一种水库大坝安全监测装置

1.本发明涉及水库大坝安全监测领域，具体涉及一种水库大坝安全监测装置。


背景技术：

2.大坝是一种挡水建筑物，可以分为混凝土坝和土石坝两大类。而大坝作为蓄水工程的主体，一旦失事或者发生溃决，将会给下游人民的生命财产和国家建设带来重大的损失。据统计，中国有水库大坝9.8万余座，其中有95％以上为土石坝。截至2016年3月，在国家能源局大坝安全监察中心(以下简称大坝中心)注册和登记备案的水电站大坝有528座，虽然数量仅占全国大坝总数的0.54％，但总库容与总装机容量分别占全国的53.5％和75.1％。大坝一旦破坏，不仅会直接影响供电和电网安全，还会给下游地区人民的生命财产和社会经济环境等带来极其严重的影响。在大坝中心注册登记的大坝虽然没有发生过溃坝等重大恶性事件，但也出现过洪水漫顶、坝基错动、坝体结构损坏、水淹厂房等险情。溃坝的原因主要是漫顶，占了总溃坝案例的47.9％，国外的情况也类似。
3.根据美国陆军工程师兵团收录的大坝名录(us army corp of enigineers， national inventory of dams)显示，截止至2018年11月，全美的大坝数量为91457 座，其中低于25ft(约7.6m)的水坝45894座，占总数的50.2％；25～50ft(约 7.6～15.2m)的水坝38351座，占总数的41.9％；51～100ft(约15..5～30.5m)的水坝5088，占总数的5.7％；高于100ft(约30.5m)的水坝1747座，占总数的 1.9％。按坝型统计，土坝占了约91.2％，数量最多，其次为重力坝和混凝土坝，分别占了4.7％和3.2％。美国大坝安全官员联合会(asdso)从2010年起收集创建美国大坝安全事故数据库，包括了失事未溃坝以及发生了溃坝的案例，总共1074起。从2010年到2020年5月19日，发生了789起大坝失事事故，250 起溃坝事故，由此可得，美国年平均溃坝率约为0.027％，年均事故率约为0.087％，年均溃坝约25座。通过查阅斯坦福大学国家大坝运行性态项目(np-dp)2018 年报告，从1980年到2017年底，美国年平均溃坝数量约为24座。
4.根据《全国水库垮坝登记册》将溃坝的原因分成5个大类和16个小类。其中比例最高的是漫顶造成的溃坝，比例为51.2％，包含遭遇超标准洪水和泄洪能力不足；其次就是坝体坝基渗流问题导致溃坝，占了20.2％，还有坝体滑坡、溢洪道等泄水建筑物破坏等原因。目前为止，世界上的土石坝数量最多，远远多于混凝土坝，在我国发生的溃坝事故中，有97％以上是土石坝。事故防范于未然，因此对大坝监测的要求越来越高。
5.随着我国经济的不断发展，对水库的需求量也越来越多，而水库的安全决定在于大坝。由于坝址的地质条件一般比较复杂，造成大坝溃决的因素有很多，如果其中存在安全隐患，就会给下游人民的生命和财产带来巨大的损失。因此，大坝的安全监测技术在大坝安全方面起到了非常重要的作用。随着科技的发展，物联网和自动监测技术逐渐融入了大坝监测领域。其不仅实现了对大坝全生命周期的信息监测，还能够对其中的问题和安全隐患进行个性化管理与分析，实施对水库及大坝性能的控制。由于水库选址一般在偏远地区，特别是南方较多山区，一般水库在较偏远的山区建设。因为山路崎岖，导致了大坝安全巡视人
员巡视困难，且维护成本增加。此时自动化大坝监测的建设可以让有关部门在移动端就可以全面了解大坝的现状以及状态变化、安全隐患，减少了人力物力的损失，有效保证了我国水利工程的稳定发展。
6.目前，现有大坝安全监测主要包括“三要素”及“四要素”监测，“三要素”主要是指库水位、降雨量及坝体外观(视频或图像)监测。“四要素”主要是指库水位、降雨量、坝体外观(视频或图像)及渗流量监测。
7.现有技术的缺点如下：
8.1.由于大部分的水库选址位于山区，存在道路疏于管理，车辆无法进入，需要技术人员徒步上山，且现有的监测装置多为“一杆式”装置，高达5～6米，存在维修工具如大型梯子等不方便携带的问题。一旦监测装置发生故障，将对维修工作造成极大的阻碍。尤其岭南地区水库一般依山而建，山道崎岖，给维修人员造成了极大的阻碍。
9.2.现有技术中存在少量“一杆式”装置具有伸缩杆结构，然而该伸缩杆结构或结构复杂，或无法防水，或不够稳固，不利于在大坝的自然条件下长期使用和维护。
10.3.而且现有的“一杆式”装置功能单一，无法同时采集到库区的风速风向、温度、湿度、大坝变形监测等数据，需要定期安排有关的技术人员对大坝进行监测，浪费大量的人力物力。
11.4.现有的“一杆式”装置稳定性不够。由于汛期水位上涨，风速等因素会让水库水面波浪起伏变大，对坝体造成冲击，影响大坝安全。由于温度和湿度的变化，水库会有结冰再融化的过程，浮冰在水流的影响下会对坝体造成强烈的冲击，也会影响大坝的结构稳定性。
12.为此，需要提供一种水库大坝安全监测装置，不仅方便人员维修维护，还能在恶劣的自然条件下长期使用，更能进行多功能安全监测。


技术实现要素：

13.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种方便技术人员维护且能在大坝自然条件下长期使用的水库大坝安全监测装置。
14.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
15.一种水库大坝安全监测装置，包括监测机构、可升降式竖杆、底座；可升降式竖杆包括上部竖杆、下部竖杆、转动杆、外螺纹段、下部齿轮、慢速电机齿轮、慢速电机；上部竖杆为正六边形杆件，内部沿着轴向开设内螺纹孔；下部竖杆为正六边形杆件，内部沿着轴向开设正六边形通孔；下部竖杆的上段套接在上部竖杆的下段外；外螺纹段固定在转动杆的上端，与上部竖杆的内螺纹孔配合；慢速电机通过慢速电机齿轮带动下部齿轮转动，下部齿轮带动转动杆转动，转动杆位于下部竖杆的正六边形通孔内；监测机构设置在上部竖杆的上端，下部竖杆的下端固定在底座上，转动杆的下端、下部齿轮、慢速电机齿轮、慢速电机均设置在底座内。
16.作为一种优选，可升降式竖杆还包括上部齿轮、手动升降转把和手动升降转把齿轮；上部齿轮水平设置，与转动杆同轴连接且同步转动；手动升降转把齿轮竖直设置，与上部齿轮啮合；手动升降转把穿过下部竖杆的侧壁，手动升降转把带动手动升降转把齿轮转动。
17.作为一种优选，下部竖杆的上端设置密封圈，密封圈的内圈紧贴上部竖杆的外壁。
18.作为一种优选，监测机构包括监测机构安装座、转轴、枝杆，监测机构安装座与上部竖杆的上端通过转轴转动式连接，多根枝杆固定在监测机构安装座上，多根枝杆相互周向错开。
19.作为一种优选，监测机构安装座的外壁为正六边形，与上部竖杆的外壁对齐；监测机构安装座的一面外壁装有手动限位插销，上部竖杆的六面外壁均装有与手动限位插销配合的限位件。
20.作为一种优选，一种水库大坝安全监测装置，还包括安装在枝杆上的太阳能板、避雷针、电子雨量计、电子风速计、电子温度湿度测量仪、360
°
球型摄像头、小型高音喇叭、led照明灯。
21.作为一种优选，底座采用混凝土浇制，外包钢板，钢板外设置白色防锈涂层，底座内设置采集箱，采集箱设有一个开合式盖板，盖板位于底座的侧面。
22.作为一种优选，盖板设有防盗锁。
23.作为一种优选，一种水库大坝安全监测装置，还包括rtu数据采集箱和蓄电池；rtu数据采集箱、蓄电池、慢速电机均设置在采集箱内；rtu数据采集箱采集并储存降雨量、风速风向、温度湿度和坝体外观数据，并通过5g将数据实时传输到后台监测系统；蓄电池用于储存来自太阳能板的电能，供监测装置使用。
24.作为一种优选，一种水库大坝安全监测装置，设置在大坝的背水坡上，且位于大坝的防浪墙后。
25.本发明具有如下优点：
26.1.采用正六边形杆件上下套接式伸缩结构，上部竖杆和下部竖杆之间通过六边形轮廓进行周向限位和轴向导向，无需额外设置导向槽进行导向，整体外形精简和封闭，防水防尘，即使在恶劣的自然条件下也能长期使用。
27.2.上部竖杆和下部竖杆采用横截面为正六边形的设计，相比于传统的圆形结构在遇到大风时更牢固。
28.3.采用内外螺纹配合的升降驱动结构，竖杆的升降容易实现且容错率低，不易损坏。
29.4.具有手动调整升降功能，在机械调整升降模式失效的情况下，也能保证装置运作。
30.5.上部竖杆和下部竖杆之间使用密封圈，可以有效减少雨水、灰尘等杂物进入竖杆结构内部的风险，提高了结构的运行稳定性。
31.6.设置转动式监测机构安装座，一方面可根据自然环境调整监测机构的方位，另一方面可根据操作人员的位置调整监测机构的位置。
32.7.设置多根枝杆的结构，可将各检测终端在空间上分隔开，保证互不干扰。
33.8.将rtu数据采集箱、蓄电池、慢速电机设置在采集箱中，可以一定程度降低雨水、风暴等的侵蚀破坏，且盖板设有防盗锁，降低了内部装置受到人为破坏的风险。且采集箱位置较低，相比于传统的悬挂式采集箱，维护更方便。
34.9.底座设置为混凝土加钢板结构，保证物理性能的同时可降低制作成本。
35.10.具有太阳能发电、避雷、降雨量、风速风向、温度湿度和坝体外观数据采集功
能；设置小型高音喇叭，可以对库区的游客和维修管理人员等提供警示及险情预报，指导人员提前撤离；设置led照明灯，可以为维修人员或抢险人员提供夜间照明或恶劣天气下的照明。
36.11.安装在大坝的背水坡上，且在大坝的防浪墙后，可以一定程度降低库区洪水对监测装置造成的破坏。
附图说明
37.图1是本发明装置安装在大坝上的结构示意图。
38.图2是本发明装置的立体图。
39.图3是本发明装置上部的立体图。
40.图4是本发明装置下部的剖视图。
41.图5是图4中1-1’截面的示意图。
42.图6是图4中2-2’截面的示意图。
43.图7是外螺纹段和上部竖杆的装配关系示意图。
44.图8是转动杆的装配示意图。
45.图9是监测机构安装座的装配示意图。
46.图中，1为大坝，2为水库大坝安全监测装置，3为底座，4为盖板，5为可升降式竖杆，6为太阳能板，7为监测机构安装座，8为避雷针，9为电子雨量计，10为电子风速计，11为电子温度湿度测量仪，12为360
°
球型摄像头，13 为小型高音喇叭，14为led照明灯，15为上部竖杆，16为密封胶圈，17为枝杆，18为外螺纹段，19为下部竖杆，20为转动杆，21为上部齿轮，22为手动升降转把，23为下部齿轮，24为慢速电机齿轮，25为慢速电机，26为rtu数据采集箱，27为蓄电池，28为转轴，29为手动限位插销，30为限位件。
具体实施方式
47.下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
48.一种水库大坝安全监测装置，设置在大坝的背水坡上，且位于大坝的防浪墙后。大坝采用土石坝，主体的一侧是迎水坡，上端设有防浪墙，另一侧是背水坡。
49.一种水库大坝安全监测装置，包括监测机构、可升降式竖杆、底座、太阳能板、避雷针、电子雨量计、电子风速计、电子温度湿度测量仪、360
°
球型摄像头、小型高音喇叭、led照明灯、rtu数据采集箱和蓄电池。
50.可升降式竖杆包括上部竖杆、下部竖杆、转动杆、外螺纹段、下部齿轮、慢速电机齿轮、慢速电机；上部竖杆为正六边形杆件，内部沿着轴向开设内螺纹孔；下部竖杆为正六边形杆件，内部沿着轴向开设正六边形通孔；下部竖杆的上段套接在上部竖杆的下段外；外螺纹段固定在转动杆的上端，与上部竖杆的内螺纹孔配合；慢速电机通过慢速电机齿轮带动下部齿轮转动，下部齿轮带动转动杆转动，转动杆位于下部竖杆的正六边形通孔内；监测机构设置在上部竖杆的上端，下部竖杆的下端固定在底座上，转动杆的下端、下部齿轮、慢速电机齿轮、慢速电机均设置在底座内。本实施例中，上部竖杆和下部竖杆长度 1m，完全升高时，可升降式竖杆高度接近2米。
51.可升降式竖杆还包括上部齿轮、手动升降转把和手动升降转把齿轮；上部齿轮水
平设置，与转动杆同轴连接且同步转动；手动升降转把齿轮竖直设置，与上部齿轮啮合；手动升降转把穿过下部竖杆的侧壁，手动升降转把带动手动升降转把齿轮转动。
52.下部竖杆的上端设置密封圈，密封圈的内圈紧贴上部竖杆的外壁。
53.监测机构包括监测机构安装座、转轴、枝杆，监测机构安装座与上部竖杆的上端通过转轴转动式连接，多根枝杆固定在监测机构安装座上，多根枝杆相互周向错开。太阳能板、避雷针、电子雨量计、电子风速计、电子温度湿度测量仪、360
°
球型摄像头、小型高音喇叭、led照明灯均通过螺栓安装在枝杆上，可方便拆卸。
54.监测机构安装座的外壁为正六边形，与上部竖杆的外壁对齐；监测机构安装座的一面外壁装有手动限位插销，上部竖杆的六面外壁均装有与手动限位插销配合的限位件。
55.底座采用混凝土浇制，外包2mm厚钢板，钢板外设置白色防锈涂层，底座内设置采集箱，采集箱设有一个开合式盖板，盖板位于底座的侧面。
56.盖板设有防盗锁。
57.rtu数据采集箱、蓄电池、慢速电机均设置在采集箱内；rtu数据采集箱采集并储存降雨量、风速风向、温度湿度和坝体外观数据，并通过5g将数据实时传输到后台监测系统；蓄电池用于储存来自太阳能板的电能，供监测装置使用。
58.太阳能板将太阳能转化为电能，储存在底座采集箱内的蓄电池，为整个装置供电。
59.避雷针在雷雨天气可使装置免于雷击损坏。
60.电子雨量计通过底座内蓄电池供电，可测量实时的降雨量，并将数据储存于底座的rtu数据采集箱中。
61.电子风速计通过底座内蓄电池供电，可测量库区的实时风速，数据储存于底座的rtu数据采集箱中。
62.电子温度湿度测量仪通过底座内蓄电池供电，可测量库区的实时温度湿度，数据储存于底座的rtu数据采集箱中。
63.360
°
球型摄像头通过底座内蓄电池供电，可监测大坝及库区实时画面，数据储存于底座的rtu数据采集箱中。
64.小型高音喇叭，喇叭内置5g通讯模块，通过底座内蓄电池供电，在大坝有安全隐患或危险时，管理人员可以通过移动端后台向大坝的游客、维修人员等传达信息。
65.led照明灯通过底座内蓄电池供电，由于大部分大坝无照明装置，其可在夜晚为维修人员等提供照明。
66.rtu数据采集箱用于采集装置上方的测量仪器数据，如雨量、视频图像、风速风向、温度、湿度。还能采集安装在迎水坡的无线水位计数据、安装在背水坡的无线渗流监测装置反滤体的渗流量数据、安装在坝体内部的坝体无线测斜装置的大坝变形数据，其中水位、渗流量、大坝变形数据通过无线传输到采集箱内。
67.蓄电池通过上方太阳能板进行蓄电，为整个装置供电，且当光照条件不够，蓄电池电量不足时，蓄电池可由维修人员进行更换。
68.本发明装置操作方法为：
69.需要维修时，维修人员启动慢速电机，慢速电机通过相互啮合的慢速电机齿轮和下部齿轮带动转动杆转动，转动杆带动外螺纹段转动，外螺纹段带动上部竖杆下降，由于上部竖杆与下部竖杆均为正六边形杆件，下部竖杆对上部竖杆进行周向限位和轴向导向。
70.需要手动升降时，维修人员转动手动升降转把，手动升降转把通过相互啮合的手动升降转把齿轮和上部齿轮带动转动杆转动，转动杆带动外螺纹段转动，外螺纹段带动上部竖杆升降。
71.监测机构安装座与上部竖杆转动式连接，解锁时将手动限位插销从限位件中抽出，锁紧时将手动限位插销插入任一限位件。
72.通过开启盖板对采集箱进行操作，操作完成后锁紧盖板。
73.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。