本發(fā)明涉及土石壩滲流性的監(jiān)測(cè)診斷領(lǐng)域，尤其是土石壩壩體防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：我國(guó)是世界上水庫(kù)大壩最多的國(guó)家之一，新中國(guó)成立以后，我國(guó)陸續(xù)修建了近9萬(wàn)多座水庫(kù)大壩，其中土石壩就占到了其中的三分之一。雖然土石壩在防洪、灌溉、供水等方面起到了非常大的作用，但由于在修建時(shí)受到條件限制、施工、設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的原因，這些水庫(kù)多為一邊設(shè)計(jì)、一邊施工、一邊運(yùn)行，簡(jiǎn)稱"三邊工程"。這些水庫(kù)大都存在工程質(zhì)量差、壩體單薄、大壩滲漏、管理設(shè)施老化等問題。土石壩病險(xiǎn)中滲漏問題最為嚴(yán)重。由于勘探工作的深度不夠、設(shè)計(jì)不合理或施工不合格、材料劣質(zhì)、水庫(kù)運(yùn)行不合理等原因引起的滲漏問題往往會(huì)導(dǎo)致壩體失去穩(wěn)定性并造成滲透破壞。滲漏的形式和特征主要有壩體填筑材料不良，抗?jié)B能力不能滿足要求，滲透系數(shù)大，下游壩面出現(xiàn)大面積飽和濕潤(rùn)漏水；防滲體斷裂或新老防滲體接觸不良出現(xiàn)漏水；導(dǎo)濾排水棱體堵塞失效，浸潤(rùn)線上升，壩腳處飽和濕潤(rùn)引起滲水；壩內(nèi)埋管斷裂，導(dǎo)致壩體滲水管涵或集中漏水；沿白蟻洞穴漏水等。由于滲漏的影響因素和發(fā)生特征多樣，同時(shí)滲漏發(fā)身在大壩內(nèi)部，常難以有效的識(shí)別和診斷；由于土石壩防滲性能是一個(gè)隨時(shí)間逐步劣化的過(guò)程，因此需要能夠長(zhǎng)期有效的收集大壩防滲性能相關(guān)的各種特征數(shù)據(jù)的，在避免長(zhǎng)期破壞大壩原有結(jié)構(gòu)的條件下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的低損或無(wú)損測(cè)量。為此，需要一套能夠便捷監(jiān)測(cè)土石壩內(nèi)部滲流性態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)有效判別防滲性能劣化的裝置和方法。這對(duì)研究土石壩滲流變化規(guī)律、滲漏土石壩病險(xiǎn)診斷分析和工程維護(hù)能夠提供有效的幫助，并能保障土石壩工程的安全運(yùn)行。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)土石壩壩體滲漏破壞過(guò)程的劣化程度監(jiān)測(cè)診斷，為滲漏土石壩診斷分析和工程維護(hù)提供幫助，保障了土石壩工程的安全運(yùn)行。技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置，包括視電阻率測(cè)量系統(tǒng)、滲透壓力測(cè)量系統(tǒng)、水位測(cè)量系統(tǒng)、滲漏量測(cè)量系統(tǒng)、雨量觀測(cè)設(shè)備、電纜和監(jiān)測(cè)箱。作為優(yōu)選，所述的監(jiān)測(cè)箱通過(guò)電纜與視電阻率測(cè)量系統(tǒng)、滲透壓力測(cè)量系統(tǒng)、水位測(cè)量系統(tǒng)、滲漏量測(cè)量系統(tǒng)、雨量觀測(cè)設(shè)備連接，采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。作為優(yōu)選，所述的視電阻率測(cè)量系統(tǒng)包括若干測(cè)量電極，測(cè)量電極等間距布置于土石壩上游坡、壩頂、下游坡的若干縱斷面上，通過(guò)電纜沿縱斷面連接并匯集到監(jiān)測(cè)箱中。作為優(yōu)選，所述的滲透壓力測(cè)量系統(tǒng)包括大于等于兩個(gè)的滲壓計(jì)，滲壓計(jì)沿土石壩橫斷面從上游到下游埋設(shè)于大壩內(nèi)，埋設(shè)位置在土石壩壩基上部2~3m部位。作為優(yōu)選，所述的水位測(cè)量系統(tǒng)有兩套，其中一套包括水位桿、水位計(jì)，水位桿布置在土石壩壩頂，懸臂伸向上游，水位計(jì)安裝在懸臂伸末端，用于測(cè)量上游水位；另外一套包括水位桿、水位計(jì)，水位桿布置在土石壩壩頂，懸臂伸向下游，水位計(jì)安裝在懸臂伸末端，用于測(cè)量下游水位。作為優(yōu)選，滲漏量測(cè)量系統(tǒng)位于土石壩下游排水渠道出水口處；雨量觀測(cè)設(shè)備布置于壩頂，安裝在上游水位桿上。作為優(yōu)選，所述的監(jiān)測(cè)箱中包括用于控制及測(cè)量上下游水位、滲透壓力、視電阻率、氣溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)模塊，用于對(duì)土石壩防滲性能劣化分析診斷的診斷模塊。作為優(yōu)選，當(dāng)土石壩下游只有滲漏無(wú)下游水位時(shí)，所述的水位測(cè)量系統(tǒng)只有一套，用于上游水位測(cè)量；當(dāng)土石壩下游有水位時(shí)，所述的滲漏量測(cè)量系統(tǒng)不需要安裝布置和測(cè)量。一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置的監(jiān)測(cè)診斷方法，包括以下步驟：第一步，數(shù)據(jù)采集：按照每天一次的頻率采集整理得到上下游水位值、縱斷面視電阻率值、滲壓計(jì)的滲透壓力值、下游滲漏量值、降雨量值；其中降雨量值為日累計(jì)雨量。第二步，實(shí)際滲流參數(shù)估算：選擇歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，上游水位變幅在0.5m且持續(xù)時(shí)段大于等于10日的水位數(shù)據(jù)；按照土石壩填筑的不同分區(qū)，選擇工程建設(shè)期設(shè)計(jì)報(bào)告中的滲流參數(shù)，建立土石壩滲流的有限元模型；模型輸入的上游水位數(shù)據(jù)為所述10日實(shí)測(cè)上游水位的均值，表示為He，選擇上游水位為He時(shí)滲壓計(jì)測(cè)值，n個(gè)滲壓計(jì)測(cè)值表示為p1、p2、…、pn；建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有限元分析迭代過(guò)程，通過(guò)調(diào)整滲流參數(shù)，使有限元模型在n個(gè)滲壓計(jì)埋設(shè)位置通過(guò)有限元模型計(jì)算得到的滲透壓力值與實(shí)測(cè)值相符，則所述的調(diào)整后滲流參數(shù)為土石壩運(yùn)行期實(shí)際的滲流參數(shù)。第三步，滲漏通道的狀態(tài)特征值提?。簼B漏通道在視電阻率云圖上表現(xiàn)為視電阻率等值線所圍成的環(huán)形，視電阻率值越小越靠近環(huán)形中心，此區(qū)域含水量相對(duì)越高；因此，一個(gè)區(qū)域面積越大，視電阻率值越小，其部位防滲性能越差；取視電阻率等值線為50ohm·m以內(nèi)的范圍作為低阻區(qū)域，將低阻區(qū)域內(nèi)的視電阻率最小點(diǎn)做為中心，計(jì)算各個(gè)視電阻率對(duì)應(yīng)的比值x，表示為50ohm·m與此部位視電阻率的比值，則等值線為50ohm·m處的比值為1，低阻區(qū)域內(nèi)比值大于1。將視電阻率值比值x對(duì)區(qū)域面積進(jìn)行積分，得到狀態(tài)特征值v，對(duì)于數(shù)值積分，采用泰森多邊形對(duì)低阻區(qū)域進(jìn)行分割，視電阻率測(cè)值與所述面積相乘并累加得到狀態(tài)特征值v；第四步，防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷模型建立：滲漏通道的狀態(tài)特征值與上游水位、下游水位、滲漏量、降雨量相關(guān)，需要注意的是，由于土石壩滲流具有遲滯性，上游水位變化和降雨量變化逐漸引起滲漏通道狀態(tài)特征值的變化，之后引起滲漏量的變化，因此建立滲漏通道的狀態(tài)特征值與上游水位、下游水位、滲漏量、降雨量的監(jiān)測(cè)診斷模型，模型中選取監(jiān)測(cè)日前的水位降雨數(shù)據(jù)、同時(shí)選取了監(jiān)測(cè)日后的滲漏量數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)診斷模型公式為：式中，a1~a2、b1~b3、c、d1~d4、e1~e2、f1~f4為待求參數(shù)；H1u為所述視電阻率云圖低阻區(qū)域中心（即低阻區(qū)域視電阻率最小的點(diǎn)）位置的水頭差值；H2u為H1u的二次方；Hu1~Hu3分別為監(jiān)測(cè)日前1天，監(jiān)測(cè)日前2~3天、監(jiān)測(cè)日前4~10天各時(shí)段內(nèi)的水頭差值的均值；當(dāng)土石壩下游有下游水位時(shí)，Hd為下游水深，無(wú)滲漏量監(jiān)測(cè)，滲漏量為0，d1~d4=0；當(dāng)土石壩下游無(wú)水位時(shí)，有滲漏量監(jiān)測(cè)，c=0，Q1~Q4分別為監(jiān)測(cè)日當(dāng)天、監(jiān)測(cè)日后1天、監(jiān)測(cè)日后2~3天、監(jiān)測(cè)日后4~10天各時(shí)段內(nèi)的滲漏量均值；θ為蓄水初期或起測(cè)日開始的天數(shù)除以100，代表隨時(shí)間推移土石壩滲流性態(tài)的變化；R1~R4分別為監(jiān)測(cè)日當(dāng)天、監(jiān)測(cè)日前1天、監(jiān)測(cè)日前2~3天、監(jiān)測(cè)日前4~10天各時(shí)段內(nèi)的日累積雨量均值。第五步，待求參數(shù)計(jì)算和安全范圍計(jì)算，選擇時(shí)段超過(guò)一年的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)段內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)縱斷面內(nèi)滲漏通道的狀態(tài)特征值序列V；按照第四步建立診斷模型，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到診斷模型的待求參數(shù)及狀態(tài)特征值的擬合值序列W，實(shí)現(xiàn)防滲性能劣化監(jiān)測(cè)診斷模型的建立；計(jì)算V和W的差值U，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論中的小概率事件原理，對(duì)U進(jìn)行分析，取顯著性水平α（在1%~5%），則Pα=α，為小概率事件，差值U有α的概率落在置信帶[б1,б2]之外，則此斷面防滲性能出現(xiàn)劣化。第六步，防滲性能劣化綜合監(jiān)測(cè)診斷：在土石壩運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上游水位、下游水位、滲漏量、視電阻率、降雨等數(shù)據(jù)，利用第二步得到的實(shí)際滲流參數(shù)結(jié)合有限元計(jì)算各縱斷面滲漏通道的水頭差值，將計(jì)算數(shù)據(jù)代入第四步得到的監(jiān)測(cè)診斷模型，得到各縱斷面滲漏通道的狀態(tài)特征值，對(duì)布置的m個(gè)縱斷面斷面有，v1~vm；按照第三步到第五步的過(guò)程，計(jì)算各縱斷面滲漏通道的狀態(tài)特征值有w1~wm，計(jì)算差值u1~um，進(jìn)行以下診斷：一級(jí)診斷：當(dāng)u1~um全部落在所對(duì)應(yīng)的m個(gè)置信帶[б1,б2]上，土石壩防滲性能正常。二級(jí)診斷：當(dāng)u1~um有大于等于1/3且小于2/3數(shù)量的值落在所對(duì)應(yīng)的m個(gè)置信帶[б1,б2]之外，土石壩防滲性出現(xiàn)劣化，需要采取非工程措施。三級(jí)診斷：當(dāng)u1~um有大于等于2/3數(shù)量的值落在所對(duì)應(yīng)的m個(gè)置信帶[б1,б2]之外，土石壩防滲性出現(xiàn)惡化，需要采取工程措施進(jìn)行維護(hù)。有益效果：本發(fā)明的一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置及方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有土石壩防滲性能監(jiān)測(cè)診斷分析的不足，能夠長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)與土石壩防滲性能相關(guān)的水位、降雨、滲漏量、視電阻率等數(shù)據(jù)，獲得實(shí)際滲流參數(shù)、滲漏通道的狀態(tài)特征和實(shí)際水頭差值；在此基礎(chǔ)上建立土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷模型、安全范圍和綜合監(jiān)測(cè)診斷的方法，能夠有效的實(shí)現(xiàn)土石壩滲流變化參數(shù)的無(wú)損測(cè)量、滲漏規(guī)律分析、防滲性能劣化診斷，為滲漏土石壩病險(xiǎn)診斷分析和工程維護(hù)能夠提供有效的幫助，從而保障土石壩工程的安全運(yùn)行。附圖說(shuō)明圖1一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置俯視圖。圖2一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置A-A斷面圖。圖3土石壩滲漏通道及滲流流網(wǎng)示意圖。圖4一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷視電阻率分布示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。對(duì)某均質(zhì)土石壩進(jìn)行分析，壩高為25m，上游水位常年在15~22m之間變化，下游無(wú)下游水位，有滲漏排水渠道；如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置，包括視電阻率測(cè)量系統(tǒng)、滲透壓力測(cè)量系統(tǒng)、水位測(cè)量系統(tǒng)、滲漏量測(cè)量系統(tǒng)、雨量觀測(cè)設(shè)備、電纜和監(jiān)測(cè)箱。其中，視電阻率測(cè)量系統(tǒng)布置在土石壩5個(gè)縱斷面上，包括壩頂布置2個(gè)縱斷面，上游坡布置1個(gè)縱斷面，下游坡布置2個(gè)縱斷面；各縱斷面等間距埋設(shè)有不銹鋼材質(zhì)的測(cè)量電極，測(cè)量電極通過(guò)電纜沿縱斷面連接并匯集到監(jiān)測(cè)箱中。其中，滲透壓力測(cè)量系統(tǒng)包括3個(gè)的滲壓計(jì)，滲壓計(jì)沿土石壩橫斷面從上游到下游埋設(shè)于大壩內(nèi)，埋設(shè)位置距離土石壩基礎(chǔ)分別為3m、2.5m、2m。由于土石壩下游無(wú)水位，只有滲漏，水位測(cè)量系統(tǒng)只有一套，用于測(cè)量上游水位，水位計(jì)為智能型MIK-DP超聲波液位計(jì)，量程為0~20m；雨量觀測(cè)設(shè)備為JD-05B翻斗式雨量計(jì)，允許最大降雨強(qiáng)度為8mm/min；滲漏量測(cè)量系統(tǒng)為量水堰，包含量水堰槽和量水堰計(jì)，量水堰槽采用玻璃鋼材質(zhì)的三角堰，量水堰計(jì)（型號(hào)JY23-BGK-4675）分辨率為0.025mm，最大量程為5m。用于土石壩防滲性能劣化的監(jiān)測(cè)診斷裝置的監(jiān)測(cè)診斷方法，包括以下步驟：第一步，采集整理并計(jì)算得到2012~2014年的土石壩上游水位值、縱斷面視電阻率值、滲壓計(jì)的滲透壓力值、下游滲漏量值、日累計(jì)雨量值。第二步，實(shí)際滲流參數(shù)估算：選擇歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，2012年4月1~4月15日，上游水位變幅0.5m內(nèi)，最高水位20.9m，最低水位20.5m，平均水位20.8m。將所述土石壩按照填筑的不同分區(qū)，分為壩體填土、壩基的基礎(chǔ)土壤和基巖三部分，基巖為不透水層；參考設(shè)計(jì)及施工資料，壩體填土滲透系數(shù)為1.2×10-5，基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)為6.5×10-6，按照土石壩的結(jié)構(gòu)尺寸建立土石壩滲流的有限元模型；模型輸入上游水位20.8m，下游無(wú)水；3個(gè)滲壓計(jì)測(cè)值經(jīng)整編計(jì)算轉(zhuǎn)換為滲透壓力水頭為18m，12m，6.5m；將壩體填土滲透系數(shù)與基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)的比值固定為1.85；體填土滲透系數(shù)與基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)為計(jì)算初值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷調(diào)整滲透系數(shù)取值，允許誤差取0.001，進(jìn)行迭代計(jì)算；當(dāng)前后2次迭代結(jié)果的三個(gè)誤差的方差小于允許誤差時(shí)，停止計(jì)算；得到壩體填土滲透系數(shù)為9.6×10-5，基礎(chǔ)土壤滲透系數(shù)為5.2×10-5；可以看到，由于土石壩防滲性能的逐漸下降，實(shí)際滲透系數(shù)較工程設(shè)計(jì)及施工時(shí)期的滲透系數(shù)增大。第三步~第五步，滲漏通道的狀態(tài)特征值提取，待求參數(shù)計(jì)算和安全范圍計(jì)算：滲漏通道在視電阻率云圖上表現(xiàn)為視電阻率等值線所圍成的環(huán)形（圖4），取等值線為50ohm·m以內(nèi)的范圍作為低阻區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，對(duì)視電阻率值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算比值；由于視電阻率數(shù)據(jù)為圖4中等間距分布的采樣點(diǎn)，采用泰森多邊形對(duì)低阻區(qū)域進(jìn)行分割，將各個(gè)采樣點(diǎn)的視電阻率測(cè)值與所屬面積相乘并累加得到狀態(tài)特征值v。對(duì)縱斷面1~縱斷面5中低阻區(qū)，計(jì)算2013年3月1~2014年10月1日的狀態(tài)特征值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)段的實(shí)際滲透系數(shù)條件下的水頭差，整理對(duì)應(yīng)同一時(shí)段的所需要的降雨和滲漏量數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測(cè)診斷模型，通過(guò)多元回歸計(jì)算得到待求參數(shù)；在此基礎(chǔ)上得到序列V，V中包含2013年3月1~2014年10月1日時(shí)段內(nèi)縱斷面狀態(tài)特征值v，擬合值序列W包含2013年3月1~2014年10月1日時(shí)段內(nèi)通過(guò)監(jiān)測(cè)診斷模型計(jì)算得到的狀態(tài)特征值u，計(jì)算結(jié)果見下表所示；表1狀態(tài)特征值表日期縱斷面1v縱斷面1u縱斷面2v縱斷面2u縱斷面3v縱斷面3u………………………2013.5.11.792.092.152.312.442.55…2013.5.21.861.972.262.642.602.81...2013.5.32.212.172.892.552.752.81…2013.5.42.041.862.592.572.853.03…2013.5.52.071.902.632.503.312.91…2013.5.61.912.222.682.602.342.64…2013.5.71.811.892.622.432.682.93...……………………計(jì)算各個(gè)序列的差值，取顯著性水平α=5%；得到縱斷面1~縱斷面5的置信帶分別為：[-0.223,0.223]、[-0.327,0.327]、[-0.429,0.429]、[-0.450,0.450]、[-0.455,0.455]。第六步，防滲性能劣化綜合監(jiān)測(cè)診斷：在土石壩運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上游水位、下游水位、滲漏量、視電阻率等數(shù)據(jù)；在2016年10月20日，可計(jì)算10月10日診斷結(jié)果，利用第二步得到的實(shí)際滲流參數(shù)結(jié)合有限元計(jì)算各縱斷面滲漏通道的水頭差值，將計(jì)算數(shù)據(jù)代入第四步得到的監(jiān)測(cè)診斷模型，得到各縱斷面滲漏通道的狀態(tài)特征值，對(duì)布置的5個(gè)縱斷面有，差值為：0.15、0.2、0.43、0.39、0.46；得到以下診斷：二級(jí)診斷，在5個(gè)縱斷面中，縱斷面3和5，差值在置信帶之外，土石壩防滲性出現(xiàn)劣化。由于滲流性態(tài)劣化過(guò)程較為緩慢，通常建議每月進(jìn)行2~3次的診斷分析，對(duì)一級(jí)診斷結(jié)果，需要持續(xù)進(jìn)行正常監(jiān)測(cè)；對(duì)于二級(jí)診斷結(jié)果，需要采取重點(diǎn)滲漏部位巡查、監(jiān)測(cè)、降低水位等非工程措施，以保證土石壩的滲流安全性；對(duì)于三級(jí)診斷結(jié)果，需要對(duì)防滲體系進(jìn)行工程措施處理。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3