一种管道坡面失稳自动监测预警装置的制作方法

1.本实用新型涉及地质灾害监测技术领域，尤其是一种管道坡面失稳自动监测预警装置。


背景技术：

2.油气是由地壳或地表天然生成的资源，其广泛应用于交通、建筑、医疗、军工及航天等领域，因其稀少而变得更加珍贵，其运输常见为管道输送的方式，然而长距离的运输难免会受到地形地质条件的影响，因此，保障管道的顺利运输在油气资源利用中有着重要作用。
3.目前，随着我国“西气东输”工程的开展，油气管道长距离的运输必将穿越不同的地形地貌，伴随着其开挖扰动其原状岩土体，在雨季来临时期，沿管道作业区地灾条件薄弱点通常会出现不同程度的水毁灾害，常见水毁灾害包括：塌陷、堡坎垮塌、河道漏管、坡面水毁等，严重威胁管道运输安全，造成较大的经济损失，影响了油气资源的运输和社会发展，这使得实现管道水毁现场提前预警的监测技术变得尤为重要。


技术实现要素：

4.为了克服背景技术中的技术问题，本实用新型提供了一种管道坡面失稳自动监测预警装置。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种管道坡面失稳自动监测预警装置，包括支架和设于其上的监测箱体，还包括：
7.土压力应力板，按阵列埋设于管道坡面挡墙后的土体内，用于实时检测管道坡面挡墙受压状况；
8.监测处理器，用于对接收的土压力应力板的数据进行转换后计算得到管道坡面的压力值，并与管道坡面的压力安全阈值比较后发出监测数据和预警信号；
9.无线传输模块，用于将监测处理器发出的监测数据和预警信号通过无线方式传输至远端的监控后台；
10.蓄电池模块，用于装置的供电；
11.太阳能电池板，连接蓄电池模块，用于蓄电池模块充电；
12.所述监测处理器分别连接土压力应力板、无线传输模块和蓄电池模块；所述监测处理器、无线传输模块和蓄电池模块安装于监测箱体内，所述太阳能电池板设于监测箱体上。
13.进一步优选的，所述监测处理器包括有单片机和模数转换模块，可对压力应力板的监测数据进行转换和计算。
14.优选的，所述土压力应力板为9个，在与水平面垂直并与挡墙立面平行的立面上、呈等间距网格状均匀排布于挡墙立面后部的土体内，所述土压力应力板与挡墙立面平行。采用等间距网格状排布，可在实时检测管道坡面挡墙受压状况时，消除不同土体、不同位置
实际地质条件存在偶然性差异导致的压力检测偏差，保障土压力应力板压力检测的准确性和预警的安全性。
15.优选的，相邻土压力应力板的等间距为0.5~1.0m，最小埋深为0.3~0.5m。可适应不同土体、坡面度等地质条件进行调整，保障对坡面挡墙所受压力检测的准确性。
16.优选的，所述土压力应力板包括有16个应力片，所述应力片是由压力敏感元件组成的压力传感器。采用多个应力片增加了压力检测面积，可有效消除检测的偶然误差、较准确测得土压强值。
17.优选的，设于管道坡面挡墙上的支架为不锈钢或铝合金材质制成，并连接设有防雷接地装置。不锈钢和铝合金具有较好的防腐性能和耐久性能，防雷接地装置可保护装置在雷雨天气下运行。
18.优选的，所述监测箱体为不锈钢或铝合金材质制成，并设有防雷接地装置。不锈钢和铝合金防腐性能好并具有较长使用寿命，防雷接地装置可保护装置在野外雷雨天气下运行。
19.实施过程：油气管道的坡面挡墙施工过程中，土压力应力板按阵列埋设于管道坡面挡墙后的土体内，用于检测管道坡面挡墙的受压数据；在管道坡面挡墙上安装固定支架，支架上安装监测箱体及太阳能电池板，监测箱体内的监测处理器通过线缆连接土压力应力板，支架和监测箱体安装连接防雷接地装置。
20.监测处理器对接收的土压力应力板的数据，进行转换后计算得到管道坡面的压力值，并与管道坡面的压力安全阈值比较后发出监测数据和预警信号；监测处理器对管道坡面的压力通过以下方法计算得到：
21.所述监测处理器对管道坡面的压力通过以下方法计算得到：
22.临界压力f：
23.式中，为水压力，单位n；为土压力，单位n；
24.水压力：
[0025][0026]
式中，p为土压力应力板检测的压强值（取其中的土压力应力板检测到的最大值）、单位pa；s为土压力应力板压力传感器受力面积，单位m2；为水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2；h为地表以下至墙底处深度，单位m；
[0027]
根据朗肯土压力理论将土压力分为无粘性土压力及粘性土压力，其计算公式如下：
[0028]
无粘性土土压力：
[0029]
粘性土土压力：
[0030]
主动土压力系数：
[0031]
式中，土压力单位n；为主动土压力系数；为墙后填土的重度，单位kn/m
3 ，其中地下水位以下采用有效重度 ；c为填土的粘聚力，单位kpa，由土工试验测得；为填土的内摩擦角，单位度
°
，由土工试验测得；h为地表以下至墙底处深度，单位m；
[0032]
所述管道坡面的压力安全阈值通过以下计算方法得到：
[0033]
安全阈值：
[0034]
式中， 为安全阈值，单位n；f为临界压力，单位n；n为安全系数，取值为0.6~0.8。
[0035]
其中，所述压强p取其中土压力应力板检测到的最大值，可有效消除检测的偶然误差，保障装置检测预警的安全性。
[0036]
当管道坡面的压力值小于压力安全阈值时，监测处理器通过无线传输模块向远端的监控中心发送管道坡面的土压力实时数据，当管道坡面的压力值大于或等于压力安全阈值时，发出灾害预警信号，可提前及时采取措施，实现保护油气管道安全、减少重大经济损失。
[0037]
本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在油气管道的坡面挡墙施工预埋设土压力应力板，监测处理器通过无线传输模块向远端的监控中心发送管道坡面的土压力实时数据，当超过压力安全阈值时，可在管道坡面挡墙破坏前发出灾害预警信号，在灾害发生前提供了预警时间，以便相关人员提前采取应对措施，实现保障油气管道安全可靠运行，可避免产生重大经济损失。
[0038]
本装置采用了本地太阳能电池板，可远程自动化运行，在野外可灵活安装设置，也可对管道坡体水毁的研究与防治提供了依据，在保障油气管道的顺利输送油气资源运行中具有着重要作用。
附图说明
[0039]
图1是本实用新型的结构示意图；
[0040]
图2是本实用新型是实施示意图。
[0041]
图中零部件及编号：
[0042]
1-支架；2-土压力应力板；3-监测处理器；4-无线传输模块；5-蓄电池模块；6-太阳能电池板；10-监测箱体。
具体实施方式
[0043]
以下实施例用于说明本实用新型的一种管道坡面失稳自动监测预警装置，可实现管道坡面的失稳提前进行预报预警，大大地降低油气管道损坏风险，但不用来限制本发明的保护范围。
[0044]
如图1所示，一种管道坡面失稳自动监测预警装置，包括支架1和设于其上的监测箱体10，还包括：
[0045]
土压力应力板2，按阵列埋设于管道坡面挡墙后的土体内，用于实时检测管道坡面挡墙受压状况；
[0046]
监测处理器3，用于对接收的土压力应力板2的数据进行转换后计算得到管道坡面
的压力值，并与管道坡面的压力安全阈值比较后发出监测数据和预警信号；
[0047]
无线传输模块4，用于将监测处理器3发出的监测数据和预警信号通过无线方式传输至远端的监控后台；
[0048]
蓄电池模块5，用于装置的供电；
[0049]
太阳能电池板6，连接蓄电池模块5，用于蓄电池模块5充电；
[0050]
所述监测处理器3分别连接土压力应力板2、无线传输模块4和蓄电池模块5；所述监测处理器3、无线传输模块4和蓄电池模块5安装于监测箱体10内，所述太阳能电池板6设于监测箱体10上。
[0051]
其中，所述监测处理器3包括有单片机和模数转换模块，可对压力应力板2的监测数据进行转换和计算。
[0052]
优选的，所述土压力应力板2为9个，在与水平面垂直并与挡墙立面平行的立面上、呈等间距网格状均匀排布于挡墙立面后部的土体内，所述土压力应力板2与挡墙立面平行。采用等间距网格状排布，可在实时检测管道坡面挡墙侧受压状况时，消除不同土体、不同位置实际地质条件存在偶然性差异导致的压力检测偏差，保障土压力应力板2压力检测的准确性和预警的安全性。
[0053]
优选的，相邻土压力应力板2的等间距为0.5~1.0m，最小埋深为0.3~0.5m。可适应不同土体、坡面度等地质条件进行调整，保障对坡面挡墙所受压力检测的准确性。
[0054]
优选的，所述土压力应力板2包括有16个应力片，所述应力片是由压力敏感元件组成的压力传感器。采用多个应力片增加压力检测面积，可有效消除检测的偶然误差、较准确测得土压强值。
[0055]
优选的，设于管道坡面挡墙上的支架1为不锈钢或铝合金材质制成，并连接设有防雷接地装置。不锈钢和铝合金具有较好的防腐性能和耐久性能，防雷接地装置可保护装置在雷雨天气下运行。
[0056]
优选的，所述监测箱体10为不锈钢或铝合金材质制成，并设有防雷接地装置。不锈钢和铝合金防腐性能好并具有较长使用寿命，防雷接地装置可保护装置在野外雷雨天气下长期可靠运行。
[0057]
实施过程：如图2所示，油气管道的坡面挡墙施工过程中，土压力应力板2按阵列埋设于管道坡面挡墙后的土体内，用于检测管道坡面挡墙的受压数据；在管道坡面挡墙上安装固定支架1，支架1上安装监测箱体10及太阳能电池板6，监测箱体10内的监测处理器3通过线缆连接土压力应力板2，支架1和监测箱体10安装连接防雷接地装置。
[0058]
其中，本实施例的土压力应力板2为9个，在与水平面垂直并与挡墙立面平行的立面上、呈等间距网格状均匀排布于挡墙立面后部的土体内，所述土压力应力板2与挡墙立面平行。采用等间距网格状排布，可在实时检测管道坡面挡墙受压状况时，可消除不同土体、不同位置实际地质条件存在偶然性差异导致的压力检测偏差，保障土压力应力板2压力检测的准确性和预警的安全性。
[0059]
相邻土压力应力板2的等间距为0.5~1.0m，最小埋深为0.3~0.5m。可适应不同土体、坡面度等地质条件进行调整，保障对坡面挡墙所受压力检测的准确性和安全性。
[0060]
监测过程：监测处理器3对接收的土压力应力板2的数据，进行转换后计算得到管道坡面的压力值（取土压力应力板2检测到的最大值），并与管道坡面的压力安全阈值比较
后发出监测数据和预警信号；监测处理器3对管道坡面的压力通过以下方法计算得到：
[0061]
临界压力f：
[0062]
式中，为水压力，单位n；为土压力，单位n；
[0063]
水压力：
[0064][0065]
式中，p为土压力应力板2检测的压强值（压强值取其中的土压力应力板2检测到的最大值）、单位pa；s为土压力应力板2压力传感器受力面积，单位m2；为水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2；h为地表以下至墙底处深度，单位m；
[0066]
根据朗肯土压力理论将土压力分为无粘性土压力及粘性土压力，其计算公式如下：
[0067]
无粘性土土压力：
[0068]
粘性土土压力：
[0069]
主动土压力系数：
[0070]
式中，土压力单位n；为主动土压力系数；为墙后填土的重度，单位kn/m
3 ，其中地下水位以下采用有效重度 ；c为填土的粘聚力，单位kpa，由土工试验测得；为填土的内摩擦角，单位度
°
，由土工试验测得；h为地表以下至墙底处深度，单位m；
[0071]
所述管道坡面的压力安全阈值通过以下计算方法得到：
[0072]
安全阈值：
[0073]
式中，为安全阈值、单位n；f为临界压力、单位n；n为安全系数、取值为0.6~0.8。
[0074]
其中，所述压强p值取9个土压力应力板2其中检测到的最大值。可有效消除检测的偶然误差，保障装置检测预警的安全性。
[0075]
当管道坡面的压力值小于压力安全阈值时，监测处理器3通过无线传输模块4向远端的监控中心发送管道坡面的土压力实时数据，当管道坡面的压力值大于或等于压力安全阈值时，发出灾害预警信号，在灾害发生前提供了预警时间，以便相关人员提前采取应对措施，实现保障油气管道安全可靠运行、避免产生重大经济损失。
[0076]
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例做了描述，但是，很显然仍可以做出各种修改而不背离本实用新型的范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。