[发明专利]一种土石坝防渗性能劣化的监测诊断装置及方法

权利要求书

1.一种土石坝防渗性能劣化的监测诊断装置，其特征在于：包括视电阻率测量系统、渗透压力测量系统、水位测量系统、渗漏量测量系统、雨量观测设备、电缆和监测箱；

所述的监测箱通过电缆与视电阻率测量系统、渗透压力测量系统、水位测量系统、渗漏量测量系统、雨量观测设备连接，采集监测数据；

所述的视电阻率测量系统包括若干测量电极，测量电极等间距布置于土石坝上游坡、坝顶、下游坡的若干纵断面上，通过电缆沿纵断面连接并汇集到监测箱中；

所述的渗透压力测量系统包括大于等于两个的渗压计，渗压计沿土石坝横断面从上游到下游埋设于大坝内，埋设位置在土石坝坝基上部2~3m部位；

所述的水位测量系统有两套，其中一套包括水位杆、水位计，水位杆布置在土石坝坝顶，悬臂伸向上游，水位计安装在悬臂伸末端，用于测量上游水位；另外一套包括水位杆、水位计，水位杆布置在土石坝坝顶，悬臂伸向下游，水位计安装在悬臂伸末端，用于测量下游水位；

渗漏量测量系统位于土石坝下游排水渠道出水口处；雨量观测设备布置于坝顶，安装在上游水位杆上；

所述的监测箱中包括用于控制及测量上下游水位、渗透压力、视电阻率、气温数据的监测模块，用于对土石坝防渗性能劣化分析诊断的诊断模块。

2.根据权利要求1所述的一种土石坝防渗性能劣化的监测诊断装置，其特征在于：当土石坝下游只有渗漏无下游水位时，所述的水位测量系统只有一套，用于上游水位测量；当土石坝下游有水位时，所述的渗漏量测量系统不需要安装布置和测量。

3.如权利要求2所述的一种土石坝防渗性能劣化的监测诊断装置的监测诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，数据采集：按照每天一次的频率采集整理得到上下游水位值、纵断面视电阻率值、渗压计的渗透压力值、下游渗漏量值、降雨量值；

第二步，实际渗流参数估算：选择历史监测数据中，上游水位变幅在0.5m且持续时段大于等于10日的水位数据；按照土石坝填筑的不同分区，选择工程建设期设计报告中的渗流参数，建立土石坝渗流的有限元模型；模型输入的上游水位数据为所述10日实测上游水位的均值，表示为H_e，选择上游水位为H_e时渗压计测值，n个渗压计测值表示为p1、p2、…、pn；建立基于神经网络的有限元分析迭代过程，通过调整渗流参数，使有限元模型在n个渗压计埋设位置通过有限元模型计算得到的渗透压力值与实测值相符，则所述的调整后渗流参数为土石坝运行期实际的渗流参数；

第三步，渗漏通道的状态特征值提取：渗漏通道在视电阻率云图上表现为视电阻率等值线所围成的环形，视电阻率值越小越靠近环形中心，此区域含水量相对越高，取视电阻率等值线为50 ohm·m以内的范围作为低阻区域，以低阻区域内的视电阻率最小点为中心，计算视电阻率比值x，表示为50 ohm·m与此部位视电阻率的比值，将视电阻率值比值x对区域面积进行积分，得到状态特征值v；对于数值积分，采用泰森多边形对低阻区域进行分割，视电阻率测值与所对应泰森多边形面积相乘并累加得到状态特征值v；

第四步，防渗性能劣化的监测诊断模型建立：建立渗漏通道的状态特征值与上游水位、下游水位、渗漏量、降雨量的监测诊断模型，公式为：

式中，a₁~ a₂、b₁~ b₃、c、d₁~ d₄、e₁~e₂、 f₁~f₄为待求参数；H¹_u为所述视电阻率云图低阻区域中心位置的水头差值；H²_u为H¹_u的二次方；H_u1~ H_u3分别为监测日前1天，监测日前2~3天、监测日前4~10天各时段内的水头差值的均值；当土石坝下游有下游水位时，H_d为下游水深，无渗漏量监测，渗漏量为0，d₁~ d₄=0；当土石坝下游无水位时，有渗漏量监测，c=0，Q₁~ Q₄分别为监测日当天、监测日后1天、监测日后2~3天、监测日后4~10天各时段内的渗漏量均值 ；θ为蓄水初期或起测日开始的天数除以100，代表随时间推移土石坝渗流性态的变化；R₁~ R₄分别为监测日当天、监测日前1天、监测日前2~3天、监测日前4~10天各时段内的日累积雨量均值；

第五步，待求参数计算和安全范围计算，选择时段超过一年的历史监测数据，计算时段内各个监测纵断面内渗漏通道的状态特征值序列V；按照第四步建立监测诊断模，进行统计回归分析，得到监测诊断模的待求参数及状态特征值的拟合值序列W，计算V和W的差值U；应用统计理论中的小概率事件原理，对U进行分析，取显著性水平α（在1%~5%），则P_α=α，为小概率事件，差值序列中U某日测值有α的概率落在置信带[б₁,б₂]之外，则判定当日此断面防渗性能出现劣化；

第六步，防渗性能劣化综合监测诊断：在土石坝运行过程中，实时监测上游水位、下游水位、渗漏量、视电阻率、降雨等数据，利用第二步得到的实际渗流参数结合有限元计算各纵断面渗漏通道的水头差值，将计算数据代入第四步得到的监测诊断模型，得到各纵断面渗漏通道的状态特征值，对布置的m个纵断面断面有，v₁~v_m；按照第三步到第五步的过程，计算各纵断面渗漏通道的状态特征值有w₁~w_m，计算差值u₁~u_m，进行以下诊断：

一级诊断：当u₁~u_m全部落在所对应的m个置信带[б₁,б₂]上，土石坝防渗性能正常；

二级诊断：当u₁~u_m有大于等于1/3且小于2/3数量的值落在所对应的m个置信带[б₁,б₂]之外，土石坝防渗性出现劣化，需要采取非工程措施；

三级诊断：当u₁~u_m有大于等于2/3数量的值落在所对应的m个置信带[б₁,б₂]之外，土石坝防渗性出现恶化，需要采取工程措施进行维护。