay}里的第i个节段环对应的监测数据，计算此时系统的实际风险值iri，若iri与ir的差值小于预设值irp，则将第i个节段环对应的id从集合{lay}中移除，并放入集合{abandon}中；若差值大于预设值irp，则将第i个节段环对应的id保留在集合{lay}中；其中，i∈[1,n]；最终得到对总体风险值影响较大的节段环对应的id集合{lay}，即移除了对总体风险值影响较小的节段环的测点数据。
作为本发明的进一步技术方案，所述预测分析模块预测裂缝的发展趋势与隧洞安全状态的方法包括以下步骤：
步骤a，根据裂缝检测模块得到的检测结果，确定裂缝所在位置节段环的几何形状，生成宏观有限元网格，如图6所示；
步骤b，根据隧洞混凝土骨料级配与骨料体积比，利用预测分析模块内置的随机骨料投放程序生成随机尺寸的多边形，并在不同多边形之间设置接触检测，建立骨料随机几何分布模型；
步骤c，根据骨料随机几何分布模型，首先采用有限元网格坐标投影法生成砂浆与骨料的网格，再利用网格剖分程序生成在砂浆与骨料两种网格之间的过渡界面区网格，得到骨料、砂浆和过渡界面区三类网格(即图7中itz生成效果图)，建立裂缝周围的混凝土细观有限元模型；
步骤d，根据映射关系，融合宏观有限元网格和细观有限元网格，生成宏细观结合模型；
步骤e，根据裂缝检测模块获取节段环的应力状态，通过有限元内力法计算得到所选节段环的内力，在宏细观结合模型上施加与所述内力对应的荷载，进行有限元分析，得到与裂缝检测模块的检测结果相吻合的开裂情况，并在此基础上预测主裂缝周围的开裂情况。
下面以一个工程实例来说明本发明：
某引水隧洞，采用无粘结预应力混凝土内衬结构。外衬采用预制钢筋混凝土管片，外径8.3m，内径7.5m，厚0.4m，环宽1.6m，管片通过螺栓连接。内衬采用现浇后张无粘结预应力混凝土结构，采用c50w12预应力混凝土，厚度0.55m，标准分段长度为9.6m。每段左右交错布置预留槽，预应力锚索间距0.5m。
所述引水隧洞的监测数据存放于数据库模块，可利用bim模块实现对数据的查询、输出、处理、管理等。工程信息模块里存放隧洞有限元模型，几何信息，地质条件等。
如想进行隧洞裂缝检测，操作步骤如下：
步骤一，通过bim模块查看并调用该坝段的结构信息、监测仪器布置信息和有限元模型信息；通过数据库的处理甄别，检测位移、应力等监测数据是否有突变，并将发生异常的大致位置在bim界面中的模型上表明；某一工况下，隧洞整体上下错动值如图3所示；某一节段的上下错动状态如图5所示。
步骤二，根据步骤一中初步判断的可能有裂缝的位置，利用风险预估模块来进一步分析测点上的监测数据。
步骤三：启动裂缝周围的某一组最近的裂缝检测装备，根据温度场的变化情况进一步确定裂缝情况，测温系统得到的裂缝周围的温度突变结果如图4所示。
步骤四：在确定产生裂缝的节段的位置之后，根据监测数据(位移、应力等)确定该节段的受力情况；从bim模块中调取该节段的几何信息，结合多尺度模型生成模块，生成有限元模型，如图7所示，对裂缝发展进行预测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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