大壩壩體監測系統的制作方法
【專利摘要】一種能測量出大壩外部、內部每個測試點的大地坐標點，從而建立完整的描述出大壩WGS84坐標系的三維坐標的系統。該系統包括：安裝在壩體表面的北斗/GPS雙頻雙系統測量部件，以及安裝在壩體內部外部的傳感器組；并將以上兩項測量數據進行關聯計算，推導出大壩外部、內部每一個測試點的坐標點，形成多組大壩測量數據，從而描述出大壩的三維數組；在大壩上安裝若干個上述測量系統，可對大壩的變形和位移進行整體監測。
【專利說明】大壩壩體監測系統
【技術領域】
[0001]本申請涉及一種新型大壩變形與位移測量【技術領域】，特別是涉及一種大壩整體內外部位移與變形測量及實現大壩內外部變形位移整體耦合的監測裝置。
【背景技術】
[0002]水庫大壩的測量技術以及測量精度是保證大壩安全的重要手段，高效率、高精度、全天候、無距離限制的實時測量方式，以及在野外環境下長時間工作，是現有水利測量技術發展的方向。
[0003]現在測量大壩的主要手段有:
[0004]使用傳感器組成網絡的大壩監測設備，使用計算機技術對各種傳感器進行數據采集，還包括傳感器網絡和網關節點；傳感器網絡、網關節點和計算機監測中心依次連接?’傳感器網絡由N個傳感器節點構成，傳感器節點之間根據傳感器節點通信協議和節點間距選擇形成自組織網絡；根據傳感器節點能量消耗情況和傳感器節點與網關節點的間距，選擇一個傳感器節點與網關節點無線連接，形成傳感器網絡測量技術。該技術只能測量出相對位移，無法對大壩的整體絕對位移進行監測
[0005]激光測量法，該方法是在大壩的壩體基點設置一準直激光，射向大壩的各個壩段，在每一個壩段安裝一套與壩段固定成一體的激光反射裝置，測量時，光斑偏離監測系統中的毛玻璃中心，說明壩段發生偏移，通過數學模型運算可測定大壩的變形量，對較長的大壩，考慮激光光斑大小對測 量精度和范圍的影響，還可分段使用該系統，整個系統還能實現激光準直的自校驗，保證大壩變形自動化監測高精度要求。這種監測方式只適用于水平位移監測、垂直位移監測，同時監測裝置容易受到外界環境的干擾。
[0006]使用GPS衛星定位技術，也是能準確的測量出大壩的變形情況，根據GPS差分測量技術，水平測量精度達到2mm，垂直測量精度能達到5mm，滿足壩體測量要求，但該種測量方式只能測量壩體表面變形。

【發明內容】

[0007]本申請所要解決的技術問題是提供一種大壩整體內外部變形與位移測量，并能將大壩內部位移、外部變形數據與整體大壩的絕對位置數據進行關聯的監測裝置，解決了現有各種大壩測量技術中存在的無法反映壩體變形全貌以及單純通過大壩的內部或外部數據進行大壩安全性評估的問題。
[0008]壩體的形變通常是在外力和內力的作用下產生的，當形變較大時，就有可能導致壩體斷裂。大壩斷裂前后的應力應變關系基本符合從彈性形變到塑性形變的過程，所以準確測量與預判大壩的安全必須實時監測大壩外部和內部的變形與位移情況。
[0009]本申請解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種大壩壩體監測系統，其特征在于:主要包括壩體整體內外部變形與位移的測量裝置、壩體相對地面的絕對位移的測量裝置以及將兩部分上述測量裝置得到的壩體整體內外部變形與位移數據與壩體相對地面的絕對位移數據進行關聯的數據轉換裝置；
[0010]其中大壩整體內外部變形與位移的測量裝置包括:
[0011]外部變形監測裝置，其用來實現對壩體表面監測點的位移測量；
[0012]內部變形監測裝置，其用來實現對壩體內部相對變形進行測量；
[0013]所述內部變形監測裝置中包括壩體測斜孔以及安裝在測斜孔中的測斜儀，其用來確定壩體內部每個監測點的基于WGS84坐標系的坐標點；
[0014]所述壩體相對地面的絕對位移的測量裝置采用北斗/GPS設備，其能得到壩體表面每個點相對地面的絕對位移；
[0015]所述數據轉換裝置為將通過上述外部變形監測裝置、內部變形監測裝置以及北斗/GPS設備得到的測量點的相關位移數據，應用網絡數據處理及聯合平差算法，形成大壩內部、外部每個測量點的在WGS84坐標系中的絕對變形值，從而構造成大壩壩體整體變形數據結構。
[0016]所述外部變形監測裝置包括:
[0017]水平位移監測裝置，主要應用引張線儀；
[0018]垂直位移監測裝置，主要應用沉降儀或垂線坐標儀。
[0019]所述內部變形監測裝置包括:溫度計、濕度計、壓力計，固定式測斜儀、便攜測斜儀，土體沉降儀，分層沉降儀，多點沉降儀組成的傳感器陣列。
[0020]所述北斗/GPS設備實時測量精度達到水平測量精度小于1mm、垂直測量精度小于2mm ο
[0021]該監測系統還包括嵌入式計算機部件，以及防雷、供電單元、箱體作為所述監測系統的輔助單元。上述監測系統的工作方式為:首先通過北斗/GPS設備測量出壩體變形區監測點的絕對位移，并將其轉換為大地坐標系(坐標顯示符合國標相關規定，支持坐標轉換功能，WGS84坐標系、CGS2000坐標系、北京54坐標系，并具有各種坐標系轉換功能)；再通過壩體整體內外部變形與位移的測量裝置測量得到壩體內外部相對變形與位移；最后將前兩步的測量數據組合關聯，將大地坐標系導入壩體內部，通過地下位移監測系統確定大壩體內部每個監測點的大地坐標點,這樣就形成了 3D地理信息的壩體數學模型。
[0022]本申請的有益效果為:現有大壩測量技術方案，對大壩表面位移測量與壩體內部測量沒有進行整體融合，應用不同測量技術，可對大壩分別測量，但存在著巨大的風險隱患，如:壩體表面未發生變形，但壩體內部出現整體移動，兩類傳感器都會出現不超標現象，將導致災害的發生，此時單一測量技術沒能呈現出壩體危機前兆。而采用本申請的技術方案，將不同位置測量技術融合到一起，形成整體測量裝置，通過不同測量裝置的測量點的相關位置，應用網絡數據處理及聯合平差算法，形成大壩內部、外部每個點的相對大地坐標系的絕對變形，使監測系統對大壩形成整體的數據結構，并可通過3D數字化地理信息技術，將該大壩的模擬變形情況展示給觀測者。并輔以一體化的滲流及揚壓力監測傳感器、溫度傳感器、水位傳感器等，可對大壩的安全進行分析預判，確保水庫大壩的安全。從而解決了水庫大壩的整體變形監測問題，提高了大壩的安全系數，減少了人力巡查帶來的費時費力問題，是大壩監測的新途徑。能夠準確測量出大壩表面以及內部任何一個位置的變形位移情況，準確測量與計算出大壩表面與內部絕對位移，并能預測壩體變形趨勢。【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是監測系統組成圖；
[0024]圖2是北斗/GPS壩體表面變形測量圖；
[0025]圖3是地下位移監測對比示意圖；
[0026]圖4是大壩整體內外部變形與位移監測裝置組合關聯圖
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本申請技術方案進行詳細說明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落入本申請權利要求書所限定的范圍。
[0028]本申請的實施方式涉及一種大壩壩體監測系統，主要包括壩體整體內外部變形與位移的測量裝置、壩體相對地面的絕對位移的測量裝置以及將上述壩體整體內外部變形與位移與壩體相對地面的絕對位移進行關聯的數據轉換裝置。其中大壩整體內外部變形與位移的測量裝置包括:外部變形監測裝置和內部變形監測裝置，內部變形監測裝置采用多個不同種類埋設在壩體內部的傳感器，對壩體內部進行相對位置測量，外部變形監測裝置使用表面局部傳感器，對壩體表面具有代表性的監測點進行重點測量；測量壩體相對地面的絕對位移的裝置采用北斗/GPS設備，該設備應用差分技術，可達到毫米級的測量精度，對壩體表面的水平位移和垂直位移進行實時監測；數據轉換裝置為將采集監控單元讀取的不同類型傳感器的數據進行關聯處理，數據處理單元通過北斗/GPS設備給出的大壩不同點的坐標，再通過圖3中所示的測斜儀數據算出壩體中每個點在WGS84坐標系中的變形位移，根據不同時間的數據累加，構造成大壩壩體整體變形數據結構從而得出大壩整體位移情況。
[0029]所述外部變形監測裝置包括:水平位移監測裝置，主要采用引張線儀；垂直位移監測裝置，主要采用沉降儀或垂線坐標儀。
[0030]所述內部變形監測裝置包括:溫度計、濕度計、壓力計，固定式測斜儀、便攜測斜儀，土體沉降儀，分層沉降儀，多點沉降儀等傳感器組成的傳感器陣列，這里要理解，內部變形監測裝置是一個廣義的概念，包括測量壩體內部各種待測參數的裝置。
[0031]所述北斗/GPS設備實時測量精度達到水平測量精度小于1mm、垂直測量精度小于2mm ο
[0032]所述系統還包括嵌入式計算機部件、以及防雷、供電單元、箱體等輔助單元。
[0033]圖1是監測系統組成圖；大壩壩體監測系統主要包括:1、使用北斗與GPS組合，對壩體表面進行絕對位置測量，能夠得到壩體表面監測點的絕對位移；2、多個埋設在壩體內部的傳感器，對壩體內部反應變形與位移的各個參量進行相對位置測量；3、表面局部傳感器，對大壩表面特定位置進行重點測量，得出相對位置變形。此三部分構成了本裝置的測量核心。
[0034]前端監測設備主要由外部變形監測裝置與內部變形監測裝置兩部分進行相對位置測量:外部變形監測儀器，包括:水平位移監測，主要應用引張線儀；垂直位移監測，主要應用沉降儀或垂線坐標儀。內部變形設備，包括:溫度計、濕度計、壓力計，固定式測斜儀，便攜測斜儀，土體沉降儀，分層沉降儀，多點沉降儀等傳感器組成的傳感器陣列。以及采用北斗/GPS設備用于測量壩體絕對位移。
[0035]圖2是北斗/GPS壩體表面變形測量圖。圖2中，I為安裝在穩定區的北斗/GPS基站；2和3為安裝在壩體變形區的監測點。北斗/GPS應用差分技術，測量精度達到毫米級。用來監測壩體表面的水平和豎直位移，采用的北斗/GPS系統測量靜態定位精度為水平測量精度小于1_、垂直測量精度小于2mm。
[0036]對于壩體表面水平位移及沉降位移的監測，采用北斗/GPS變形監測系統最為理想。壩體位移變化在短時間內是很緩慢的，要通過觀測整體的微小變形量，構造統計分析模型，預測變形體長期的變化趨勢，需要獲得監測點高精度位置坐標數據，通常要求監測點的觀測數據達到毫米級的精度，這也是北斗/GPS定位技術能應用于變形觀測的一個關鍵性問題。一般觀測使用的全站儀由于其內部的電器、光學特性使得它不能工作在雨雪天氣，夜里也無法完成測量作業，北斗/GPS技術由于其全天候作業的特點不但可以取代傳統的測量作業方式，而且可以將北斗/GPS信號傳輸到控制中心，實現數據自動化傳輸、管理和分析處理。
[0037]圖3是地下位移監測對比示意圖。圖3中，左側表示安裝后的正常狀態，右側表示大壩內部發生位移后的狀態。采用在測斜孔內安裝雙軸固定測斜儀來測量地下位移，具有高精度、穩定性好、適于長期地下監測等特點，是目前用于地下位移監測最優的選擇。其中雙軸固定測斜儀的主要技術參數為:
[0038]軸數:2
[0039]角度量程:±12.5°
[0040]角度精度:0.55% F.S
[0041]位移精度:± 2mm
[0042]溫度補償:內部0.1 °C /mV溫度傳感器
[0043]圖4是大壩整體內外部變形與位移監測裝置組合關聯圖。圖4中，4為北斗/GPS位移測量部件，5為測斜計，6為其他內部傳感器組合。通過外部變形監測儀器，內部變形設備的關聯埋放形成整套大壩測量裝置。
[0044]上述監測系統的工作方式為:首先通過北斗/GPS設備測量出壩體變形區監測點的絕對位移,并將其轉換為WGS84坐標系(坐標顯示符合國標相關規定,支持坐標轉換功能，WGS84坐標系、CGS2000坐標系、北點54坐標系，并具有各種坐標系轉換功能)；再通過壩體整體內外部變形與位移的測量裝置測量得到壩體內外部相對于北斗/GPS測量點的變形與位移；然后將前兩步的測量數據組合關聯計算，將WGS84坐標系導入壩體內部，通過地下位移監測系統確定大壩體內部每個監測點的WGS84坐標點，這樣就形成了 3D地理信息的壩體數學模型，該數學模型能夠實時表征壩體整體變形位移情況；最后根據附帶安裝的溫度、壓力、濕度、雨量等傳感器，通過數據分析，可預測大壩的危險情況，達到本系統對水庫大壩壩體的監測以及預測壩體變形趨勢的目的。
[0045]該系統整體工作原理是采集監控單元4輪流讀取不同類型傳感器的相關數據，并將上述得到的數據上傳至數據處理單元。數據處理單元通過北斗/GPS設備給出大壩不同點的坐標，再通過測斜儀算出壩體中每個點的大地坐標位置，根據不同時間的數據累加，得出大壩位移情況。
【權利要求】
1.一種大壩壩體監測系統，其特征在于:主要包括壩體整體內外部變形與位移的測量裝置、壩體相對地面的絕對位移的測量裝置以及將兩部分上述測量裝置得到的壩體整體內外部變形與位移數據與壩體相對地面的絕對位移數據進行關聯的數據轉換裝置； 其中大壩整體內外部變形與位移的測量裝置包括: 外部變形監測裝置，其用來實現對壩體表面監測點的位移測量； 內部變形監測裝置，其用來實現對壩體內部相對變形進行測量； 所述內部變形監測裝置中包括壩體測斜孔以及安裝在測斜孔中的測斜儀，其用來確定壩體內部每個監測點的基于WGS84坐標系的坐標點； 所述壩體相對地面的絕對位移的測量裝置采用北斗/GPS設備，其能得到壩體表面每個點相對地面的絕對位移； 所述數據轉換裝置將通過上述外部變形監測裝置、內部變形監測裝置以及北斗/GPS設備得到的測量點的相關位移數據，形成大壩內部、外部每個測量點的在WGS84坐標系中的絕對變形值，從而構造成大壩壩體整體變形數據結構。
2.如權利要求1所述的大壩壩體監測系統，所述外部變形監測裝置包括: 水平位移監測裝置，主要應用引張線儀； 垂直位移監測裝置，主要應用沉降儀或垂線坐標儀。
3.如權利要求1所述的大壩壩體監測系統，所述內部變形監測裝置包括:溫度計、濕度計、壓力計，固定式測斜儀、便攜測斜儀，土體沉降儀，分層沉降儀，多點沉降儀組成的傳感器陣列。
4.如權利要求1所述的大壩壩體監測系統，所述北斗/GPS設備實時測量精度達到水平測量精度小于1_、垂直測量精度小于2mm。
5.如權利要求1所述的大壩壩體監測系統，還包括嵌入式計算機部件，以及防雷、供電單元、箱體作為所述監測系統的輔助單元。
【文檔編號】G01B7/02GK203744915SQ201320454280
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】王曉翔, 魯濤 申請人:王曉翔, 魯濤