一种堤坝渗漏监测系统、方法及电子设备与流程

1.本技术涉及水工程安全监测的技术领域，尤其是涉及一种堤坝渗漏监测系统、方法及电子设备。


背景技术：

2.随着国家水利水电工程等重大基础工程建设快速的发展，我国水库堤坝的数量已在处于全球领先位置。但是由于建设时期的久远、建造时代所采用的原料和工具以及工艺水平有限；很多堤坝水库存在着裂缝、土体松散、软弱夹层、蚁洞等重大隐患，从而形成为病险堤坝水库，因此及时地探测堤坝隐患成为防洪工程中的重点工作。
3.目前，常规的堤坝隐患探测方案大都在陆地进行，主要的常用方案包括有高密度电阻率法和地质雷达测量法。其中，高密度电阻率法需要将大量电极置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪实现数据采集和处理，该方法需要在不同时期到现场测试并且对不时间测试时剖面的位置一致性也无法确保准确；地质雷达测量装置的体积庞大，笨重操作不方便，并且地质雷达的测量结果存在多解性和目标体方向不确定性的缺陷，亟需一种结构简单高效、可实时预警的在线堤坝渗漏监测系统。


技术实现要素：

4.为了提高堤坝渗漏测量的便捷性，本技术提供一种堤坝渗漏在线监测系统、方法及电子设备。
5.在本技术的第一方面提供了一种堤坝渗漏在线实时监测系统，采用如下技术方案：所述系统包括探测模块和云平台；其中，所述探测模块用于通过填埋的电极对坝体剖面电阻率进行实时监测；所述云平台用于将获取的坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，并在所述坝体剖面含水率满足预设预警条件时，进行预警。
6.通过采用上述技术方案，只需要通过在坝体内填埋电极就能对坝体剖面电阻率实时监测，将探测模块采集的数据上传至云平台进行坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率后，就能根据坝体剖面含水率判断堤坝渗漏检并进行预警，渗漏测量方式简单易操作，能够便捷的实现堤坝渗漏测量。
7.可选的，所述探测模块包括采集单元和电极电缆，所述采集单元和所述电极电缆均填埋于坝体内部，多个所述采集单元与所述电极电缆构成测线，所述采集单元之间通过电极电缆连接，所述电极电缆的电极间距为预设间距、监测时间间隔为预设时间间隔。
8.通过采用上述技术方案，填埋于坝体内部的采集单元和电极电缆能够有效的采集坝体剖面电阻率，通过控制电极间距来保证测量数据的均匀性与分辨率。
9.可选的，所述采集单元与所述电极电缆的填埋深度为预设深度。
10.通过采用上述技术方案，控制采集单元和电极电缆的填埋深度提高测得坝体剖面中电极间的压降和电流的准确性，进一步提高测得坝体剖面电阻率的准确性。
11.可选的，所述预设预警条件包括坝体剖面含水率超过堤坝土样的液限含水率。
12.通过采用上述技术方案，可以通过坝体剖面电阻率转换的剖面含水率直接对堤坝土样的液限含水率进行判断，能够提升判断预警信息速度。
13.可选的，所述预设预警条件还包括相邻两次测量坝体剖面含水率变化超过10%。
14.通过采用上述技术方案，将相邻两次测量的坝体剖面含水率变化程度，即含水率增加量是否超过10%，能够快速获得比对结果，可以有效提升判断预警信息速度。
15.可选的，所述坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，具体为：通过多元拟合模型构建的对应关系公式为：ρ=a
ꢀ×nx
×
ωy，ρ为坝体剖面电阻率，ω为坝体剖面含水率，n为土样孔隙率。
16.通过采用上述技术方案，根据本公式可直接通过电阻率获得相应的含水率，省去了测量含水率的需求，提升了堤坝渗漏检测的效率。
17.可选的，所述探测模块包括gps定位单元，所述gps定位单元用于确定坝体剖面含水率突变时坝体的位置。
18.通过采用上述技术方案，设置gps定位单元可以在云平台或客户端中直接展示出现坝体渗漏预警的水坝，免去了搜索坝体位置的步骤，提升了坝体渗漏预警的效率。
19.可选的，所述电极电缆的电极采用球形设计。
20.通过采用上述技术方案，增加了电极与土壤的接触面积，提升了坝体剖面电阻率的测量准确度。
21.在本技术的第二方面提供了一种堤坝渗漏检测预警方法，步骤如下：探测模块测量堤坝土体剖面电阻率剖面，获取实时坝体剖面电阻率数据；云平台将坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，并根据实时检测的所述坝体剖面电阻率转化的坝体剖面含水率剖面判断是否触发预警信号。
22.通过采用上述技术方案，只需要实时采集坝体剖面电阻率，就能在云平台进行同步换算获得实时坝体剖面含水率，并进行预警研判，简化了堤坝渗漏测量方式，提高了堤坝渗漏在线监测预警的效率。
23.在本技术的第三方面提供了一种电子设备，包括处理器、存储器和收发器，所述存储器用于存储指令，所述指令用于实现堤坝渗漏检测预警方法，所述收发器用于和其他设备通信，所述处理器用于执行所述存储器中存储的指令。
24.通过采用上述技术方案，可以快速读取指令，提高电子设备对预设预警条件满足时发出预警信号的响应速度。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1、通过在坝体内填埋电极的方式对坝体剖面电阻率实时监测，控制填埋深度与电极间距来提升探测数据的均匀性与准确性，将采集数据上传至云平台进行坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率后，就能根据坝体剖面含水率判断堤坝渗漏检并进行预警，渗漏测量方式简单易操作，能够便捷的实现堤坝渗漏测量；2、通过构建多元拟合模型以获取电阻率与含水率相关关系，进一步的简化堤坝渗漏检测系统的结构。
附图说明
26.图1是本技术实施例提供的堤坝渗漏检测系统的结构示意图；图2是本技术实施例的堤坝的测线布置图；图3是本技术实施例的探测模块的结构示意图；图4是土样电阻率、含水率以及孔隙率的拟合函数与数据点的三维分布；图5是本技术实施例提供的堤坝渗漏检测预警方法的流程示意图；图6是本实施例的电子设备的结构示意图。
27.附图标记说明：1、探测模块；11、采集单元；12、电极电缆；121、球形电极；13、gps定位单元；2、云平台；3、电子设备；31、处理器；32、通信总线；33、用户接口；34、网络接口；35、存储器。
具体实施方式
28.以下结合附图1-6对本技术作进一步详细说明。
29.在对本发明实施例进行介绍之前，首先对本发明实施例中涉及的一些名词进行定义和说明。
30.土样三相物质：是指固体颗粒、水和气体三部分。
31.原状土:又称不扰动土样，没有物理成分和化学成分的改变，相对保持天然结构和天然含水率的土样。用于测定天然土的物理、力学性质，如重度、天然含水率、渗透系数、压缩系数和抗剪强度等。
32.液限含水率：黏性土处于可塑状态与流动状态之间的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率,用ωl表示，并以百分率计算。当土的含水率增加到超过液限时，土就由可塑状态转为流动状态，土粒之间几乎没有联结力。
33.在本实施例中的堤坝土样的液限含水率以及含水率与电阻率间相关关系是通过对待监测堤坝的土样进行实验获取。
34.本技术实施例公开一种堤坝渗漏检测系统，该系统包括探测模块1和云平台2；其中，探测模块1用于通过填埋的电极对坝体剖面电阻率进行实时监测；云平台2用于将获取的坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，并在坝体剖面含水率满足预设预警条件时，进行预警。
35.参考图1，探测模块1包括采集单元11、电极电缆12以及gps定位单元13，同时与云平台2进行数据传输。该探测模块1中的采集单元11和电极电缆12填埋于坝体内部，通过这种填埋电极的方式能对坝体剖面电阻率实时监测，将探测模块1采集的数据上传至云平台2进行坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率后，就能根据坝体剖面含水率判断堤坝渗漏检并进行预警，渗漏测量方式简单易操作，能够便捷的实现堤坝渗漏测量。
36.参考图2，在本实施例中，具体的，每个球形电极121作为一个测量点，并且多个采集单元11与电极电缆12组成一条测线，如图2所示，在堤坝内部可设置5条测线(图2中的a测线，b测线，c测线，d测线，e测线)，沿堤身延伸方向设置，通过采集单元11连接电极电缆12，可以实现多通道测量并同时一次性测量多个点的数据；在本实施例中，具体的，测线为直线，多条测线间相互平行，方便对测得的数据进行空间域的融合；同时采集单元11可以定时
或实时或触发式的进行监测，可以节省能耗。
37.在本实施例中，探测模块1设置有gps定位单元13和摄像头，在多个堤坝安装本系统时，采集单元11将采集的多组坝体剖面电阻率发送至云平台2，并根据不同堤坝gps定位单元13发送的位置信息进行数据分类，完成数据分类和存储后进行坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率的运算，云平台2得出计算结果后对满足预设预警条件的堤坝进行预警。本系统根据gps定位单元13快速确定坝体剖面含水率突变时坝体的位置，摄像头主要用于监测环境的巡查监视，以避免监测系统被人为破坏。
38.在一种示例中，在计算结果满足预设预警条件时，直接将预警信息发送至客户端。如果客户端关机没有接收到预警信息，则一直上报预警信息，至收到客户端的确认接收到信息为止。
39.在一种示例中，在计算结果满足预设预警条件时，直接在云平台2大屏进行显示，并标注出现预警信息堤坝的具体位置信息。
40.两种预设预警条件分别为坝体剖面含水率超过堤坝土样的液限含水率和相邻两次测量坝体剖面含水率增量变化超过10%。
41.在一种示例中，直接在云平台2通过坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，再对预先通过实验获取的堤坝土样的液限含水率进行对比判断是否触发预警条件，提升了判断预警信息速度。
42.在一种示例中，先利用相邻三次测量坝体剖面电阻率在云平台中进行时延电阻率反演计算，利用反演计算结果结合电阻率与含水率相关关系进一步计算坝体剖面含水率变化，并根据相邻两次测量含水率增量是否超10%以及含水率是否超过液限含水率来判断是否触发预警条件。
43.参考图3，在本实施例中，通过将采集单元11与电极电缆12埋设于堤身内，同时为了能够充分检测堤身内的电阻率变化，也为了防止采集单元11与电极电缆12遭到外部破坏，需要将采集单元11与电极电缆12埋入堤身表面预设距离下，在本实施例中，将采集单元11与电极电缆12埋入堤身表面50-80cm左右，在此填埋距离间的电极电缆12能获取较为准确的坝体剖面中电极间压降和电流，提高测得坝体剖面电阻率的准确性。
44.在选取球形电极121点间距时，考虑到点距越小，对异常定位精度越高，同时成本也越高等因素，综合性价比选取2米间距为较优方案，故在本实施例中选取2m作为球形电极121之间的点距离，保证了测量数据拥有较好的均匀性，在其他示例中还可选取1m、4m、6m等电极间距。球形电极121的排布方式可以选取对称四极、偶极等常规的排列形式。
45.在一个示例中，坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，具体为：通过多元拟合模型构建的对应关系公式为：ρ=a
×nx
×
ωy，ρ为坝体剖面电阻率，ω为坝体剖面含水率，n为土样孔隙率。
46.在本实施例中，由于在研究原状土中三相物质比例关系与电阻率相关性时利用偏相关分析进行了含水率与孔隙率对电阻率的影响，但是含水率与孔隙率并不是独立变化的量，因此进行多元拟合分析，建立孔隙性与含水性对电阻率影响的多元拟合模型是十分必要的。根据相对应的偏相关分析结果，假设电阻率模型为然后利用matlab中的curvefitting程序模块,拟合生成函数。
47.举例来说，在吉林长春进行实验土样的取样，实验土样是长春地区的粉质黏土，土壤特点是土粒密度相差甚微，不需要单独分析土粒密度对土样电阻率的影响。根据分析结果，拟合函数回归平方和很小，为30.22，r2值为0.8818，均方根误差为0.9569，数值很小，由图4可以看出，由数据拟合的函数图与数据点的拟合程度很好，大多数的数据点均与函数图拟合，建立的回归方程可靠性极高。综合考虑电阻率模型可以较好的适用于试验对象土体，建立相关简化电阻率表达式为：ρ=8.593n
0.5155
ω-0.2050
。
48.分析结果和偏相关分析结果吻合。故说明电阻率与表征三相比例的物性参数之间明显存在相关关系，而且这种相关关系十分显著，可以建立相应的多元拟合电阻率表达式，且r2很高，说明表达式准确，适用性很强。
49.偏相关分析中，视土粒密度为定值，即控制土粒密度的影响，含水率和孔隙率对土体电阻率有明显的曲线函数关系影响，其中，含水率与电阻率有着负相关的幂函数关系，孔隙率与电阻率有着正相关幂函数关系。
50.基于上述系统，本技术实施例还公开一种堤坝渗漏检测预警方法,如图5所示，步骤包括s101-s103。
51.步骤s101,探测模块测量堤坝土体电阻率剖面，获取实时坝体剖面电阻率数据；步骤s102,对堤坝土样取样进行液限含水率、塑性指数、不同含水率下电阻率的测量实验，并进行含水率与电阻率相关性分析，确定含水率与电阻率的相关关系；步骤s103，云平台将坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，并根据实时检测的坝体剖面电阻率转化的坝体剖面含水率判断是否触发预警信号。
52.在一个示例中，堤坝渗漏检测系统包括探测模块1和云平台2；其中，探测模块1用于通过填埋的电极对坝体剖面电阻率进行实时监测；云平台2用于将获取的坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，并在坝体剖面含水率满足预设预警条件时，进行预警。
53.只需要通过在坝体内填埋电极就能对坝体剖面电阻率实时监测，将探测模块1采集的数据上传至云平台2进行坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率后，就能根据坝体剖面含水率判断堤坝渗漏检并进行预警，渗漏测量方式简单易操作，能够便捷的实现堤坝渗漏测量。
54.在一个示例中，探测模块1包括采集单元11和电极电缆12，采集单元11和电极电缆12均填埋于坝体内部，多个采集单元11与电极电缆12构成测线，采集单元11之间通过电极电缆12连接，电极电缆12的电极间距为预设间距。填埋于坝体内部的采集单元11和电极电缆12能够有效的采集坝体剖面电阻率，通过控制电极间距来保证测量数据的均匀性。
55.在一个示例中，采集单元11与电极电缆12的填埋深度为预设深度，即为50-80cm左右，通过控制采集单元11和电极电缆12的填埋深度提高测得坝体剖面中电极间的压降和电流的准确性，进一步提高测得坝体剖面电阻率的准确性。
56.在一个示例中，预设预警条件包括坝体剖面含水率超过堤坝土样的液限含水率。可以通过坝体剖面电阻率转换的剖面含水率直接对已测量堤坝土样的液限含水率进行判断，能够提升判断预警信息速度。
57.在一个示例中，预设预警条件还包括相邻两次测量坝体剖面含水率变化超过10%。将相邻两次测量的坝体剖面含水率变化率是否超10%进行比较，能够提升判断预警信息速
度。
58.在一个示例中，坝体剖面电阻率转换为坝体剖面含水率，具体为：通过多元拟合模型构建的对应关系公式为：ρ=a
×nx
×
ωy，ρ为坝体剖面电阻率，ω为坝体剖面含水率，n为土样孔隙率。根据本公式可直接通过电阻率获得相应的含水率，省去了测量含水率的需求，提升了堤坝渗漏检测的效率。
59.在一个示例中，探测模块1包括gps定位单元13，gps定位单元13用于确定坝体剖面含水率突变时坝体的位置。设置gps定位单元13可以在云平台2或客户端中直接展示出现坝体渗漏预警的水坝，免去了搜索坝体位置的步骤，提升了坝体渗漏预警的效率。
60.在一个示例中，电极电缆12的电极采用球形设计。增加了电极与土壤的接触面积，提升了坝体剖面电阻率的测量准确度。
61.基于上述系统，本技术实施例还公开一种电子设备，包括处理器31、存储器35和收发器，存储器35用于存储指令，指令用于实现堤坝渗漏检测预警方法，收发器用于和其他设备通信，处理器31用于执行存储器35中存储的指令。
62.请参见图6，为本技术实施例提供了一种电子设备的结构示意图。如图6所示，电子设备3可以包括：至少一个处理器31，至少一个网络接口34，用户接口33，存储器35，至少一个通信总线32。
63.其中，通信总线32用于实现这些组件之间的连接通信。
64.其中，用户接口33可以包括显示屏（display）、摄像头（camera），可选用户接口33还可以包括标准的有线接口、无线接口。
65.其中，网络接口34可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如wi-fi接口）。
66.其中，处理器31可以包括一个或者多个处理核心。处理器31利用各种借口和线路连接整个服务器内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器35内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器35内的数据，执行服务器的各种功能和处理数据。可选的，处理器31可以采用数字信号处理（digital signal processing，dsp）、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）、可编程逻辑阵列（programmable logic array，pla）中的至少一种硬件形式来实现。处理器31可集成中央处理器（central processing unit，cpu）、图像处理器（graphics processing unit，gpu）和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，cpu主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器31中，单独通过一块芯片进行实现。
67.其中，存储器35可以包括随机存储器（random access memory，ram），也可以包括只读存储器（read-only memory）。可选的，该存储器35包括非瞬时性计算机可读介质（non-transitory computer-readable storage medium）。存储器35可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器35可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令（比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等）、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器35可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器31的存储装置。如图6所示，作为一种计算机存储介质的存储器35中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及一种堤坝渗漏检测预警方法的应用程序。
68.需要说明的是：上述实施例提供的装置在实现其功能时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的装置和方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
69.在图6所示的电子设备3中，用户接口33主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而处理器31可以用于调用存储器35中存储一种堤坝渗漏检测预警方法的应用程序，当由一个或多个处理器执行时，使得电子设备3执行如上述实施例中一个或多个上述的方法。
70.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。