本發明涉及一種基于電滲脈沖的粘土心墻型堤壩穩固系統及方法。

背景技術：

1、粘土心墻壩是用填筑于壩體中心的滲透系數較低的粘性土體作為防滲設備的土石壩。此類壩由心墻或斜心墻防滲；上下游壩殼支撐心墻保持壩體穩定:下游壩腳設排水棱體，以保護壩腳不受沖刷，排水棱體的另一個作用是使得從堤壩滲出的水是清水。

2、此類壩體的穩固的核心是保持心墻部分發揮出應有的作用。

3、現有技術的粘土心墻壩堆石壩，包括在壩基，堤壩介質蓋板、防滲帷幕、粘土心墻、上游反濾層、上游過渡層，上游過渡層、上游堆石區、上游塊石護坡、上游回填石渣區、下游反濾層、下游過渡層、下游堆石區、下游塊石護坡、下游石渣回填區、水平墊層、壩頂道路，壩頂道路上游側設置防浪墻。粘土心墻防滲土料質量要求液限一般小于40％，塑性指數為10～20，粘粒含量15％～40％，才能滿足現有規范要求。

4、要實現粘土心墻型堤壩的穩固，不單需要從壩體的結構上進行設計優化，還有必要從其他方面(如抑制滲流方面)進行綜合考慮，從而能進一步增強壩體的穩定性。

5、公開號為217384618u的中國專利公開了一種基于電滲脈沖的防洪堤監測及防滲系統，在堤壩中插入正極和負極，用于將防洪堤的含水率維持在一定的區間，不至于過高或者過低，對解決高水位洪水浸入土夯壩體導致潰壩或者管涌的問題，具有一定的作用。但是，由于正極和負極之間距離較大，而采用的電壓不宜過高(一般不超過36v安全電壓)，因此，這種方案抵抗水分子滲漏的效果并不明顯。

6、因此，有必要設計一種新的針對粘土心墻型堤壩穩固系統及方法。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題是提供一種基于電滲脈沖的粘土心墻型堤壩穩固系統及方法，該基于電滲脈沖的粘土心墻型堤壩穩固系統及方法能實現堤壩壩坡狀態的檢測和實施主動穩固舉措。

2、發明的技術解決方案如下：

3、一種基于電滲脈沖的粘土心墻型堤壩穩固系統，粘土心墻型堤壩的壩體中設有心墻；在心墻與堤壩的迎水面之間沿堤壩的長度方向設置多對電極；

4、對電極施加電滲脈沖后，在心墻與迎水面之間形成一個防滲電場，從而形成了一道無形的防滲墻，阻止了水向堤壩及堤壩外側滲漏，從而有利于堤壩的穩固。

5、每一對電極包括正極棒和負極棒，正極棒與負極棒之間間距在2米以內(以電滲脈沖輸出電壓等級為36v及以下為例。)。

6、多對電極分為k組；k為整數，k≥3；每一組電極中包括至少3對電極；采用脈沖發生器對k組電極實施分組控制(以避免布線過長，也便于分區管理和控制。)。

7、在迎水坡上還布置多重電極。

8、多重電極布設的方式為：在堤壩的迎水坡面按網格狀進行分區，將迎水坡面分為m排和n列個網格區；m≥3，n≥3；每一個網格區域內設置至少一組正負極；正負極豎直方向插裝在堤壩的迎水坡中；正負極與脈沖發生器相連；脈沖發生器受控于控制中心。堤壩防護系統還包括數據采集終端(mcu數據處理單元)用于采集每一路正極和負極中流過的電流數據以反饋給控制中心；

9、相鄰列的正負極重疊的部分長度為l；l為30-100cm。優選50cm。

10、每組正負極中的正負極的底端對齊；

11、不同排的網格區采用不同的脈沖電壓等級，深度大(即行數或排數，從上往下數)的網格區的脈沖電壓等級高于深度小的網格區的脈沖電壓等級。水壓高電壓越高。最高不超過36v。最低12v。中間可以是24v，或其他電壓，如16v等。

12、網格區的面積不超過50平方米。

13、一種基于電滲脈沖的粘土心墻型堤壩穩固方法，采用前述的粘土心墻型堤壩穩固系統，從而在堤壩的心墻與迎水坡之間形成防滲層，可以稱為逆向防滲層，或稱為無形的防滲墻，以阻止過多的水進入壩體(保持壩體介質含水量的穩定范圍內)，從而保障壩體的穩定性。

14、堤壩上設有脈沖發生器；脈沖發生器與電極相連；每一重電極中，負極在靠近水體(迎水面)一側，正極在遠離水體(迎水面)一側；堤壩穩固系統還包括數據采集終端(mcu數據處理單元)用于采集每一路正極和負極中流過的電流數據以反饋給控制中心；脈沖發生器通過電極發出電滲脈沖；所述的電極插入堤壩的基底；還包括控制中心，控制中心與n個脈沖發生器通過can總線通信連接?？刂浦行目梢允枪た貦C，也可以是基于dsp或plc的主控設備。也稱作主機。

15、按時序控制各網格區的脈沖輸出；如t1時間內只有第一列的網格區輸出脈沖，t2時間內只有第二列的網格區輸出脈沖，t3時間內只有第三列的網格區輸出脈沖?？貕误w內的水在電滲力的作用下有序移動。從而保障壩體介質的含水率穩定，保障壩體安全。

16、每一個脈沖發生單元連接多個正極和多個負極；脈沖發生單元中，mcu作為主控單元，mcu通過脈沖驅動電路控制脈沖發生器產生預設頻率、占空比和電壓值的脈沖信號，脈沖發生器與每一個正極相連的導線上設有第一電流取樣電阻；脈沖發生器與每一個負極相連的導線上設有第二電流取樣電阻；第一電流取樣電阻和第二電流取樣電阻上產生的電壓采樣信號分別通過各自對應的放大電路以及a/d轉換電路后進入mcu，完成數據的采集；

17、不同行的工作單元，采用不同的電壓。脈沖頻率一般是4hz，頻率范圍：

18、2-10hz。

19、該系統一般在洪水來之前提前啟動。

20、堤壩防護系統還包括總線，多個脈沖發生單元掛載在總線上，脈沖發生單元包括用于產生脈沖序列的脈沖發生器及電極，電極包括正電極和負電極；電極布設在堤壩壩坡上；

21、每個周期的脈沖序列由三個部分組成：正脈沖段(正電壓脈沖)，負脈沖段(負電壓脈沖)和停頓段(零電壓脈沖)；其中：正脈沖促使陽離子與其結合的水分子從陽極側向陰極側移動，與水利梯度誘導的方向相反，阻止水滲透到堤壩中；負電壓脈沖允許控制一定量的水分在作為電滲介質的堤壩中，以免造成堤壩壩體的過度干燥；停頓段為正脈沖和負脈沖的作用提供充分響應時間，使系統達到一個新的平衡狀態。

22、脈沖發生單元通過向布設在堤壩壩坡中的電極施加電滲脈沖，使得堤壩介質中含水率穩定，從而保持壩體處于最佳穩定狀態。

23、還包括物聯網平臺和監測中心，監測中心與物聯網平臺通信連接，監測中心掛載在總線上。監測中心與物聯網平臺通過mqtt機制通訊連接。mqtt(message?queuingtelemetry?transport是指消息隊列遙測傳輸。

24、所述的總線為can總線。

25、每一個脈沖發生單元連接多個正極和多個負極。

26、脈沖發生單元中，mcu作為主控單元，mcu通過脈沖驅動電路控制脈沖發生器產生預設頻率、占空比和電壓值的脈沖信號，脈沖發生器與每一個正極相連的導線上設有第一電流取樣電阻；脈沖發生器與每一個負極相連的導線上設有第二電流取樣電阻；

27、第一電流取樣電阻和第二電流取樣電阻上產生的電壓采樣信號分別通過各自對應的放大電路以及a/d轉換電路后進入mcu，完成數據的采集。

28、mcu數據轉換主要是,把模擬信號轉換成2進制格式,后經數字濾波、歸類、儲存、編碼成can通信協議格式經can控制器發送到總線上。

29、監測中心或脈沖發生單元處設有報警器。

30、所述的負極為負極棒，正極采用鋅管正極；負極網或負極棒沿著堤壩與水體接觸的斜坡面布設；鋅管正極插裝在堤壩的結構體中，脈沖發生器布設在堤壩上。

31、通過脈沖發生單元采集的堤壩現場的電流數據判斷堤壩壩坡的含水量情況，實現堤壩壩坡的狀態監測；

32、當電流高于預設值時，則提高電滲脈沖的占空比，以降低堤壩壩坡的含水率，實現堤壩壩坡的主動穩固。當含水率超過20％時，正脈沖寬度每6個小時增加5毫秒，負脈沖減少2毫秒,直至含水率下降20％時,正脈沖寬度每6個小時減少5毫秒，同時負脈沖增加2毫秒,以保持坡體的含水率的穩定。電滲脈沖參數設置范圍：正脈沖寬100-200ms，負脈沖寬5-150ms，頻率3至5hz。

33、若電流高于預設的報警值，則由監測中心或脈沖發生單元啟動報警。如聲光報警，電話報警等。

34、電滲脈沖實施堤壩穩固的原理說明：

35、脈沖序列由三個部分組成，正脈沖段(正電壓脈沖)，負脈沖段(負電壓脈沖)和停頓段(零電壓脈沖)。正脈沖促使陽離子與其結合的水分子從陽極側向陰極側移動，與水利梯度誘導的方向正好相反，防止水滲透到堤壩中，隨著水合陽離子沿著毛細孔壁形成雙電層極化導致流量減少；負電壓脈沖允許控制一定量的水分在堤壩介質中，以免造成堤壩壩體的過度干燥。在電滲脈沖的作用下，會對水分子產生極化效應：氫聚集成極化陰極，羥基聚集成極化陽極。高速移動的陽離子，陰離子漂浮在雙電層之間的毛細孔流體中會發生反轉，陽極變成陰極，陰極變成陽極。

36、正電壓脈沖有最長的脈沖時間，信號幅度通常在12伏到36伏直流電壓之間。雙極性脈沖波形的使用可以防止堤壩介質過度干燥和失去結構完整性。

37、這項技術最關鍵的環節之一就是負電壓脈沖。這使得堤壩介質內部的水分含量得以控制，從而防止電滲介質過度干燥，隨后導致退化。將陽極插入結構體的內部，陰極則直接放置于結構以外的土壤中。正負脈沖的作用下導致電解過程中一些化學反應的發生。同時，休息階段(無電壓施加)使系統達到平衡。

38、有益效果：

39、本發明的基于電滲脈沖的粘土心墻型堤壩穩固系統及方法，具有以下特點：

40、首先，在迎水面設置一道前置的基于多重電極布設的防滲屏障；由于土壩坡面跨度較大，而電滲作用距離有限，因此，需要設置多重電極，并且通過切換電路，控制水向一個方向滲漏，保障堤壩的含水量穩定。沿迎水面壩體斜坡埋設多組相應的正負極，正負極的底端對齊，正負極間距在2米內為宜，從壩頂算起，下一組正極的頂部要與下一組的負極底部相差約50厘米，以此類推直至壩底。沿壩體的橫向延長或者自然走向，正負極控制面積予以拆分成獨立工作組，控制面積不超過50平米，基于洪水高度不同，從壩頂到壩底可以采用不同的電壓抵御不同水壓，洪水退卻時可以依據不同水位逐步調整電壓。在洪水來臨前3個月進行系統統一開啟運行。

41、另外，在堤壩上，具體的在心墻與迎水面之間設置基于多對電滲電極的防滲設施；形成第二道防滲的屏障；

42、本發明充分應用電滲脈沖的基本原理，通過電流實時監控粘土心墻壩中的含水率以及其變化趨勢，不但能實施預警，而且，通過該調整脈沖參數，針對壩坡實施主動防治，而且成本低，布設方便，具有顯著的經濟效益(成本優勢)和社會效益。

43、本發明的核心是：設置雙層防滲屏障(一個是采用多重電極布設，能在堤壩的迎水坡體內形成一個連續電場，從而形成一片連續的滲漏阻斷層，另一個是位于堤壩內的防滲電極)，有效防止水分子向壩體滲漏，從而實現了穩固壩體的目標。