详情

原文传递一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法

专利名称：	一种用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法
摘要：	本发明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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江西;36
申请人：	江西理工大学
发明人：	何文;林凤翻;赵奎;李深海;张春雷;聂闻
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910541712.7
公开号：	CN110243946A
代理机构：	北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	李兴林
分类号：	G01N29/11(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	341000 江西省赣州市红旗大道86号
主权项：	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Sensor Highway Ⅱ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)2 y2＝2β2r14(5k2+β2) y3＝(β6-2β4k2+β2k4)r16-(10β4-2β2k2+4k4)r14 y4＝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(1)分别绘制直径为14mm、16mm、18mm和20mm的波导杆的弯曲导波传播的衰减曲线，通过对比衰减曲线的变化规律，选取衰减最小的直径为20mm的波导杆作为最优波导杆监测直径。 3.根据权利要求2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，所述钢珠的直径选择为8mm，具体包括： 1)将选取所述最优直径20mm的波导杆分别与直径为6mm、8mm、10mm、12mm的钢珠进行组合，并绘制不同组合下的主频信号衰减分布规律图； 2)根据所述不同组合下的主频信号衰减分布规律图，选取主频信号集中且衰减小的组合所对应的直径为8mm的钢珠作为最优钢珠监测直径。 4.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6中：(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，具体包括：当坝体处于滑移期之前时，所述弯曲导波振铃计数呈上升趋势，当坝体处于滑移期时，所述弯曲导波振铃计数处在最大值，当坝体处于滑移至稳定期时，所述弯曲导波振铃计数呈下降趋势；当坝体处于滑移期之前时，所述弯曲导波能量呈上升趋势，当坝体处于滑移期时，所述弯曲导波能量处在最大值，当坝体处于滑移至稳定期时，所述弯曲导波能量呈下降趋势；当坝体处于滑移期之前时，所述弯曲导波分形维数呈上升趋势，当坝体处于滑移期时，所述弯曲导波分形维数处在最大值，当坝体处于滑移至稳定期时，所述弯曲导波分形维数呈下降趋势；当坝体处于滑移期之前时，所述弯曲导波b值呈下降趋势，当坝体处于滑移期时，所述弯曲导波b值处在低值波动变化，当坝体处于滑移至稳定期时，所述弯曲导波b值呈上升趋势。 5.一种基于权利要求1所述的用于尾矿库坝体溃坝预警的弯曲导波监测方法的控制系统，其特征在于，包括PVC管、波导杆、钢珠、弯曲导波传感器、前置放大器、信号采集基站和上位机，所述上位机包括信号处理模块和中央处理器，所述信号采集基站包括SensorHighway Ⅱ监测系统，所述PVC管预埋在监测点位置，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，所述弯曲导波传感器安装在所述波导杆的顶端，所述弯曲导波传感器通过所述前置放大器连接至所述SensorHighway Ⅱ监测系统，所述Sensor Highway Ⅱ监测系统将采集的声波电信号传输给所述信号处理模块进行放大和滤波处理，所述中央处理器根据所述处理后的数据进行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值特征参数的提取，所述中央处理器将提取的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值特征参数输入至所述上位机的Matlab软件绘制出特征参数随时间变化的曲线图。 6.根据权利要求5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，所述导波杆选取的材质为304不锈钢。 7.根据权利要求5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，所述弯曲导波传感器采用的型号为R6α。 8.根据权利要求5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，所述前置放大器采用的型号为AE2A。 9.根据权利要求6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Sensor Highway Ⅱ监测系统包括第一无线传输装置，所述上位机包括第二无线传输装置，所述Sensor Highway Ⅱ监测系统和所述上位机之间通过无线进行连接。 10.根据权利要求9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，所述第一无线传输装置和第二无线传输装置为GPRS模块、Zigbee模块、Wifi模块、NFC通信模块中的一种或几种。
所属类别：	发明专利