水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及方法，装置包括壳体、图像检测装置、挡板机构、摄像头、控制器和太阳能电池板，所述壳体对应的两侧面分别设置有透光孔，图像检测装置设置在壳体内两个透光孔之间，在两个透光孔与图像检测装置之间还分别设置有挡板机构，摄像头设置在图像检测装置平行于激光通路的侧壁内侧，控制器设置在壳体内，太阳能电池板设置在壳体顶部。本发明提供的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，不仅产品成本低、测量精度高、性能稳定，而且安装方便、受地理环境影响大、维护成本低、实用性强。本发明提供方法对水库坝体沉陷与水平位移基准点进行检测，不仅算法简单，而且测量精度高。
【专利说明】
水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水库坝体检测技术，具体地说是水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]大坝作为重大水利工程的关键枢纽工程，其稳定安全与否直接关系到整个水利工程其它辅助工程正常运行，并直接影响和决定着重大水利工程整体的安全性与设计效益的发挥，更重要的是其稳定性和安全直接关系下游区域人民群众的生命财产安全、社会经济建设和生态环境安全等。
[0003]混凝土坝和砌石坝建成蓄水水库运用后，在水压力、泥沙压力、浪压力、扬压力以及温度变化等作用下，坝体必然发生变形。坝体的变形与各种荷载作用和影响因素的变化具有相应的规律性变化，并在允许的范围之内，这是正常的现象。然而，坝体的异常变形则往往是大坝破坏事故的先兆。如1959年法国马尔巴塞拱坝失事前，拱座发生了异常变形，如果该坝在运行期间进行了系统的变形观测，及时掌握拱座的变形情况，采取有效措施，是有可能避免垮坝失事的。因此，为保证混凝土坝和砌石坝的安全运行，必须对坝体进行变形观测，以随时掌握大坝在各种荷载作用和有关因素影响下变形是否正常。混凝土坝和砌石坝受水压力等水平方向的推力和坝底受向上的扬压力作用，有向下游滑动和倾覆的趋势，因此要进行水平位移观测。混凝土和砌石均属弹性体，在水平荷载作用下，坝体将发生挠度，因此还需要进行挠度观测。坝体受温度影响和自重等荷载作用，将发生体积变化，地基亦将发生沉陷，需要进行垂直位移(沉陷)观测。我国从20世纪80年代开始在大坝上进行大规模布置监测系统。
[0004]坝体位移监测的主要分类方法有:I)根据测点的位置，分为坝体表面和内部位移监测；2)根据测量功能，分为水平位移监测、垂直位移监测和三维位移监测；3)根据监测的连续性，分为人工周期性监测和在线连续监测。坝体表面位移监测方法包括两大类:I)根据基点高程和位置，使用经纬仪、水准仪、电子测距仪或激光准直仪、GPS、智能全站仪等来测量坝体表面标点、觇标处高程和位置变化，这种方式可以实现测点的三维位移数据测量；2)在坝体表面安装或埋设一些监测位移的仪器，这种方式通常只能测量测点的单项位移数据。坝体内部位移监测主要通过安装埋设仪器来实现，通常只能监测测点的单项位移数据(水平位移或垂直位移)。常用的位移监测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、弓I张线仪、多点位移计和应变计等。
[0005]目前国内外在线检测研究情况如下。
[0006]1、水平位移在线监测技术
坝体水平位移监测技术与表面变形监测、坝体垂直位移监测等进行配套布置和相互验证。常用技术有测斜仪技术，引张线技术，正、倒垂线技术等。
[0007]1.1测斜仪技术
测斜仪技术主要用于测量坝体内部水平位移，工作原理是测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化量，从而计算出土层各点的水平位移大小。测斜仪有活动测斜仪和固定测斜仪之分。活动测斜仪用于人工测量，固定测斜仪可以实现自动在线测量。其测量方法是由若干固定式测斜仪按一定间距组成传感器串，根据传感器间距(标距)和所测得倾角计算每个传感器对应的测斜管段位移，形成测斜管的水平变形曲线。根据传感器不同，固定测斜仪分为伺服加速度计式、电解质式、电阻应变片式等。该方法施工干扰较小、测量原理理论依据充分、性能稳定、操作简单、可以在线监测。测量孔深不大时测量精度满足要求；但在孔深较大时，内部布设传感器较多，成本较高，同时测量精度受到影响。
[0008]1.2引张线技术
引张线式水平位移计是利用线膨胀系数很小的不锈钢钢丝将坝体内部监测点的水平位移传递到坝外的观测房，通过测量钢丝对固定标点的相对位移实现坝体内部水平位移的观测。通过导向滑轮，在其观测房端加一固定砝码或重锤，当坝体内水平测点移动时，带动钢丝移动，在固定标点处钢丝的位移加上自身的位移即为坝体内水平测点的位移量。该方法测量结果的重复性好、精度高，并且测量结果不受大气压力和温度等环境因素影响，不需要进行大气压力补偿和温度修正，长期稳定性好。但该方法施工复杂、维护不便。引张线技术也可以用于监测坝体表面水平位移，原理是采用一条不锈钢钢丝在两端点处施加张力，使其在水平面的投影为直线从而测出被测点相对于该直线的偏距。同视准线法相比，该法的基准线是一条物理的直线。引张线法的特点是:受外界影响小，在大坝监测中应用普遍。其测量精度主要取决于读数精度，采用线阵CCD传感器的引张线测量系统实现自动读数，其量程为几厘米，精度优于±0.1mm。但引张线的两端一般要设有正倒垂线，以提供测量的基准，客观上增加了系统的安装和维护使用成本。引张线技术的发展趋势是双向引张线，能够同时观测水平和垂直方向的位移，提高了观测率。
[0009]1.3正、倒垂线技术
正、倒垂线既可以实现坝体表面水平位移监测，又可实现土坝的挠度观测。同时，该方法又经常与激光准直法、引张线法等其它方法配合使用。正垂线是一端固定于坝顶附近，另一端悬挂重锤，以便观测坝体各点间及坝体相对于坝基的位移，以及坝体的挠度观测。倒垂线是一端埋设在坝体基础深层基岩处，另一端浮起，来测定坝体的绝对位移。该技术在大坝监测中广泛使用，并得到充分发展，采用线阵CCD传感器技术可以实现自动读数。
[0010]2坝体垂直位移在线监测技术
坝体垂直位移监测与外部变形监测、坝体水平位移监测等进行配套布置和相互验证。主要监测方法有连通管法监测技术(静力水准法)、水平固定式测斜仪监测技术、振弦式沉降仪监测技术等。
[0011]2.1连通管法在线监测技术
利用液体在连通管两端口处于同一水平面的原理进行观测，坝体内部垂直位移监测的实现方式是:在坝体内设计监测部位设置沉降测头，测头内安置一容器，配有进水管、排水管和排气管，三根管顺坡引到坝体外观测房，进水管与观测房内测量装置(标有刻度的玻璃管)相连通，通过连通平衡使得玻璃管中液面与测头内的容器液面处于同一水位高程。排水管是将测头容器内超过限定水位的多余液体排出，固定测头容器内水位，通过观测房测量装置上的玻璃管水位即可推算测头高程。排气管将容器与观测房大气相通，使得容器内液面与玻璃管内液面均为相同大气压的自由液面。该方法测量原理简单，测量结果直观。用测量精度高的传感器测量玻璃管中水柱高度，可实现在线监测。但也存在如下缺点:土建施工工作量大，测点墩混凝土浇筑需养护时间，沟槽开挖影响施工交通，施工干扰大，影响主体施工进度；施工工艺要求较高，需对测头和管道进行必要的保护，管路须可靠连接；对液体有特殊要求，需采用排气的蒸馏水，在寒冷地区需加防冻液；管内环境适宜微生物的生存，必然产生影响管道畅通的物质，导致测量系统失效；观测程序和维护措施复杂。静力水准仪也是监测坝体表面垂直沉降的重要仪器，测量原理与连通管原理相同，根据起测基点的高程，通过连通管测得的高差，来引测标点的高程。连通管由胶管、玻璃管及刻划尺等组成。该法不受大气折光的影响，很容易实现读数及传输的自动化，测量精度优于±0.1mm,在垂直位移监测中被广泛应用。静力水准仪因测量要求精度高、长期测量稳定可靠，用一般小量程压力传感器测量达不到此要求。
[0012]2.2水平固定式测斜仪监测技术
在设计监测高程上水平布设测斜管，管内放置由若干水平固定式测斜仪按一定间距组成的传感器串，采用固定测斜仪传感器测量垂直方向的倾角，根据传感器间距(标距)和所测得倾角计算该传感器对应的测斜管段位移，每个传感器对应管段位移的代数和形成的变形曲线即为测斜管的沉降变形曲线。该方法施工干扰较小，安装方便快捷，测量原理理论依据充分，施工期即可进行观测，不需配套土建工程，容易实现在线监测，传感器分辨率高，测量精度满足要求，观测结果为沉降曲线，符合坝体变形规律。但测量范围小，容易发生不均匀沉陷或错位，对测量系统影响较大，是否适应大的沉降变形有待进一步研究验证。
[0013]2.3振弦式沉降仪监测技术
振弦式沉降仪固定在沉降盘上，通过通液管将蒸馏水(防冻液)输入到沉降仪，形成蒸馏水(防冻液)水柱，水柱产生的压力直接作用在传感器的承压模上，通过测量传感器频率的变化计算出压力变化值，经过换算可推知水柱的高度。测量水柱液面高程，可计算沉降盘高程。该方法测量原理简单，施工较为方便，施工期即可进行观测，可实现在线监测。但存在管路堵塞和防冻问题，若水柱高度过高，测量精度达不到规范要求。绝对沉降观测精度受水准测量精度影响。
[0014]3三维位移在线监测技术
上述各种监测方法是对变形点的水平位移和垂直位移分别施测，影响测量精度，增加施工难度和工作量，测量数据同时性不好。随着测量仪器和测量技术的发展，目前已经大量采用能实时连续观测坝体表面变形点水平位移和垂直位移的测量技术，由于测量的是变形点的三维位移值，故称为〃三维位移监测〃，主要技术有高精度智能全站仪技术和GPS监测技术等。
[0015]3.1智能全站仪技术
智能全站仪技术，就是利用所谓的测量机器人(MeasurementRobot，或称测地机器人Geo-robot)进行自动搜索、跟踪、辨识和精确找准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息。利用智能全站仪进行尾矿坝的自动化变形监测，一般采取的监测形式是:一台智能全站仪与监测点目标(照准棱镜)及上位控制计算机形成的变形监测系统，可实现全天候的无人值守监测，其实质为自动极坐标测量系统。系统无需人工干预，可以全自动地采集、传输与处理变形点的三维数据。利用因特网或其它局域网，还可实现远程监控管理。该方式监测点的布设成本低、管理维护简便、监测精度高，监测测距精度可达Imm左右。但缺点是系统布设受地形、气候等条件的影响，不能完全实现通视测量，与传统测量方法相比，前期安装成本相对较高。
[0016]3.2 GPS自动化变形监测技术
我国已安装的在线监测系统中，坝面位移测量很多都采用GPS自动监测技术。GPS自动监测技术和全自动全站仪自动监测技术都是通过坝面监测点与基点相对位置的对比，确定监测点的位移。但单一 GPS设备的监测精度不能满足尾矿坝安全管理的技术要求，需通过GPS实时差分变形监测系统，利用各监测点与基准站的变形对比，可大大提高位移监测精度，GPS位移监测精度可达水平位移3mm、垂直位移5mm。应用GPS进行尾矿坝变形监测具有很多优点:1)测站之间无需通视；2)可同时提控监测点的三维位移信息；3)全天候监测；4)监测精度高；5)操作简便，易于实现监测自动化。但GPS也有其不足之处:I)受卫星状况限制。例如，要求GPS天线与GPS卫星之间必须通视，任何遮挡都将减少可用的卫星数目，影响测量精度。2)受天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大。共用卫星数少，常接收不到5颗卫星，因而初始化时间长，甚至不能初始化，也就无法进行测量。3)数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小。出现上述情况时测量精度达不到标称精度，无法满足测量要求。
[0017]目前，我国大坝安全监测领域在监测仪器和数据自动采集系统研制以及数据处理分析方法研究等方面均接近或达到国际先进水平，应用于水库大坝的各种在线监测仪器种类繁多。然而，多年来，我国水库坝位移监测处在人工监测阶段，在线监测只是近几年才刚刚发展。就位移监测设备本身而言，虽然种类很多，但每种设备都有其不足之处，从精度、稳定性、安装工程量、维护、使用、价格等几方面考察，能满足各项要求的设备很少。坝体内部位移监测还只能使用传统的单项位移监测设备，需要预先埋设或钻孔安装，施工不便，目前还没有很好的替代方法；坝体表面位移使用的三维数据监测设备安装方便、性能稳定、精度高，但受地理环境影响大，安装条件受到限制，而且此类设备国产化率低、安装成本高。
【发明内容】
[0018]针对上述不足，本发明提供了一种低成本、高精度、功能齐全的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法。
[0019]本发明解决其技术问题采取的技术方案是:水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，其特征是，包括壳体、图像检测装置、挡板机构、摄像头、控制器和太阳能电池板，所述壳体为长方体壳体，在长方体壳体对应的两侧面分别设置有透光孔，所述图像检测装置设置在壳体内两个透光孔之间，在两个透光孔与图像检测装置之间还分别设置有挡板机构，所述摄像头设置在图像检测装置平行于激光通路的侧壁内侧，所述控制器设置在壳体内，所述太阳能电池板设置在壳体顶部；
所述图像检测装置包括图像检测装置框架和激光拦截反光十字架，所述图像检测装置框架设置有等间距平行分布的槽孔，所述激光拦截反光十字架设置在图像检测装置框架的槽孔内，激光拦截反光十字架所在平面与激光通路平行；其中，所述激光拦截反光十字架由两个垂直的激光反光细条构成； 所述挡板机构包括两个挡板、挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构，所述两个挡板通过挡板伸缩驱动机构相连，所述挡板移动驱动机构与挡板伸缩驱动机构相连，所述挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构的行程末端设置有与控制器相连的限位开关；
所述控制器分别与挡板伸缩驱动机构、挡板移动驱动机构、摄像头和太阳能电池板相连。
[0020]优选地，所述控制器包括超低功耗单片机以及分别与单片机连接的太阳能电池定时控制器、0V7670图像传感器、EEPROM存储芯片、数据存储器、开关量输入电路和PWM脉冲输出电路，所述0V7670图像传感器与摄像头连接，所述开关量输入电路与限位开关连接，所述PWM脉冲输出电路通过数模转换电路分别与挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构的伺服电机连接。
[0021]优选地，所述单片机采用STM8L系列单片机。
[0022]优选地，所述控制器还包括无线射频芯片，所述无线射频芯片与单片机相连。
[0023]优选地，所述透光孔为圆形孔、方形孔或者其它上下对称形状的孔。
[0024]本发明还提供了一种水库坝体沉陷与水平位移基准点检测方法，其特征是，包括以下步骤:
1)将激光发射器设置在坝体的一端，使激光射向坝体的另一端；
2)在激光的线路上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分别设置一个基准点检测装置，所述基准点检测装置内的激光拦截反光十字架的位置均不相同；
3)进行初始化调试，在激光发射器发射激光时采集每个基准点检测装置的初始激光图像并保存；
4)定期采集每个基准点检测装置的实时激光图像；
5)将实时激光图像与初始激光图像进行对比来判断坝体是否发生水平位移和/或沉陷；
6)根据指令实时将坝体基准点的监测结果发给上位机。
[0025]优选地，上述方法中所述步骤5)的具体过程为:将实时激光图像与初始激光图像进行对比，如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置发生左右移动，则判定坝体发生水平位移；如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置发生上下移动，则判定坝体发生沉陷；如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置同时发生水平和上下移动，则判定坝体发生水平位移并沉陷；如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置吻合，则判定坝体没有发生水平位移和沉陷。
[0026]优选地，上述方法中所述步骤5)的具体过程为:将实时激光图像与初始激光图像进行对比，获取实时激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度和下半部分高度，如果上半部分高度和下半部分高度相等且与初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度也相等，则判定坝体没有发生水平位移和沉陷；如果上半部分高度和下半部分高度相等且与初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度不相等，则判定坝体发生水平位移；如果上半部分高度和下半部分高度不相等且它们的高度和等于初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度的2倍，则判定坝体发生沉陷；如果上半部分高度和下半部分高度不相等或者上半部分和下半部分总和与初始激光图像中的初始值(或上次值)不符，则判定坝体发生水平位移并沉陷。两数值采用计算公式获得。
[0027]优选地，上述方法中，所述步骤5)的具体过程为:
(1)根据式I计算坝体发生水平位移时的水平位移值X:
【权利要求】
1.水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，其特征是，包括壳体、图像检测装置、挡板机构、摄像头、控制器和太阳能电池板，所述壳体为长方体壳体，在长方体壳体对应的两侧面分别设置有透光孔，所述图像检测装置设置在壳体内两个透光孔之间，在两个透光孔与图像检测装置之间还分别设置有挡板机构，所述摄像头设置在图像检测装置平行于激光通路的侧壁内侧，所述控制器设置在壳体内，所述太阳能电池板设置在壳体顶部； 所述图像检测装置包括图像检测装置框架和激光拦截反光十字架，所述图像检测装置框架设置有等间距平行分布的槽孔，所述激光拦截反光十字架设置在图像检测装置框架的槽孔内，激光拦截反光十字架所在平面与激光通路平行； 所述挡板机构包括两个挡板、挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构，所述两个挡板通过挡板伸缩驱动机构相连，所述挡板移动驱动机构与挡板伸缩驱动机构相连，所述挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构的行程末端设置有与控制器相连的限位开关； 所述控制器分别与挡板伸缩驱动机构、挡板移动驱动机构、摄像头和太阳能电池板相连。
2.根据权利要求1所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，其特征是，所述控制器包括超低功耗单片机以及分别与单片机连接的太阳能电池定时控制器、0V7670图像传感器、EEPROM存储芯片、数据存储器、开关量输入电路和PWM脉冲输出电路，所述0V7670图像传感器与摄像头连接，所述开关量输入电路与限位开关连接，所述PWM脉冲输出电路通过数模转换电路分别与挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构的伺服电机连接。
3.根据权利要求2所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，其特征是，所述单片机采用STM8L系列单片机。
4.根据权利要求2所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，其特征是，所述控制器还包括无线射频芯片，所述无线射频芯片与单片机相连。
5.根据权利要求1-4任一项所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置，其特征是，所述透光孔为圆形孔或方形孔。
6.水库坝体沉陷与水平位移基准点检测方法，其特征是，包括以下步骤: 1)将激光发射器设置在坝体的一端，使激光射向坝体的另一端； 2)在激光的线路上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分别设置一个基准点检测装置，所述基准点检测装置内的激光拦截反光十字架的位置均不相同； 3)进行初始化调试，在激光发射器发射激光时采集每个基准点检测装置的初始激光图像并保存； 4)定期采集每个基准点检测装置的实时激光图像； 5)将实时激光图像与初始激光图像进行对比来判断坝体是否发生水平位移和/或沉陷； 6)根据指令实时将坝体基准点的监测结果发给上位机。
7.根据权利要求6所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测方法，其特征是，所述步骤5)的具体过程为:将实时激光图像与初始激光图像进行对比，如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置发生左右移动，则判定坝体发生水平位移；如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置发生上下移动，则判定坝体发生沉陷；如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置同时发生水平和上下移动，则判定坝体发生水平位移并沉陷；如果实时激光图像中激光拦截反光十字架的位置对比初始激光图像中激光拦截反光十字架的位置吻合，则判定坝体没有发生水平位移和沉陷。
8.根据权利要求6所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测方法，其特征是，所述步骤5)的具体过程为:将实时激光图像与初始激光图像进行对比，获取实时激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度和下半部分高度，如果上半部分高度和下半部分高度相等且与初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度也相等，则判定坝体没有发生水平位移和沉陷；如果上半部分高度和下半部分高度相等且与初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度不相等，则判定坝体发生水平位移；如果上半部分高度和下半部分高度不相等且它们的高度和等于初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度的2倍，则判定坝体发生沉陷；如果上半部分高度和下半部分高度不相等或者上半部分和下半部分总和与初始激光图像中的初始值不符，则判定坝体发生水平位移并沉陷。
9.根据权利要求6所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测方法，其特征是，所述步骤5)的具体过程为: (1)根据式I计算坝体发生水平位移时的水平位移值X:
式中，R激光平行光管通光口截面半径，WHtl为初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度，WH1为实时激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度； (2)根据式2计算坝体发生沉陷时的沉陷值Y:
式中，WH0为初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度，WH2为实时激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度； (3)根据式3和式4计算坝体发生水平位移且沉陷时的水平位移值X和沉陷值Y:
式中，WHtl和WLtl为初始激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度和下半部分高度，WHx和WLx为实时激光图像中激光拦截反光十字架上半部分高度和下半部分高度，X=L2,3......N。
10.根据权利要求6至9任一项所述的水库坝体沉陷与水平位移基准点检测方法，其特征是，所述基准点之间的间距为100米。
【文档编号】G01B11/02GK104180759SQ201410450657
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】李聪, 孙显利, 马明文, 郭广军, 徐景起, 李阳, 黄英培 申请人:济南大学