抛石丁坝块石走失监测装置及方法

摘要

本发明公开抛石丁坝块石走失监测装置及方法，包括传感器装置、数据采集与传输装置、数据处理装置；方法步骤包括当监测周期开始时，所述远程控制系统通过无线传输系统控制数据采集与传输装置和传感器装置运行；所述三轴加速度传感器监测所述目标块石的三维加速度信号，并通过传输线路传输至数据采集与传输装置；所述三轴加速度采集模块通过无线传输系统将三维加速度信号传输至数据处理装置；所述数据处理装置对三维加速度信号进行分析处理，若相邻时间段加速度信号的均值之差大于预设阈值，则生成携带传感器唯一编码的目标块石走失信号。本发明能分析出抛石丁坝水毁程度，从而及时采取补救措施，维持抛石丁坝功能。

说明书

技术领域

本发明涉及丁坝块石监测领域，具体是抛石丁坝块石走失监测装置及方法。

背景技术

丁坝是航道整治工程中最常用的整治建筑物，抛石丁坝应用最为广泛。但抛石丁坝结构较为松散，坝头、坝身及坝根的块石受复杂水流作用，块石流失，发生坍塌水毁现象。针对这一现象，不同学者进行了试验与理论研究。学者对丁坝附近绕流、丁坝冲刷、丁坝附近水流紊动及压力分布等问题进行研究，取得较大进展，丁坝的稳定性及运行可靠度获得部分研究成果。但影响抛石丁坝水毁的因素极为复杂,其破坏机理一直是学术界公认的难题，抛石丁坝的水毁现象仍然很严重。

工程中抛石丁坝维修不及时，导致丁坝破损严重，失去整治航道的功能性。因此抛石丁坝的损坏过程与损害程度是值得关注的工程问题。但由于建筑物工作环境一般位于水下，难以实时观测，评判抛石丁坝损坏程度，导致维护人员不能及时采取维护措施。

发明内容

本发明的目的是提供抛石丁坝块石走失监测装置，包括传感器装置、数据采集与传输装置、数据处理装置。

所述传感器装置包括若干三轴加速度传感器。每个三轴加速度传感器具有唯一编码。

每个三轴加速度传感器埋于一块目标块石内，监测所述目标块石的三维加速度信号，并传输至数据采集与传输装置。

所述数据采集与传输装置包括三轴加速度采集模块。

所述三轴加速度采集模块获取三轴加速度传感器传输的三维加速度信号，并传输至数据处理装置。

所述数据处理装置对三维加速度信号进行分析处理，若相邻时间段加速度信号的均值之差大于预设阈值，则生成携带传感器唯一编码的目标块石走失信号。

进一步，所述抛石丁坝块石走失监测装置应用于抛石丁坝。

进一步，所述目标块石为抛石丁坝表面块石，尺寸为抛石尺寸分布的前h％。

所述目标块石所在位置包括抛石丁坝背水坡坝根部、背水坡坝面棱角部位、坝头中轴线部位、坝头中轴线下游。

进一步，所述传感器装置还包括传输线路、钢丝。

所述钢丝固定于目标块石和河岸之间。

所述传输线路缠绕在钢丝上。

所述传输线路的一端连接三轴加速度传感器，另一端连接三轴加速度采集模块。

进一步，当连接电脑的传输线路数量大于n时，传输线路通过USB扩展器插头与电脑连接。

进一步，所述传输线路和钢丝位于目标块石下游。

进一步，所述数据采集与传输装置还包括电脑、无线传输系统、远程控制系统、电源模块。

所述电脑用于集成三轴加速度采集模块、无线传输系统、远程控制系统。

所述三轴加速度采集模块通过无线传输系统将三维加速度信号传输至数据处理装置。

所述远程控制系统通过无线传输系统接收监测启动信号或停止信号，进而控制数据采集与传输装置和传感器装置运行或停止。

所述电源模块为电脑供电。

进一步，所述数据处理装置包括远程电脑、数据处理模块、信号接受器。

所述远程电脑集成数据处理模块。

所述远程电脑通过信号接受器接收三维加速度信号，并传输至数据处理模块。

所述数据处理模块利用Origin软件对三维加速度信号进行分析处理。

利用所述的抛石丁坝块石走失监测装置进行块石监测的方法，包括以下步骤：

1)将抛石丁坝最易冲刷部位的目标块石开槽，装入防水处理后的三轴加速度传感器。

2)利用传输线路将电脑与三轴加速度传感器连接，并将传输线路缠绕于钢丝上，用水泥砂浆将目标块石封口。所述钢丝固定于目标块石和河岸之间。

3)当监测周期开始时，所述远程电脑通过信号接受器向数据采集与传输装置发送监测启动信号。

所述远程控制系统通过无线传输系统接收监测启动信号后，控制数据采集与传输装置和传感器装置运行。

4)所述三轴加速度传感器监测所述目标块石的三维加速度信号，并通过传输线路传输至数据采集与传输装置。

所述三轴加速度采集模块通过无线传输系统将三维加速度信号传输至数据处理装置。

所述数据处理装置对三维加速度信号进行分析处理，若相邻时刻三维加速度信号的差值大于预设阈值，则生成目标块石丢失信号。

5)监测周期结束，所述远程电脑通过信号接受器向数据采集与传输装置发送监测停止信号。

所述远程控制系统通过无线传输系统接收监测停止信号后，控制数据采集与传输装置和传感器装置停止。

一个监测周期包括抛石丁坝上游工程施工开始至工程施工结束，或者当前洪水期开始至洪水期结束。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：

1)本发明能实时采集水下抛石丁坝块石运动加速度数据。

2)本发明能自动传输抛石丁坝块石运动加速度数据。

3)本发明能分析出抛石丁坝水毁程度，从而及时采取补救措施，维持抛石丁坝功能。

附图说明

图1为抛石丁坝块石走失监测装置示意图；

图2为传感器装置示意图；

图3为数据采集与传输装置示意图；

图4为数据处理装置示意图；

图5为抛石丁坝块石最易走失部位示意图；

图6为块石加速度数据图。

图中：传感器装置1、数据采集与传输装置2、数据处理装置3、目标块石101、三轴加速度传感器102、传输线路103、钢丝104、电脑201、三轴加速度采集模块202、无线传输系统203、远程控制系统204、远程电脑301、信号接受器302。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图6，抛石丁坝块石走失监测装置，包括传感器装置1、数据采集与传输装置2、数据处理装置3。

所述传感器装置1包括若干三轴加速度传感器102。每个三轴加速度传感器102具有唯一编码。

每个三轴加速度传感器102埋于一块目标块石101内，监测所述目标块石101的三维加速度信号，并传输至数据采集与传输装置2。

所述数据采集与传输装置2包括三轴加速度采集模块202。

所述三轴加速度采集模块202获取三轴加速度传感器102传输的三维加速度信号，并传输至数据处理装置3。

所述数据处理装置3对三维加速度信号进行分析处理，若相邻时间段加速度信号的均值之差大于预设阈值，则生成携带传感器唯一编码的目标块石走失信号，并对外反馈。

各部位放置不同编号传感器，数据分析时，不同标号传感器走失，代表丁坝对应部位水毁。一个部位安装1个到2个，如果大粒径目标块石走失，旁边块石会相继走失，本质就是抛石丁坝其中一块走失，破坏地方会继续发展，直至冲出大坑丧失整治功能。所以只要监测到目标块石走失，就表明该出丁坝损坏，需要修补。

所述抛石丁坝块石走失监测装置应用于抛石丁坝。

所述目标块石101为抛石丁坝表面块石，尺寸为抛石尺寸分布的前10％。

所述目标块石101所在位置包括抛石丁坝背水坡坝根部、背水坡坝面棱角部位、坝头中轴线部位、坝头中轴线下游[x1，x2]范围内。x2>x1≥0。

所述传感器装置1还包括传输线路103、钢丝104。传输线路103与三轴加速度传感器102预连接。

所述钢丝104固定于目标块石101和河岸之间。

所述传输线路103缠绕在钢丝104上。

所述传输线路103的一端连接三轴加速度传感器102，另一端连接三轴加速度采集模块202。

当连接电脑的传输线路103数量大于n时，传输线路103通过USB扩展器插头与电脑连接。连接电脑的传输线路103数量一般不超过12。

一个部位布置一个传感器，目标块石属于大粒径块石，只要目标块石走失，周边块石会跟随着走失，故不需要布设大量传感器。

所述传输线路103和钢丝104位于目标块石101下游。

所述数据采集与传输装置2还包括电脑201、无线传输系统203、远程控制系统204、电源模块。

所述电脑201用于集成三轴加速度采集模块202、无线传输系统203、远程控制系统204。

所述三轴加速度采集模块202通过无线传输系统203将三维加速度信号传输至数据处理装置3。

所述远程控制系统204通过无线传输系统203接收监测启动信号或停止信号，进而控制数据采集与传输装置2和传感器装置1运行或停止。

所述电源模块为电脑201供电。

所述数据处理装置3包括远程电脑301、数据处理模块、信号接受器302。

所述远程电脑301集成有数据处理模块。

所述远程电脑301通过信号接受器302接收三维加速度信号，并传输至数据处理模块。

所述数据处理模块利用Origin软件对三维加速度信号进行分析处理。

利用所述的抛石丁坝块石走失监测装置进行块石监测的方法，包括以下步骤：

1)将抛石丁坝最易冲刷部位的目标块石101开槽，装入防水处理后的三轴加速度传感器102。

2)利用传输线路103将电脑201与三轴加速度传感器102连接，并将传输线路103缠绕于钢丝104上，用水泥砂浆将目标块石101封口。所述钢丝104固定于目标块石101和河岸之间。

3)当监测周期开始时，所述远程电脑301通过信号接受器302向数据采集与传输装置2发送监测启动信号。

所述远程控制系统204通过无线传输系统203接收监测启动信号后，控制数据采集与传输装置2和传感器装置1运行。

4)所述三轴加速度传感器102监测所述目标块石101的三维加速度信号，并通过传输线路104传输至数据采集与传输装置2。

所述三轴加速度采集模块202通过无线传输系统203将三维加速度信号传输至数据处理装置3。

所述数据处理装置3对三维加速度信号进行分析处理，若相邻时刻三维加速度信号的差值大于预设阈值，则生成目标块石丢失信号。

5)监测周期结束，所述远程电脑301通过信号接受器302向数据采集与传输装置2发送监测停止信号。

所述远程控制系统204通过无线传输系统203接收监测停止信号后，控制数据采集与传输装置2和传感器装置1停止。

一个监测周期包括抛石丁坝上游工程施工开始至工程施工结束，或者当前洪水期开始至洪水期结束。

实施例2：

抛石丁坝块石走失监测装置，参见图1，主要内容见实施例1，其中，包括传感器装置1、数据采集与传输装置2、数据处理装置3。

参见图2，所述传感器装置包括大粒径块石101、三轴加速度传感器102、线路103、细钢丝104。三轴加速度传感器102埋于大粒径块石101，线路103连接数据采集与传输装置1，线路103缠绕细钢丝104，埋置于块石下游方向，防止线路103干扰块石101受力。细钢丝104固定于河岸和大粒径块石101。

参见图3，所述数据采集与传输装置2由电脑201、三轴加速度采集模块202、无线传输系统203、远程控制系统204、电源组成。所述三轴加速度采集模块202、无线传输系统203、远程控制系统204安装于电脑201。

参见图4，所述数据处理装置3包括远程电脑301、商用Origin软件、信号接受器302。商用Origin软件、信号接受器302安装于远程电脑301中。

实施例3：

利用实施例1-2所述装置进行抛石丁坝块石监测的方法，包括以下步骤：

1)在枯水期将抛石丁坝(如图5所示)目标块石101开槽，装入防水处理后的三轴加速度传感器102，水泥砂浆封口。

2)将电脑201与三轴加速度传感器102有线连接，线路103缠绕于细钢丝104，确保线路103不被水流冲刷破坏。细钢丝104固定于河岸和大粒径块石101。

3)细钢丝104和线路103埋置于大粒径块石101下游方向，防止线路103干扰块石101受力。

4)检测各仪器运行状态，确保所有仪器运行正常。

5)丁坝上游有工程施工时，工作人员远程控制电脑201运行，三轴加速度采集软件202采集大粒径块石101内部三轴加速度传感器102数据。

6)电脑201储存加速度数据，定时通过无线传输系统203将数据传送至数据处理装置3。

7)数据处理装置3接收到块石加速度数据后，利用商用Origin软件分析加速度数据，若相邻时间段加速度信号的均值之差大于预设阈值，如图6所示，表明大粒径块石101已走失，抛石丁坝开始水毁，反之表明块石101未走失。

8)直至丁坝上游工程施工停止，终止数据采集，记录所有监测数据，判断抛石丁坝各个部位水毁情况，采取有效修复措施。

实施例4：

利用实施例1-2所述装置进行抛石丁坝块石监测的方法，包括以下步骤：

1)在枯水期将抛石丁坝(如图5所示)目标块石101开槽，装入防水处理后的三轴加速度传感器102，调试位置，水泥砂浆封口。

2)将电脑201与三轴加速度传感器102有线连接，线路103缠绕于细钢丝104，确保线路103不被水流冲刷破坏。细钢丝104固定于河岸和大粒径块石101。

3)细钢丝104和线路103埋置于大粒径块石101下游方向，防止线路103干扰块石101受力。

4)检测各仪器运行状态，确保所有仪器运行正常。

5)洪水期时，工作人员远程控制电脑201运行，三轴加速度采集软件202采集大粒径块石101内部三轴加速度传感器102数据。

6)电脑201储存加速度数据，定时通过无线传输系统203将数据传送至数据处理装置3。

7)数据处理装置3接收到块石加速度数据后，利用商用Origin软件分析加速度数据，若相邻时间段加速度信号的均值之差大于预设阈值，如图6所示，表明大粒径块石101已走失，抛石丁坝开始水毁，反之表明块石101未走失。

8)直至洪水期停止，终止数据采集，记录所有监测数据，判断抛石丁坝各个部位水毁情况，采取有效修复措施。