一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法。该方法包括步骤1：在充分分析已有工程资料及进行地质测绘调查的基础上，沿堆积坝跨度方向确定监测点位置；步骤2：在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列；1)在所述监测点位置钻孔预埋PVC管；2)波导杆的选择；3)确定波导杆的根数N；4)将所述波导杆放置于所述PVC管的中心位置；5)所述孔口用橡胶塞塞紧；步骤3：弯曲导波传感器的安装；步骤4：建立信号采集基站；步骤5：信号采集；步骤6：分析处理数据。本发明专利技术提供的用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法，具备人工成本低、全天候自动监测、监测方法操作简单易行、数据分析简单、误差因素少探测精度较高的优点。

A Bending Guided Wave Monitoring Method for Early Warning of Dam Break in Tailings Reservoir

【技术实现步骤摘要】
一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法
本专利技术涉及矿山施工
，特别是涉及一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法。
技术介绍
尾矿库是矿山用于储存矿石破碎甄选后剩下的尾矿和废水的场所，它属于一种在建的工业构筑物，随着矿山的不断开采，其高度随尾矿和废水的排入不断增加，属于一种势能不断增加的危险源。尾矿库的坝体由初期坝和堆积坝组成，其中堆积坝由尾砂堆积而成，属于松散介质堆积体，随着坝体高度增加，形成一个一个的堆积子坝，溃坝事故大多由堆积子坝破坏造成。堆积坝与常见岩质边坡不同，它们颗粒之间的粘聚力几乎没有，抗拉强度极低，因此受外界因素作用容易直接造成溃坝。一旦溃坝，其具有的巨大势能会对下游居民生命、财产及环境造成严重的危害。尾矿坝溃坝是由内外因素共同作用，经过一定时间的累积效应下发生的，因此有必要对坝体安全进行实时监测，从而有时间采取相应措施来防止事故发生。坝体位移监测：坝体位移是灾害演化过程中的直观反映指标，根据监测点的位置分为坝体表面和内部位移监测。坝体表面变形常用手段有全站仪和GPS监测技术，该方法首先是在坝体关键位置设置固定监测基准点网，然后通过仪器定期对监测点网高程和位置进行监测，通过监测数据来推断尾矿坝坝体变形发展情况。但是该监测方法存在以下缺点：监测点的布置方式如何确定没有明确规范；监测点坐标的变化量多大尾矿坝坝体才会溃坝也没有明确规范；易受地理气候环境影响从而监测精度下降。坝体内部变形常用手段有倾斜仪、沉降仪等，常常是在坝体最高处、地基地形地质变化较大处等关键部位埋置监测仪器，倾斜仪通过仪器测量滑轮的倾斜长度及角度计算坝体水平位移，沉降仪通过水柱压力作用传感器上，然后通过计算压力变化值推算水柱高程，得出坝体沉降高程。该方法存在以下缺点：传感器的间距(标距)和埋置深度没有明确的规范；监测手段都只是对监测点进行单项指标监测；位移量溃坝指标也没有明确的规范标准。以上两种监测方法都是从坝体位移出发，只能描述出坝体的宏观破坏趋势，无法对坝体内部的破坏演化过程进行微观描述。坝体浸润线监测：渗流监测是坝体安全监测的重要项目之一，获得准确的渗流监测数据，是对坝体安全评估及分析的前提。振弦式渗压计因其结构简单、性能稳定的特点被广泛应用。该方法是将渗压计传感器埋置于坝体水位线以下，通过传感器测量的单孔水压力信息，然后进行数值模拟公式计算出各个测点的水位，最后根据整个剖面的水位情况拟合出整个浸润线变化趋势。该方法测量存在两方面误差：一方面是测量参数产生的误差，另一方面是仪器本身产生的误差。测量参数误差包括传感器安装深度的测量误差；尾矿水的密度取值误差、重力加速度取值误差；其中传感器安装深度一般是人工采用皮尺进行测量的，因此由于测量人员的技术、电缆的弯曲变形、皮尺刻度变形等原因会导致该指标测量误差较大；当前大部分尾矿库尾矿水密度均取固定值1×103kg/m3,而实际情况是测压管中尾矿水的密度由于水温、重金属离子、泥土颗粒等影响，其值一般大于1；重力加速度取值绝大部分尾矿库都取9.8m/s2,而根据不同纬度、不同海拔高度该值是不同的。仪器本身误差包括温度影响、气压补偿设备的精度、钢弦本身的长期稳定性等，其中温度影响为主要原因。除此之外，监测断面数量及监测断面监测点的数量也没有明确规范标准，数量过多会造成人工、成本增高、数量过少会造成监测结果可信度不高。视频监测：改法主要是取代人工坝区日常巡检，通常在坝体、排洪口、摊顶放矿处、坝体下游坡等重要位置设置视频监控装置，通过现场摄像机数据传输系统，在主控制及能够高清地观察尾矿坝的运行情况。该法存在：视频传输受通信信号限制；监控室需具备大容量硬盘服务器；受外部干扰易造成视频质量不佳。实践证明：尾矿坝滑移溃坝过程有声学信号产生，但由于产生的信号小，在坝体内部传播衰减大，且不便于传感器探头安装等原因，声学技术一直未被应用于尾矿坝坝体安全监测。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法，不仅能通过分析研究接收的弯曲导波信号，来确定坝体内部的变化特性，从而达到对尾矿坝坝体进行安全监测的目的，具备人工成本低、全天候自动监测、监测方法操作简单易行、数据分析简单、误差因素少探测精度较高的优点。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法，所述方法包括：步骤1：根据《尾矿库安全监测技术规范》(AQ2030-2010)和《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)相关规定，在充分分析已有工程资料及进行地质测绘调查的基础上，沿堆积坝跨度方向确定监测点位置；步骤2：在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列；1)在所述监测点位置钻孔预埋PVC管，所述PVC管外套设有透水性土工布，所述PVC管与所述堆积坝坝顶表面垂直，所述PVC管孔径为75mm，深度为10-20m；2)波导杆的选择：所述波导杆选用304不锈钢圆钢，所述波导杆的直径选择为20mm，密度为7.93g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，所述波导杆长度为L杆＝L孔+0.5，L孔为坝顶面与初期坝顶面的垂直距离，单位：m；3)确定波导杆的根数N：根据《尾矿库安全监测技术规范》及《岩土工程监测规范》要求，监测点间距S为5m-15m，因不同的地质条件选择不同的孔间距，即确定波导杆根数N；4)将所述波导杆放置于所述PVC管的中心位置，沿所述PVC管底部开始，在所述波导杆与PVC管壁间填充钢珠，所述钢珠的直径选择为8mm，密度为7.93g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，钢珠从初期坝顶面水平高度一直填充至孔口；5)所述孔口用橡胶塞塞紧，防止外部噪音干扰，堵塞长度为0.1m，然后将所述PVC管拔出；步骤3：弯曲导波传感器的安装；所述波导杆在地表露出0.5m，侧部安装弯曲导波传感器，并用金属保护罩罩住所述弯曲导波传感器，前置放大器采用AE2A型号；步骤4：建立信号采集基站；所述前置放大器连接到SensorHighwayⅡ监测系统，该系统有太阳能蓄电池供电，并在尾矿坝附近稳固部位建立信号采集基站；步骤5：信号采集；正常工况下，工作人员每两天到所述信号采集基站采集一次数据，降雨或外部作业干扰下，每天到信号采集基站采集一次数据；在极端天气或强烈外部作业扰动下，间隔一小时到信号采集基站采集一次数据；步骤6：分析处理数据；1)将采集的声波电信号通过上位机的信号处理模块进行放大和滤波处理，把声波电压信号进行模数转换，生成数据，并对所述的数据进行运算处理后发送给上位机的中央处理器；2)所述上位机的中央处理器根据所述处理后的数据绘制导波信号动态波形图，利用时域波形的特征参数分析法对所述导波信号动态波形图提取弯曲导波振铃计数特征参数，弯曲导波能量特征参数、弯曲导波分形维数特征参数和弯曲导波b值特征参数；3)将弯曲导波振铃计数特征参数、弯曲导波能量特征参数、弯曲导波分形维数特征参数和弯曲导波b值特征参数输入到上位机的Matlab软件进行仿真，得到弯曲导波振铃计数-时间分布图、弯曲导波能量-时间分布图、弯曲导波信号分形维数-时间曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：根据《尾矿库安全监测技术规范》(AQ2030‑2010)和《尾矿库安全技术规程》(AQ2006‑2005)相关规定，在充分分析已有工程资料及进行地质测绘调查的基础上，沿堆积坝跨度方向确定监测点位置；步骤2：在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列；1)在所述监测点位置钻孔预埋PVC管，所述PVC管外套设有透水性土工布，所述PVC管与所述堆积坝坝顶表面垂直，所述PVC管孔径为75mm，深度为10‑20m；2)波导杆的选择：所述波导杆选用304不锈钢圆钢，所述波导杆的直径选择为20mm，密度为7.93g/cm

【技术特征摘要】
1.一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：根据《尾矿库安全监测技术规范》(AQ2030-2010)和《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)相关规定，在充分分析已有工程资料及进行地质测绘调查的基础上，沿堆积坝跨度方向确定监测点位置；步骤2：在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列；1)在所述监测点位置钻孔预埋PVC管，所述PVC管外套设有透水性土工布，所述PVC管与所述堆积坝坝顶表面垂直，所述PVC管孔径为75mm，深度为10-20m；2)波导杆的选择：所述波导杆选用304不锈钢圆钢，所述波导杆的直径选择为20mm，密度为7.93g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，所述波导杆长度为L杆＝L孔+0.5，L孔为坝顶面与初期坝顶面的垂直距离，单位：m；3)确定波导杆的根数N：根据《尾矿库安全监测技术规范》及《岩土工程监测规范》要求，监测点间距S为5m-15m，因不同的地质条件选择不同的孔间距，即确定波导杆根数N；4)将所述波导杆放置于所述PVC管的中心位置，沿所述PVC管底部开始，在所述波导杆与PVC管壁间填充钢珠，所述钢珠的直径选择为8mm，密度为7.93g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，钢珠从初期坝顶面水平高度一直填充至孔口；5)所述孔口用橡胶塞塞紧，防止外部噪音干扰，堵塞长度为0.1m，然后将所述PVC管拔出；步骤3：弯曲导波传感器的安装；所述波导杆在地表露出0.5m，侧部安装弯曲导波传感器，并用金属保护罩罩住所述弯曲导波传感器，前置放大器采用AE2A型号；步骤4：建立信号采集基站；所述前置放大器连接到SensorHighwayⅡ监测系统，该系统有太阳能蓄电池供电，并在尾矿坝附近稳固部位建立信号采集基站；步骤5：信号采集；正常工况下，工作人员每两天到所述信号采集基站采集一次数据，降雨或外部作业干扰下，每天到信号采集基站采集一次数据；在极端天气或强烈外部作业扰动下，间隔一小时到信号采集基站采集一次数据；步骤6：分析处理数据；1)将采集的声波电信号通过上位机的信号处理模块进行放大和滤波处理，把声波电压信号进行模数转换，生成数据，并对所述的数据进行运算处理后发送给上位机的中央处理器；2)所述上位机的中央处理器根据所述处理后的数据绘制导波信号动态波形图，利用时域波形的特征参数分析法对所述导波信号动态波形图提取弯曲导波振铃计数特征参数，弯曲导波能量特征参数、弯曲导波分形维数特征参数和弯曲导波b值特征参数；3)将弯曲导波振铃计数特征参数、弯曲导波能量特征参数、弯曲导波分形维数特征参数和弯曲导波b值特征参数输入到上位机的Matlab软件进行仿真，得到弯曲导波振铃计数-时间分布图、弯曲导波能量-时间分布图、弯曲导波信号分形维数-时间曲线图和弯曲导波信号b值-时间曲线图，从而对坝体所处的稳定状态进行判断。2.根据权利要求1所述的用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法，其特征在于，所述步骤2中波导杆的直径选择为20mm，具体包括：1)频散分析弯曲导波在波导杆中传播时，满足公式(1)J1(αr1)J12(βr1)(y1ξα2+y2ξαξβ+y3ξβ+y4ξα+y5)＝0(1)式中：y1＝2(β2r12-kr12)2y2＝2β2r14(5k2+β2)y3＝(β6-2β4k2+β2k4)r16-(10β4-2β2k2+4k4)r14y4＝2β2r14(2β2k2r12-β2-9k2)y5＝β2r14[-(β4+2β2k2+k2)r12+(8β2+8k2)]ξx＝xJ0(x)/J1(x)k为行波方向的波数，ω为波的圆频率，J0(x)和J1(x)分别为零阶和一阶的第一类Bessel函数，cp和cs分别为波导杆的纵波和横波波速，λ和μ分别为自由304钢波导杆的拉梅常数，r1为波导杆半径；2)根据公式(...

【专利技术属性】
技术研发人员：何文，林凤翻，赵奎，李深海，张春雷，聂闻，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36