基于石墨电极阵列电阻率感知的坝体预警系统及方法与流程

本发明涉及坝体安全监测与预警，特别涉及基于石墨电极阵列电阻率感知的坝体预警系统及方法。

背景技术：

1、坝体（包括土石坝、混凝土坝等）在长期运行过程中，受库水位变化、降雨入渗、温度变化等因素影响，内部可能产生渗流、管涌、裂缝等安全隐患。若未能及时发现并预警，可能引发溃坝等重大灾害事故。因此，对坝体内部状态进行实时、精准的监测与预警具有重要意义。

2、电阻率法作为一种重要的地球物理探测手段，已被尝试应用于坝体监测领域。其基本原理在于：坝体填筑材料的电阻率与其含水率、密实度、孔隙率等物性参数密切相关，当坝体内部发生渗流、管涌等隐患时，会引起局部电阻率的显著变化，通过监测电阻率的时空演变可间接反映坝体的安全状态。

3、目前，已有相关技术尝试将电阻率法用于坝体监测。例如，有方案提出沿大坝轴线布设电极阵列，利用高密度电阻率法采集不同深度的电阻率数据，通过反演生成电阻率剖面图来推算坝体含水率分布。也有方案提出在坝体内设置多个金属电极，通过测量电场参数来计算坝体断面电阻率变化。此外，还有土石坝渗流场监控系统的相关方案，采用紫铜块作为电极，并通过电法采集仪采集数据。

4、然而，现有技术仍存在以下不足：

5、第一，电极长期埋设于坝体内部，面临复杂的地下环境（潮湿、高压、化学腐蚀等），常规金属电极易发生腐蚀、极化等问题，导致电极性能退化、接触电阻增大，严重影响监测数据的长期稳定性和可靠性。现有方案中虽有采用紫铜块等金属电极的记载，但并未解决电极长期埋设环境下的耐久性问题。

6、第二，电极的固定与保护措施不足。坝体填筑料在施工和运行过程中会产生沉降、变形，电极容易发生位移或与周围填筑料脱离接触，导致电接触失效。现有方案中虽有在电极周围包裹粘土团等简单处理方式，但缺乏系统性的电极固定与保护结构。

7、第三，导线连接处的防水密封处理不完善。坝体内部长期处于高湿度甚至饱和状态，导线与电极的连接处若密封不良，水分渗入将导致短路或接触不良，影响信号传输质量。

8、第四，现有的坝体电阻率监测大多停留在数据采集和成像阶段，缺乏科学、系统的预警判定机制。部分方案虽提及根据预设阈值进行告警，但预警等级的划分较为单一，未能综合考虑电阻率变化特征、空间分布特征以及环境辅助信息等多维度因素。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题：本发明提供一种基于石墨电极阵列电阻率感知的坝体预警系统及方法，解决现有技术中坝体预警存在的电极耐久性差、固定保护不足和防水密封不完善等引起预警稳定性和可靠性差的问题。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案：基于石墨电极阵列电阻率感知的坝体预警系统，包括石墨电极阵列、电极固定与保护单元、导线与防水接头组件单元、电阻率获取单元、环境辅助监测单元、数据处理单元和预警单元；所述石墨电极阵列，由多个石墨电极棒按预设空间排列埋设于坝体监测区域，每个石墨电极棒设有导电连接部；所述电极固定与保护单元，设置于每个石墨电极棒外周，用于维持石墨电极棒的定位及电接触稳定性；所述导线与防水接头组件单元，包括防水导线和设置于各导电连接部与对应防水导线连接处的密封结构；防水导线的一端通过所述密封结构与对应的石墨电极棒连接，另一端连接至电阻率获取单元；所述电阻率获取单元，用于获取石墨电极棒之间的表观电阻率；所述环境辅助监测单元，用于采集环境辅助信息，所述环境辅助信息包括库水位、降雨量、环境温度、渗压、含水率、渗流量、浊度和水质电导率；所述数据处理单元，用于基于表观电阻率分别计算表观电阻率的变化率和低阻异常系数；所述预警单元，用于依据表观电阻率的变化率、低阻异常系数和环境辅助信息确定预警等级，并发出相应的预警。

3、进一步的，所述预设空间排列包括沿坝轴线布设、沿坝高方向布设、横断面网格布设和渗流敏感部位加密布设。

4、进一步的，所述电极固定与保护单元包括开孔保护套、透水保护层、土工布包覆层和柔性缓冲层；所述开孔保护套设置于石墨电极棒外周，所述透水保护层填充于开孔保护套外侧，所述土工布包覆层包裹于透水保护层外侧，所述柔性缓冲层设置于土工布包覆层与坝体填筑料之间。

5、进一步的，石墨电极棒为圆柱形石墨棒，直径为10mm至80mm，长度为50mm至600mm。

6、进一步的，所述密封结构包括环氧树脂、防水胶、热缩套管或密封端帽。

7、进一步的，获取石墨电极棒之间的表观电阻率，包括采用四极法获得两个石墨电极棒的供入电流和对应的两个石墨电极棒的电位差，并根据表观电阻率公式计算表观电阻率，表观电阻率公式为：，其中，表示表观电阻率，表示系数，表示电位差，表示电流。

8、进一步的，表观电阻率的变化率的计算公式为：，低阻异常系数的计算公式为：，其中，表示第个测区在时刻的表观电阻率的变化率，表示第个测区在时刻的表观电阻率，表示第个测区的基准表观电阻率，表示第个测区在时刻的低阻异常系数。

9、进一步的，依据表观电阻率的变化率、低阻异常系数和环境辅助信息确定预警等级，包括：若表观电阻率的变化率超过第一阈值，并且环境辅助信息中存在渗压异常、渗流量突增、浑水或管涌迹象，则预警等级为第四级；若表观电阻率的变化率未超过第一阈值，低阻异常系数低于第二阈值，且低于第二阈值的低阻异常系数对应的区域呈带状连通或对应的区域与库水位相关，则预警等级为第三级；若表观电阻率的变化率未超过第一阈值，低阻异常系数处于第二阈值与第三阈值之间，且低于第二阈值的低阻异常系数对应的区域沿坝坡、坝基或防渗结构扩展，则预警等级为第二级；若表观电阻率的变化率未超过第一阈值，低阻异常系数处于第三阈值与第四阈值之间，预警等级为第一级。

10、本发明还提供一种基于石墨电极阵列电阻率感知的坝体预警方法，应用于如上所述的基于石墨电极阵列电阻率感知的坝体预警系统，所述方法包括以下步骤：

11、s1、根据坝体特征确定石墨电极棒在坝体的布设位置和环境辅助监测单元；

12、s2、在布设位置布置石墨电极棒，形成石墨电极阵列，并对每个石墨电极棒布设电极固定与保护单元；

13、s3、通过导线与防水接头组件单元，将每个石墨电极棒与电阻率获取单元相连；

14、s4、在蓄水前或稳定运行阶段，通过电阻率获取单元获取多期表观电阻率，建立基准电阻率场；

15、s5、按照设定周期，通过电阻率获取单元获取表观电阻率以及通过环境辅助监测单元采集环境辅助信息；

16、s6、通过数据处理单元基于表观电阻率分别计算表观电阻率的变化率和低阻异常系数；

17、s7、通过预警单元依据表观电阻率的变化率、低阻异常系数和环境辅助信息确定预警等级，并发出相应的预警。

18、进一步的，所述方法还包括：s8、定期对数据处理单元与石墨电极棒的连接进行是否与坝体绝缘检测，以及根据季节温度和水位对基准电阻率进行修正。

19、本发明的有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

20、1. 电极长期稳定性好。采用石墨电极棒替代传统金属电极，利用石墨优异的耐腐蚀性和化学稳定性，有效解决了电极在坝体内部长期埋设环境下的腐蚀、极化等问题，保证了监测数据的长期稳定性和可靠性。

21、2. 电极固定与保护可靠。通过开孔保护套、透水保护层、土工布包覆层和柔性缓冲层的多层复合结构，实现了电极的精确定位、电接触稳定和抗变形保护，克服了坝体填筑料沉降变形对电极造成的不利影响。

22、3. 防水密封性能优越。在导线与石墨电极棒的连接处设置环氧树脂、防水胶、热缩套管或密封端帽等密封结构，有效阻隔水分渗入，确保信号传输的长期可靠性。

23、4. 多维度立体监测。通过沿坝轴线、坝高方向、横断面网格和渗流敏感部位等多种空间排列方式，实现了对坝体内部电阻率场的立体化、精细化感知，弥补了传统监测手段测点少、覆盖不全的不足。

24、5. 科学的多级预警机制。首次将表观电阻率的变化率和低阻异常系数相结合，并综合环境辅助信息，建立了四级预警判定体系，实现了从轻微异常到严重险情的分级预警，为坝体安全管理提供了科学、量化的决策依据。相较于现有技术中单一的阈值告警方式，本发明的预警机制更加全面、精准。

25、6. 环境因素综合考量。通过同步采集库水位、降雨量、温度、渗压、含水率、渗流量、浊度、水质电导率等多维度环境信息，在预警判定中充分考虑了环境因素的影响，提高了预警的准确性和可靠性。

26、7. 从电极布设、基准建立、周期监测到预警判定，形成了完整的监测预警闭环，并设置了定期绝缘检测和基准修正等质量控制环节，保证了系统的长期有效运行。