一种斜坡式护岸稳定性多级预警系统及方法与流程

本发明涉及一种基于应力场协同监测的斜坡式护岸稳定性多级预警系统及方法，属于水利工程安全监测。

背景技术：

1、斜坡式护岸是常见的河道、海岸防护工程形式，其水下部位的护底、护脚结构直接承受水流冲刷、波浪淘蚀等动力作用，是整体结构最易发生破坏的薄弱环节。由于长期处于水下，其损坏过程具有隐蔽性、渐进性的特点，一旦失稳往往发展为水上部位的滑塌，造成重大安全事故和经济损失。因此，对护岸水下部位的稳定性进行有效监测和早期预警至关重要。

2、传统的人工巡检与定期水下地形测量方式存在监测周期长、实时性差、成本高昂的固有缺陷，难以实现破坏过程的早期捕捉与预警。为提升监测的实时性，现有技术中亦采用了基于定点传感器的监测手段，例如布设倾角计或位移计。然而，此类方法通常在结构发生可见变形或位移后才触发报警，预警存在严重滞后，且无法判别破坏的具体模式、位置与严重程度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：现有技术中预警滞后，且无法判别破坏的具体模式、位置与严重程度的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、一方面，本发明提供一种斜坡式护岸稳定性多级预警系统，包括：分布式应力监测阵列、数据采集与传输模块、数据处理与风险分析模块及分级预警响应模块；

4、所述分布式应力监测阵列，设于护岸的关键力学部位，用于实时监测各部位的应力数据；

5、所述数据采集与传输模块，与所述分布式应力监测阵列通信连接，用于采集并传输所述应力数据；

6、所述数据处理与风险分析模块，与所述数据采集与传输模块通信连接，用于接收所述应力数据；所述数据处理与风险分析模块对所述应力数据进行处理，提取反映土体结构受力的有效土压力数据，并基于所述有效土压力数据的时空变化特征，进行失稳风险模式识别；

7、所述分级预警响应模块，与所述数据处理与风险分析模块通信连接，用于根据识别出的失稳风险模式，触发对应的预警级别及响应指令。

8、通过分布式应力监测网络，对护岸关键部位应力状态进行连续监测，实现了水下隐蔽破坏的实时在线感知与定量诊断，使隐蔽冲刷过程变得可观测、可量化。

9、所述关键力学部位包括护岸的护底、护脚、堤心及水位基准点处。

10、所述分布式应力监测阵列包括布设于护底区域的第一压力传感单元、布设于护脚区域的第二压力传感单元和布设于护底顶部或附近静水区的第三压力传感单元，所述第三压力传感单元的监测数据用于为动水压力补偿计算提供基准。

11、所述分布式应力监测阵列还包括布设于堤心内部的多轴应力传感单元，用于测量堤心土体的应力状态。

12、所述数据采集与传输模块包括：

13、多通道数据采集仪：以设定的采样频率同步采集所有传感单元的原始模拟信号，并将所述原始模拟信号转换为数字信号；

14、无线传输终端：将所述数字信号打包后通过移动网络实时传输至远程的云服务器或监控中心的数据处理与风险分析模块。

15、所述数据处理与风险分析模块包括：

16、水压力补偿计算单元，所述水压力补偿计算单元利用所述第三压力传感单元的监测数据，对所述第一压力传感单元和所述第二压力传感单元的监测数据进行处理，并进行动水压力补偿；

17、应力张量解算单元，所述应力张量解算单元根据所述多轴应力传感单元在至少三个不同空间方向上的实测法向应力以及对应布设方向，解算堤心土体的主应力大小及主应力方向角，计算相邻时间步之间主应力方向角的偏转角速度，并结合莫尔-库仑破坏准则计算动态应力安全裕度指数；

18、复合应力表征量构建单元，所述复合应力表征量构建单元构建复合应力表征量，所述构建复合应力表征量包括：波渗耦合修正有效应力的变化速率、主应力方向角的偏转角速度、动态应力安全裕度指数、有效应力空间梯度模长以及空间梯度相对于护岸临空面的指向性参数中的至少两项；

19、潜在滑裂面反演单元，所述潜在滑裂面反演单元用于根据多个监测点的主应力方向角分布、复合应力表征量的空间分布以及动态应力安全裕度指数的低值区域，判定潜在滑裂面位置，并识别主应力方向突变带或复合应力高值连通带，以确定滑裂面发展程度；

20、风险模式识别单元，所述风险模式识别单元根据所述复合应力表征量及潜在滑裂面发展程度进行风险判。

21、通过水压力动态补偿技术，消除了水位波动对监测数据的主导性干扰，极大提高了监测信号的信噪比与可靠性。

22、将波渗耦合修正有效应力变化、主应力方向演化、动态应力安全裕度及空间梯度特征进行融合，构建复合应力表征量，能够较单一压力阈值、单一点位异常判断或单一孔压指标更全面地反映斜坡式护岸在冲刷、渗流和剪切变形共同作用下的失稳发展程度。

23、所述分级预警响应模块包括预警等级判定单元、预警信息输出单元和工程响应联动单元。

24、所述预警等级判定单元根据接收的风险模式识别结果自动执行响应策略，当判定为初级预警时，所述预警信息输出单元输出局部异常提示信息；当判定为中级预警时，所述预警信息输出单元输出滑裂发展预警信息并提示开展现场巡检；当判定为高级预警时，所述预警信息输出单元输出高风险报警信息，同时所述工程响应联动单元联动声光报警装置、远程监控平台或应急处置模块；

25、所述预警等级判定单元采用动态阈值调整机制确定预警触发阈值，所述动态阈值调整机制基于复合应力表征量历史序列实时更新预警触发边界，并附加持续时间判据。

26、根据风险模式、复合应力表征量等级及潜在滑裂面发展状态触发不同级别预警，并可在局部异常区域自动提高采样频率或激活备用监测点，从而兼顾预警准确性、实时性和监测资源利用效率。

27、所述数据采集与传输模块在局部区域的复合应力表征量增速、有效应力空间梯度模长或主应力方向偏转角速度超过预设条件时，通过提高对应区域传感单元的采样频率，对异常区域实施加密监测。

28、第二方面，本发明提供一种基于所述斜坡式护岸稳定性多级预警系统的方法，包括：

29、通过所述分布式应力监测阵列，同步采集护岸水下及内部各关键部位的原始应力数据；

30、由数据处理与风险分析模块以水位基准区域的监测数据为参照，结合外部波浪扰动在护岸介质中的传播相位滞后和幅值衰减特性，对护底区域和护脚区域的原始压力数据进行动水压力补偿，得到各监测点的波渗耦合修正有效应力数据；

31、由数据处理与风险分析模块根据堤心内部多方向应力数据解算主应力大小及主应力方向角，计算主应力方向角的偏转角速度和动态应力安全裕度指数；

32、由数据处理与风险分析模块根据波渗耦合修正有效应力数据的变化速率、空间梯度、主应力方向演化特征及动态应力安全裕度指数构建表征护岸局部失稳驱动程度的复合应力表征量；

33、由数据处理与风险分析模块根据所述复合应力表征量及主应力方向场的空间分布，识别失稳风险模式并反演潜在滑裂面的发展程度；

34、由分级预警响应模块根据所识别的失稳风险模式，自动执行对应的分级预警响应策略。

35、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

36、本发明通过分布式应力监测阵列分布式应力监测网络，对护岸关键部位应力状态进行连续监测，实现了水下隐蔽破坏的实时在线感知与定量诊断；通过分级预警响应模块，将具体的破坏模式与不同的预警级别及处置建议直接关联，推动护岸运维向主动智能管理模式转变。