一種水流誘發場地振動的監測系統的製作方法
2023-05-30 20:10:51
本發明涉及一種水流誘發場地振動的監測系統，屬於水利水電工程、土木工程技術領域。
背景技術：
高壩大庫工程是水資源綜合利用和水能資源開發的需要，一直倍受世界各國重視。由於高壩大庫洩洪落差大，高壩洩洪水流引起的水流脈動荷載，作用在洩流結構上，會誘發洩流結構和地基產生振動，這種振動會由地基向周邊場地傳遞，遇到特殊的場地條件，會對振動產生「放大效應」，而場地上的房屋或其他建築物又可能會對場地上的振動進行「二次放大」，經「多次放大」的場地振動會造成一定的環境危害，即對建築物的結構安全和人的身體心理產生的不利影響。國外，俄羅斯Zhigulevskaya水電站1979年宣洩洪水時，曾引起了左岸陶裡亞蒂市的場地和房屋強烈振動，甚至在距大壩左岸3km遠處的居民樓也產生了可感的振動，振動使人出現焦慮，頭暈，噁心等現象。國內，金沙江溪洛渡水電站曾在主汛期壩身4個深孔開啟洩洪，壩區下遊右岸混凝土拌合系統的製冰樓(為一棟5層鋼結構建築)發生了明顯的振動。雅礱江二灘水電站也出現過洩洪引起的下遊電廠管理用房明顯振動的現象。金沙江向家壩水電站2012年10月首次下閘蓄水，距離其1.5km的縣城出現了明顯的振動，在較遠處的局部場地振動甚至強於近壩區的地面振動，振動造成居民樓晃動，引起壩區和城區民眾的不安。然而，水流誘發場地振動涉及振動輸入(洩洪水流)和振動輸出(場地)，振動傳播路徑複雜，目前對於水流誘發場地振動的監測方法手段未見報導，因此，需要建立一種有效地監測洩洪水流誘發場地振動監測系統，通過對振動輸入、輸出以及傳播路徑的全過程監測，達到及時預測場地振動量級、有效控制場地振動大小、減少場地振動造成的破壞。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種水流誘發場地振動的監測系統，利用合理布置的傳感器採集水流脈動和場地振動信號，通過對信號進行實時分析，判斷場地振動是否由水流引起、得出場地振動傳播路徑、預測場地振動量級等信息，並根據分析結果，自動判斷水流對場地的影響，發布預警信息和控制方式信息，以有效控制場地振動現象。
本發明提出的水流誘發場地振動的監測系統，包括：多個脈動壓力傳感器、多個振動傳感器、多個數據無線發射裝置和控制機房；所述的控制機房置於下遊河道一側的下遊場地上，控制機房內設置有數據採集控制終端、數據分析處理終端和報警器；
所述的多個脈動壓力傳感器分別置於壩體下方的洩洪結構中，用於採集不同洩流結構處的水流脈動壓力隨時間變化信號；
所述的多個振動傳感器，分別置於下遊河道一側的下遊場地的各處，用於採集場地振動隨時間變化信號，並將該信號通過無線裝置發送至數據採集控制終端；
所述的多個數據無線發射裝置，分別置於壩體和下遊場地上，用於通過無線網絡接收脈動壓力傳感器和振動傳感器採集的信號，並將該信號通過無線網絡發送至機房內的數據分析採集終端；
所述的數據採集控制終端，置於控制機房內，用於通過無線網絡控制採集脈動壓力傳感器和振動傳感器的數據，並控制數據採集時間和數據採集方式，數據採集方式為設定時間周期自動採集或人工手動採集；
所述的數據分析處理終端，置於控制機房內，用於對採集信號進行實時分析，得到場地振動強度、場地振動主要振動頻率、洩流結構方式與場地振動關係、洩流結構的合理性和洩流結構的洩流方式合理性，並將分析結果進行顯示和保存；
所述的報警器，置於下有場地控制機房內，用於接收數據分析處理終端發出的報警信號，並進行語音提示和動態仿真圖形顯示，或將語音提示和動態仿真圖形通過數據無線發射裝置發送至監測人員的手機上。
本發明提出的水流誘發場地振動的監測系統，其優點是：本發明的監測系統，首次通過監測振動傳播全過程，即振動輸入端、輸出端以及傳播路徑，建立振源與場地振動的聯繫，實現對場地振動振源進行分析、得出場地振動傳播路徑、預測場地振動量級等信息，並根據分析結果，自動判斷水流對場地的影響，發布預警信息和控制方式信息，有效控制場地振動現象。
附圖說明
圖1是本發明提出的水流誘發場地振動智能監測系統的示意圖。
圖2是本發明監測系統監測到的水流脈動壓力和場地測點振動信號時間-小波能量譜示意圖。
圖3是本發明監測系統監測到的水流脈動壓力和場地測點振動信號交叉小波變換譜示意圖。
圖1中，圖1中，1壩體，2脈動壓力傳感器，3是洩洪結構，4是數據無線發射裝置，5是下遊河道，6是下遊場地，7是振動傳感器，8是控制機房，9是山體，10是水庫。
具體實施方式
本發明提出的水流誘發場地振動的監測系統，其結構如圖1所示，包括：多個脈動壓力傳感器2、多個振動傳感器7、多個數據無線發射裝置4和控制機房8。控制機房8置於下遊河道5一側的下遊場地6上，控制機房8內設置有數據採集控制終端、數據分析處理終端和報警器；
所述的多個脈動壓力傳感器2分別置於壩體下方的洩洪結構3中，用於採集不同洩流結構處的水流脈動壓力隨時間變化信號；
所述的多個振動傳感器7，分別置於下遊河道5一側的下遊場地6的各處，用於採集場地振動隨時間變化信號，並將該信號通過數據無線裝置4發送至控制機房8內數據採集控制終端；
所述的多個數據無線發射裝置4，分別置於壩體1和下遊場地6上，用於通過無線網絡接收脈動壓力傳感器和振動傳感器採集的信號，並將該信號通過無線網絡發送至機房內的數據分析採集終端；
所述的數據採集控制終端，置於控制機房內，用於通過無線網絡控制採集脈動多個壓力傳感器和多個振動傳感器的數據，並控制數據採集時間和數據採集方式，數據採集方式為設定時間周期自動採集或人工手動採集；
所述的數據分析處理終端，置於控制機房內，用於對採集信號進行實時分析，得到場地振動強度、場地振動主要振動頻率、洩流結構方式與場地振動關係、洩流結構的合理性和洩流結構的洩流方式合理性，並將分析結果進行顯示和保存；
所述的報警器，置於下有場地控制機房內，用於接收數據分析處理終端發出的報警信號，並進行語音提示和動態仿真圖形顯示，或將語音提示和動態仿真圖形通過數據無線發射裝置發送至監測人員的手機上。
本發明的監測系統中，用於採集相關數據的多個脈動壓力傳感器2、多個振動傳感器7合理排列布置在水流處的洩洪結構和下遊場地，採集水流脈動以及場地振動信息，本發明的監測系統中，使用的脈動壓力傳感器可以是由航天部701研究所生產的型號為固化矽AK—3型的水壓脈動傳感器，振動傳感器可以是由清華大學科教儀器廠生產的DP型地震式低頻振動傳感器。
控制機房8內設置的數據採集控制終端將傳感器上傳的信號實時傳輸，至數據分析處理終端，實現遠程實時動態監測。
數據分析處理終端可實現數據的實時顯示、採集、保存，各項指標的分析、提取和預警等。進行信號的時域分析、幅值域分析、頻域分析以及時-頻域分析等功能，通過分析，可判斷場地振動是否由水流引起、得出場地振動傳播路徑、預測場地振動量級等信息。
本發明的監測系統中，使用的報警器可以是天津大學提供的型號為ZF-1動態監測報警裝置。
下面結合附圖詳細說明本發明的檢測系統，但應當說明的是，這些實施方式並非對本發明的限制，本領域普通技術人員根據這些實施方式所作的功能、方法、或者結構上的等效變換或替代，均屬於本發明的保護範圍之內。
以一個水電站洩洪水流誘發場地為例，介紹該系統應用情況。
在本實施方式中，一種水流誘發場地振動智能監測系統，應用某水電站洩洪水流誘發場地振動現場，該區域水電站與下遊場地的位置如圖1所示。
該系統運行過程如下：
(1)傳感器的選擇：脈動壓力傳感器採用航天部701研究所生產的固化矽AK—3型水壓脈動傳感器，量程為0～100米水柱，動態範圍0～1000Hz，使用二等標準壓力計現場靜態原位率定，傳感器精度±0.2％FS。振動傳感器採用清華大學科教儀器廠生產的高精度低頻振動傳感器，具體指標為：頻率響應0.35-200Hz；靈敏度8mV/μm；量程±1.25mm。
(2)數據採集：數據採集控制終端，置於控制機房內，使用專用48路遠程數據採集儀，通道間無時差。該儀器包含一個ADAM-5550KW數據採集控制器和4塊ADAM-5017S數據採集卡。可控制數據採集時間和數據採集方式，數據採集方式為設定時間周期自動採集或人工手動採集；可根據測量數據的狀態，任意調整測量頻率。採樣隨啟隨停，設計了示波－採樣－回放流程，可以對不需要的數據予以刪除。具有工況表述功能，並與數據文件一起保存。可以手動採集或預設自動採集。
(3)數據傳輸：採用APT-103S33IC型光纖收發器進行數據傳輸，APTTEK系列乙太網光纖傳輸收發器設計用於城域光纖寬帶網絡。通過無線網絡接收脈動壓力傳感器和振動傳感器採集的信號，並將該信號通過無線網絡發送至機房內，與ADAM-5017S數據採集器連接，再通過採集器將採集到的數據通傳輸到數據分析處理終端，實現遠程實時動態監測。
(4)數據分析處理終端：置於控制機房內，用於對採集信號進行實時分析，得到場地振動強度、場地振動主要振動頻率、洩流結構方式與場地振動關係、洩流結構的合理性和洩流結構的洩流方式合理性，並將分析結果進行顯示和保存；
利用已有的時間-小波能量譜分析技術可以消除幹擾因素，突出水流脈動能量，用以實時判斷並輸出場地振動是否由洩洪水流引起。如圖2所示為某工況下水流脈動壓力變化情況和同一時間場地某測點振動變化情況)時間-小波能量變換結果。其中的圖2(a)為時間-小波能量譜，其中的圖2(b)為時間-小波能量頻譜。可以看出，水流脈動荷載主頻為2.55Hz，其他能量在3.58Hz及其倍頻也有分布，場地測點有2.55Hz和3.58Hz兩個明顯主頻，且兩個頻率的能量較水流脈動的有所增強。因此可以判斷這一工況場地振動的主要能量來自洩流產生水流脈動。
利用交叉小波變換在時頻域內同時分析兩個非平穩信號之間的相關性，建立振源與場地振動的聯繫，可以預判場地振動量級，並根據多次分析結果，自動計算控制振動方式。如圖3所示為某工況下水流脈動壓力信號和同一時間場地某測點振動信號交叉小波變換結果，圖中從深到淺表示兩個信號對應時間、頻率處的幅值關聯程度從大到小。可以看出，該工況振源與場地振動相關頻帶較寬，同步性較高，在1.0-3.0Hz頻帶對場地振動都有影響。因此，可根據分析結果，調整水電站洩洪方式，降低或升高水流脈動頻率。
(5)報警器：置於下有場地控制機房內，用於接收數據分析處理終端發出的報警信號，並進行語音提示和動態仿真圖形顯示，或將語音提示和動態仿真圖形通過數據無線發射裝置發送至監測人員的手機上。