【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大坝安全监测，特别是一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统及方法。
技术介绍
1、拱坝在正常运行条件下，坝体变形及应力状态受静水压力、扬压力、温度作用影响最为显著。其中，静水压力是作用于坝体上的最主要的荷载，主要由拱、梁系统共同承担；扬压力引起的应力在总应力中约占5%，而在坝肩边坡岩体抗滑稳定分析时，必须计入渗透水压力的不利影响；水压力和温度变化共同引起的径向总变形中，后者约占1/3～1/2，在靠近坝顶部分，温度变化的影响更为显著。且拱坝属于高次超静定结构，当外荷载增大时，坝体的拱和梁作用将会自行调整，使坝体应力重新分配，坝体传递至坝肩的推力也将发生调整，坝肩边坡岩体将产生变形和应力状态的重新调整，直至坝体与坝肩边坡岩体变形达到平衡，这一过程被称为拱坝与坝肩边坡的相互作用，当外部荷载条件发生变化时，此相互作用将会再次发生，其变形及应力状态将再次重新调整，实际上为动态的调整过程，所以有必要建立拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，实时掌握相互作用规律，提升工程安全管理水平。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：解决上述
技术介绍
中存在的问题，提供一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统及方法，能系统性收集拱坝以及两岸坝肩边坡的各项监测数据，并实时传输至安全监测系统中，达到精准掌握拱坝及坝肩边坡相互作用的动态过程，提高拱坝安全监测的效率。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，它包括，
4、收集模块，所述收集模块用于收集、汇总、分类来自监测模块的监测信息，并将收集的监测信息通过网络或者线缆传输至处理模块；
5、处理模块，所述处理模块包括用于反映拱坝与坝肩边坡应力应变以及坝体温度变化的监测系统、对拱坝应力应变进行预测的变形预测系统以及判断拱坝是否安全的安全评估系统，变形预测系统通过监测系统的数据对拱坝变形进行预测，安全评估系统通过将变形预测系统所预测的结果与根据拱坝设计资料所设定的拱坝安全预警阈值进行比对，判断拱坝是否安全。
6、所述监测模块包括预设的多个光纤传感阵列，光纤传感阵列包括位于拱坝上的坝体光纤传感阵列，以及位于坝肩边坡上的坝肩边坡传感阵列；所述坝体光纤传感阵列分布在拱坝的坝基、拱坝顶部以及坝体中部区域，坝肩边坡传感阵列分布在坝肩边坡与拱坝相接触的区域；所述拱坝上安装有用于采集水位的雷达水位计，雷达水位计设置于拱坝的坝顶处，与迎水面坝脚在同一铅锤面上。
7、所述坝体光纤传感阵列包括多个坝体位移传感器、多个坝体应力传感器以及多个坝体温度传感器；所述坝肩边坡传感阵列包括多个坝肩边坡位移传感器和多个坝肩边坡应力传感器。
8、所述收集模块包括坝体光纤光栅调节仪以及坝肩边坡光纤光栅调节仪，坝体光纤光栅调节仪用于接收、解析坝体光纤传感阵列中各个传感器采集的参数数据，坝肩边坡光纤光栅调节仪用于接收、解析坝肩边坡传感阵列中各个传感器采集的参数数据，坝体光纤光栅调节仪和坝肩边坡光纤光栅调节仪与合路光纤光栅调节仪通讯连接，合路光纤光栅调节仪与处理模块通讯连接。
9、所述监测系统包括用于存储数据的数据库、用于处理数据的数据分析模块，以及用于反映拱坝与坝肩边坡应力应变以及坝体温度变化的三维模型。
10、所述变形预测系统是基于cnn-bilstm模型所构建一种预测系统，cnn-bilstm模型为cnn卷积神经网络与bilstm双向长短期记忆网络相结合。
11、一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测的方法，采用了所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，方法包括以下步骤：
12、s1. 监测模块采集坝肩边坡、拱坝以及拱坝内水位的监测信息，并将监测信息传输给收集模块；其中，坝肩边坡的监测信息包括坝肩边坡的水平位移、垂直位移以及坝肩边坡应力信息，拱坝的监测信息包括拱坝的水平位移、垂直位移、坝体应力以及坝体温度信息，拱坝内水位的监测信息包括拱坝内水位高度信息以及水位变幅信息；
13、s2. 收集模块将接收的数据汇总、分类后再传输给处理模块；
14、s3. 处理模块中的监测系统接收各项监测数据，并将数据按照具体时刻和监测点的位置进行分类，然后导入进特定的数据库中，数据分析模块再对数据库中的原始数据进行处理和分析，剔除无效错误信息，提取有效信息，最后通过建立的三维模型显示出某个时刻坝肩边坡和拱坝的应力应变情况；
15、s4. 变形预测系统对监测系统处理和分析后的数据进行计算进而对拱坝的变形进行预测；
16、s5. 安全评估系统通过将变形预测系统所预测的结果与根据拱坝设计资料所设定的拱坝安全预警阈值进行比对，判断拱坝是否安全。
17、所述数据分析模块对原始数据处理的具体操作步骤如下：
18、s1. 对监测数据进行多层小波分解，对各个尺度按照选取极大值的方式进行边缘点识别和提取;
19、s2. 由于相邻尺度的变形监测数据边缘点是较为接近或者是重合的，因此需要对监测数据在两个相邻尺度下的边缘特征点进行比对，判断监测数据在两个尺度下是否匹配，若匹配则进行标记，若不匹配则点置为零；
20、s3. 重复上述步骤，由此获得监测数据各层尺度的边缘特征信息；
21、s4. 保留监测数据低频部分的1至2层，以确保拱坝变形的主要趋势信息不丢失，将这些信息与监测数据高频部分多层边缘特征信息合成，最终形成包含有效边缘特征信息的变形监测数据。
22、所述三维模型是计算机在数据分析模块处理之前，根据坝区原始资料，利用三维建模软件所建的拱坝和坝肩边坡模型；模型建成后将实际各个测点的坐标数据导入进模型中，以便每个测点的数据能够准确定位到相应位置，三维模型具有对应的计算程序，通过标记监测点的数据，运算模型整体的应力应变情况，并通过云图显示出来。
23、所述变形预测系统是基于cnn-bilstm模型所构建一种预测系统，cnn-bilstm模型为cnn卷积神经网络与bilstm双向长短期记忆网络相结合；cnn-bilstm模型构建步骤如下：
24、s1. 对拱坝监测数据进行归一化处理；
25、s2. 划分训练集和测试集:创建向量长度分别为训练集长度和测试集长度；
26、s3. 特征提取:将处理好的监测数据输入至cnn卷积神经网络，利用其卷积层提取空间特征；
27、s4. 时序特征提取:将cnn处理后的数据输入到bilstm层，通过训练前向网络和后向网络，拟合数据并提取时间特征；
28、s5.预测输出:将bilstm网络的输出作为全连接层的输入数据，最终输出得到拱坝的变形预测；
29、s6.分析对比:对拱坝变形预测结果进行分析讨论，以验证模型本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：它包括，
2.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述监测模块（100）包括预设的多个光纤传感阵列，光纤传感阵列包括位于拱坝（002）上的坝体光纤传感阵列，以及位于坝肩边坡（001）上的坝肩边坡传感阵列；所述坝体光纤传感阵列分布在拱坝（002）的坝基、拱坝顶部以及坝体中部区域，坝肩边坡传感阵列分布在坝肩边坡（001）与拱坝（002）相接触的区域；所述拱坝（002）上安装有用于采集水位的雷达水位计（120），雷达水位计（120）设置于拱坝（002）的坝顶处，与迎水面坝脚在同一铅锤面上。
3.根据权利要求2所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述坝体光纤传感阵列包括多个坝体位移传感器（111）、多个坝体应力传感器（112）以及多个坝体温度传感器（113）；所述坝肩边坡传感阵列包括多个坝肩边坡位移传感器（121）和多个坝肩边坡应力传感器（122）。
4.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述收集模块（
5.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述监测系统（410）包括用于存储数据的数据库（411）、用于处理数据的数据分析模块（412），以及用于反映拱坝（002）与坝肩边坡（001）应力应变以及坝体温度变化的三维模型（413）。
6.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述变形预测系统（420）是基于CNN-BiLSTM模型所构建一种预测系统，CNN-BiLSTM模型为CNN卷积神经网络与BiLSTM双向长短期记忆网络相结合。
7.一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测的方法，其特征在于：采用了权利要求1-6任意一项所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，方法包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测的方法，其特征在于：所述数据分析模块（412）对原始数据处理的具体操作步骤如下：
9.根据权利要求7所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测的方法，其特征在于：所述三维模型（413）是计算机在数据分析模块（412）处理之前，根据坝区原始资料，利用三维建模软件所建的拱坝（002）和坝肩边坡（001）模型；模型建成后将实际各个测点的坐标数据导入进模型中，以便每个测点的数据能够准确定位到相应位置，三维模型具有对应的计算程序，通过标记监测点的数据，运算模型整体的应力应变情况，并通过云图显示出来。
10.根据权利要求7所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测的方法，其特征在于：所述变形预测系统（420）是基于CNN-BiLSTM模型所构建一种预测系统，CNN-BiLSTM模型为CNN卷积神经网络与BiLSTM双向长短期记忆网络相结合；CNN-BiLSTM模型构建步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：它包括，
2.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述监测模块（100）包括预设的多个光纤传感阵列，光纤传感阵列包括位于拱坝（002）上的坝体光纤传感阵列，以及位于坝肩边坡（001）上的坝肩边坡传感阵列；所述坝体光纤传感阵列分布在拱坝（002）的坝基、拱坝顶部以及坝体中部区域，坝肩边坡传感阵列分布在坝肩边坡（001）与拱坝（002）相接触的区域；所述拱坝（002）上安装有用于采集水位的雷达水位计（120），雷达水位计（120）设置于拱坝（002）的坝顶处，与迎水面坝脚在同一铅锤面上。
3.根据权利要求2所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述坝体光纤传感阵列包括多个坝体位移传感器（111）、多个坝体应力传感器（112）以及多个坝体温度传感器（113）；所述坝肩边坡传感阵列包括多个坝肩边坡位移传感器（121）和多个坝肩边坡应力传感器（122）。
4.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监测系统，其特征在于：所述收集模块（200）包括坝体光纤光栅调节仪（2111）以及坝肩边坡光纤光栅调节仪（2112），坝体光纤光栅调节仪（2111）用于接收、解析坝体光纤传感阵列中各个传感器采集的参数数据，坝肩边坡光纤光栅调节仪（2112）用于接收、解析坝肩边坡传感阵列中各个传感器采集的参数数据，坝体光纤光栅调节仪（2111）和坝肩边坡光纤光栅调节仪（2112）与合路光纤光栅调节仪（211）通讯连接，合路光纤光栅调节仪（211）与处理模块（400）通讯连接。
5.根据权利要求1所述的一种拱坝与坝肩边坡相互作用安全监...
【专利技术属性】
技术研发人员：安文武，张景昱，赵伟，张昺榴，王孔伟，刘战鳌，
申请(专利权)人：中国三峡建工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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