专利名称：以温度为示踪剂探测堤坝渗漏通道位置的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种探测提坝渗漏通道位置的系统及方法，属于水利水电工程技术领 域。
背景技术：
我国先后研制了基于时间域电磁法、自然电场法、电阻率法、地震波、雷达波等方 法的提坝隐患探测仪器。同时河海大学研究的同位素测井技术、天然示踪技术和中南大学 提出的“流场法”经工程实践验证，能有效发现提坝隐患。传统的地球物理勘探法探测渗漏 通道，不仅成本高，而且探测精度低；同位素示踪法探测提坝渗漏精度虽高，但属于有损探 测，且国内外对放射性元素使用限制较多；温度示踪法探测提坝渗漏有着简便易行，探测精 度高且无污染的特点。温度探测提坝渗漏隐患的研究，是由地温研究发展而来的。我国温 度示踪探测提坝渗漏隐患的研究，经历了定性分析判断和初步理论探索阶段。在定性分析 判断阶段，主要利用钻孔中水的温度判断坝体的温度分布情况。根据温度异常点，判断坝体 渗漏隐患埋深和规模等参数。初步理论探索阶段，主要是依据热传导理论结合坝体的情况， 建立了理想情况下的温度场探测模型，并初步尝试了应用理论模型解决工程实际问题。然 而，由于提坝边界条件的复杂性以及渗漏情况的多样性，该理论目前仍处于探索阶段。以温 度探测提坝渗漏隐患不会造成环境污染，亦可以达到良好的效果，但是目前还未有一套完 整的系统来进行温度的探测分析，对于等温线绘制大部分也以手工绘制为主，本发明设计 了硬件软件，自成了一套完整的探测系统，依靠软件可自动绘制等温线图，对判断提坝的渗 漏通道位置给出了很好的依据。
发明内容
发明目的本发明的所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种以温度为示踪剂 的探测提坝渗漏通道位置的系统及方法。技术方案本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案一种以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统，包括N个温度传感器、信号 获取装置、信号处理装置、控制系统、数据传送装置以及数据终端装置，N为自然数；其中N 个温度传感器均勻分布设置在提坝的坝体内，分别与信号获取装置连接，信号获取装置、信 号处理装置、控制系统、数据传送装置以及数据终端装置依次串接。进一步，本发明以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统中温度传感器为 PT1000。进一步，本发明以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统中信号获取装置为 可调零的电桥电路。进一步，本发明以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统中信号处理装置为差分放大电路、一阶有源低通滤波电路和高精度模数转换电路，其中差分放大电路依次连接一阶有源低通滤波电路和高精度模数转换电路。进一步，本发明以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统中数据终端装置为 计算机系统。进一步，本发明以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统中控制系统为以单 片机4051。一种应用本发明的探测方法，包括采集处理步骤、测量控制步骤和分析步骤；步骤A、采集处理步骤，具体包括Al、采用温度传感器获取提坝各个探测点的温度信息；A2、采用信号获取装置将Al步骤的温度信息转化成电压信号；A3、采用信号处理装置将A2步骤所述的电压信号经过放大、滤波、高精度模数转 化得到温度数值信息；步骤B、测量控制步骤，具体包括Bi、数据通信步骤将步骤A3得到的各个探测点的温度数值信息，通过数据传送 装置将温度数值信息发送到数据终端装置；B2、数据处理步骤对Bl步骤发送来的温度数值信息进行有效性判断，去除最大 值与最小值后取平均值，将取平均值后的温度数值信息换算成温度值；B3、数据保存步骤将步骤B2所述转换后的温度值以表格数据的形式保存在计算 机中；步骤C、测量分析步骤Cl、打开步骤B3保存的表格数据文件，首先对其进行插值拟合，然后采用矩形网 格法将拟合后的温度数据网格化，以一个网格节点上的温度为初始点，在其余网格节点之 间搜索等温点，将所有的等温点搜索出来后，将其逐一规则有序的连接起来，就形成一条等 温线，如此反复，直到将所有的等温线都绘制完毕；C2、用户根据等温线图，判断温度异常点，即判断出渗漏通道位置。本发明的基本原理是鉴于库水的温度往往与坝体的温度存在差异，若坝体存在渗漏通道，在渗流的作 用下，会打破原有的温度分布，形成渗流作用下的温度分布。在此结合图形技术及软件技 术，研制渗流作用下，提坝温度分布曲线，即绘制提坝温度场的等温线。鉴于坝体的纵剖面的形状及温度传感器网络节点的分布，本方法采用矩形网格法 绘制温度等值线。即将坝体的纵剖面划分成若干个小网格，且尽量不要使网格点与温度传 感器网络节点重合。先读入原始数据，进而进行数据网格化，然后进行等温点搜寻及等温线 追踪，最后进行等温线的绘制。有益效果1、本发明利用温度为示踪剂的提坝智能测渗仪器，不会对环境造成污染，也不会 对操作人员的健康产生�：Γ以旒鄣土菀资迪郑�2、利用本发明的探测方法进行参数探测时，不需要进行钻孔等操作，具有更广泛 的适用性；3、本发明基于地下水流速的对流传热模型，温度分布具有很好的规律性与稳定性，使探测结果准确，且重复性好；4、本发明采用高精度温度传感探头，温度测量准确，测量结果精度有很好的保证。 本发明操作简单，便于工作人员所掌握； 5、本发明实用性高，有很高的使用价值；6、本发明所绘制的等温线较为精确，能够较为准确的判定渗漏通道的位置，可以 在工程中得到广泛的应用。
图1是本发明所述提坝渗漏通道位置探测的方法框图。图2为提坝渗漏通道位置探测的控制�？橹髁鞒掏肌Ｍ�3为提坝渗漏通道位置探测中测量�？榱鞒掏�。图4为等温线绘制流程图。图5是本发明所述探测软件所绘制的等温线图。图6是本发明所述探测系统的硬件图。
具体实施方案下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述如图1所示，本发明所述的提坝渗漏通道位置探测的方法框图。可分为两部分，一 为测量控制，另一个为分析。在测量控制中通过对温度值进行数据采集，然后得到温度数 值，最后保存数据。分析过程中，通过之前保存的数据生成等温线判断提坝渗漏通道的位置 及规模。图2为提坝渗漏通道位置探测的控制�？橹髁鞒掏�。用户首先进行参数设置，主 要包括通讯设置和测量模式设置，其中测量模式设置可以选择自动测量和手动测量模式， 设置完毕后发出开始测量命令，系统就开始一轮温度测量，测量结果自动录入计算机软件 系统；之后用户可以选择数据的保存和进一步处理。图3为提坝渗漏通道位置探测中测量�？榱鞒掏�。软件系统收到用户的探测命令 后，根据用户设置的探测模式，控制硬件探测系统开始探测，探测结果发回计算机系统，计 算机进行温度值计算，然后通过列表的形式显示温度值，最后可以根据温度值，自动绘制等 温线图，用户可以根据等温线图中显示的温度异常点，判断渗流通道的位置。图4为等温线绘制流程图。首先，系统根据读入的温度数据，进行网格化，对网格 中的温度值进行等温点搜索，然后追踪等温线，最后绘制等温线。图5为通过工程所得数据，利用此软件绘制的等温线。图中以坝体纵剖面的左下 角为坐标原点建立坐标系，其尺寸单位为cm。在图中，可以明显地看到，在(110，120)处， 存在明显的温度异常区域，且温度异常区往110-方向延伸。同时，在提坝的纵剖面的上部， 温度基本呈层状分布。可以初步判断，在提坝的(110，120)存在强渗漏区。图6所示，为本发明的系统总体图。(1)、在建坝时在坝体内埋设若干温度探头； (2)、在坝建成后，实时记录各个探头的温度值；(3)、根据各个探头的温度，分析判断提坝渗 漏通道的位置及规模。本发明所述的利用温度作为示踪剂的提坝智能探测系统，温度底层信号经获取和融合处理后，由控制系统将温度数据传输至数据终端。鉴于构建的温度测渗网络包含多个 温度探测节点，本系统由控制系统，控制网络节点切换，实施温度传感器的循环监测，从而 实现提坝断面的温度探测。本发明以PT1000作为温度探头，先将温度信号转换成电信号，采用MAX197进行A/ D转换，经过滤波电路将信号送入单片机，单片机将接收到的信号经串口发送给MAX485芯 片，MAX485芯片将单片机的TTL电平转换成差分信号，经A、B端向485转USB�？榉⑺停�485 转USB�？榻邮誂、B差分信号，解析单片机发送的数据。其中温度探测网络节点的切换采 用模拟开关(CD4051)作为切换元件。利用自行编写的软件，显示出温度探测到的温度值。 经过分析，可判断出提坝渗漏通道的位置及规模。本发明无须钻孔进行探测，可直接将温度 探头埋置在坝体内，减少监测过程的工程量。通过埋设多个温度探头，本发明还可以在坝中 进行多点探测，从而得到整个断面的温度值。本发明的以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统的方法，步骤A、采集处理步骤，具体包括Al、采用温度传感器获取提坝各个探测点的温度信息，此处的温度信息通过温度 传感器自身阻值的变化体现出来；A2、采用信号获取装置将Al步骤的温度信息转化成电压信号，此处主要是通过电 桥电路将步骤Al中的传感器阻值变化转换为电压变化；A3、采用信号处理装置将A2步骤所述的电压信号经过放大、滤波、高精度模数转 化得到温度数值信息；步骤B、测量控制步骤，具体包括Bi、数据通信步骤将步骤A3得到的各个探测点的温度数值信息，通过数据传送 装置将温度数值信息发送到数据终端装置；B2、数据处理步骤对Bl步骤发送来的温度数值信息进行有效性判断，去除最大 值与最小值后取平均值，将取平均值后的温度数值信息换算成温度值，转换过程是步骤A 的逆过程，即将温度数值信息转换为对应的电压信号值，再将电压信号值转换为传感器电 阻值，通过传感器参数，计算出温度值；B3、数据保存步骤将步骤B2所述转换后的温度值以表格数据的形式保存在计算 机中；步骤C、测量分析步骤Cl、打开步骤B3保存的表格数据文件，即将坝体的纵剖面划分成若干个小网格， 且尽量不要使网格点与温度传感器网络节点重合，然后，对网格上节点的温度值进行插值 拟合，插值采用Krige法，这是地质科学与工程界应用最为广泛的空间数据拟合方法；以一 个网格节点上的温度为初始点，在其余网格节点之间搜索等温点，将所有的等温点搜索出 来后，将其逐一规则有序的连接起来，就形成一条等温线，如此反复，直到将所有的等温线 都绘制完毕；C2、用户根据等温线图， 判断温度异常点，即判断出渗漏通道位置。
权利要求
一种以温度为示踪剂探测堤坝渗漏通道位置的系统，其特征在于包括N个温度传感器、信号获取装置、信号处理装置、控制系统、数据传送装置以及数据终端装置，N为自然数；其中N个温度传感器均匀分布设置在堤坝的坝体内，分别与信号获取装置连接，信号获取装置、信号处理装置、控制系统、数据传送装置以及数据终端装置依次串接。
2.根据权利要求1所述以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统，其特征在于 所述温度传感器为PT1000。
3.根据权利要求1所述以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统，其特征在于 所述信号获取装置为可调零的电桥电路。
4.根据权利要求1所述以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统，其特征在于 所述信号处理装置为差分放大电路、一阶有源低通滤波电路和高精度模数转换电路，其中 差分放大电路依次连接一阶有源低通滤波电路和高精度模数转换电路。
5.根据权利要求1所述以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统，其特征在于 所述数据终端装置为计算机系统。
6.根据权利要求1所述以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统，其特征在于 所述控制系统为以单片机4051。
7.一种应用权利要求1至6任意所述以温度为示踪剂探测提坝渗漏通道位置的系统的 探测方法，其特征在于该方法包括采集处理步骤、测量控制步骤和分析步骤；步骤A、采集处理步骤，具体包括 A1、采用温度传感器获取提坝各个探测点的温度信息； A2、采用信号获取装置将A1步骤的温度信息转化成电压信号； A3、采用信号处理装置将A2步骤所述的电压信号经过放大、滤波、高精度模数转化得 到温度数值信息；步骤B、测量控制步骤，具体包括B1、数据通信步骤将步骤A3得到的各个探测点的温度数值信息，通过数据传送装置 将温度数值信息发送到数据终端装置；B2、数据处理步骤对B1步骤发送来的温度数值信息进行有效性判断，去除最大值与 最小值后取平均值，将取平均值后的温度数值信息换算成温度值；B3、数据保存步骤将步骤B2所述转换后的温度值以表格数据的形式保存在计算机中；步骤C、测量分析步骤C1、打开步骤B3保存的表格数据文件，首先用矩形网格法将拟合后的温度数据网格 化，并将网格节点的温度值进行插值拟合，然后，以一个网格节点上的温度为初始点，在其 余网格节点之间搜索等温点，将所有的等温点搜索出来后，将其逐一规则有序的连接起来， 就形成一条等温线，如此反复，直到将所有的等温线都绘制完毕；C2、用户根据等温线图，判断温度异常点，即判断出渗漏通道位置。
全文摘要
本发明提供一种以温度为示踪剂探测堤坝渗漏通道位置的系统及方法，属于水利水电工程技术领域。该发明的系统包括N个温度传感器、信号获取装置、信号融合处理装置、控制系统以及数据终端装置，N为自然数；其中N个温度传感器均匀分布设置在堤坝的坝体内，分别与信号获取装置连接，信号获取装置、信号融合处理装置、控制系统以及数据终端装置依次串接。采用铂电阻PT1000作为感温元件，由控制系统控制网络节点切换，实施温度传感器的循环监测，从而实现整个堤坝断面的温度探测。本发明的方法是通过采集到的堤坝温度数据，进一步进行处理，绘制等温线图，即可分析出堤坝的渗漏通道位置。
文档编号G01V9/00GK101858991SQ20101019892
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者付长静, 李刚, 王宇铭, 闫晓璐, 陈亮 申请人:河海大学
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