一种堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备的制作方法

1.本实用新型涉及堰塞湖应急监测预警技术领域，更具体地说它是一种堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备。


背景技术：

2.我国是世界上地质灾害最为频发的国家之一，特别是西部高山峡谷地区，地壳变形、地震活动等较为强烈，滑坡、泥石流和崩塌等自然灾害极易导致堆积体堵江而形成堰塞体，坝前水位随着来水的逐渐积累而形成堰塞湖。堰塞湖淹没水位的逐渐抬升会造成巨大的淹没损失，一旦堰塞体溃坝，超标准洪水对下游极易造成灾难性后果。
3.通过对堰塞湖的应急抢险能有效降低潜在灾害和风险，堰塞湖应急抢险时间紧、交通不便、环境恶劣、基础资料匮乏。为了有序消除或规避堰塞湖的潜在风险，根据历史经验和堰塞湖现场实际情况，可以在堰塞体上择机选择合理位置开挖引流槽，有序地引导洪水从引流槽进行下泄，避免突发的或不可控的溃决对下游造成巨大灾害。例如，2018年白格滑坡两次堵塞金沙江形成堰塞湖，通过择机在堰塞体上开挖引流槽引导洪水有序下泄，能有效且大幅度降低下游灾害。
4.引流槽随着洪水的逐渐冲刷，含有大量砂砾或块石的水流流向下游河道，引流槽底部和槽坡会被严重冲刷，导致槽底高程逐渐下降，槽坡逐渐向两岸扩张。随着流量和流速的逐渐增大，会进一步加剧引流槽的冲刷。及时有效地获取引流槽现场槽底和槽坡形状动态变化的真实第一手数据，对于掌握堰塞体泄流状态和进度、评价堰塞湖安全性态、进行科学分析和研究、指导现场应急抢险、保护下游人民生命财产安全等具有多方面的重要意义。
5.然而，目前对于堰塞体引流槽动态冲刷变形演进过程没有有效且实用的应急监测装备，无法及时获取引流槽槽底和槽坡的冲刷变形演进过程，无法为水力耦合仿真分析、洪水演进计算、溃决机理分析等提供现场的关键参数，难以为现场的应急抢险和科学决策提供实时有效的科学依据。
6.因此，开发一种用于堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急监测装置很有必要。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是为了提供一种堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备，该装备在引流槽开始泄流之前进行布置和安装，在引流槽被冲刷导致底部下降和槽坡向两岸扩张过程中，对引流槽动态冲刷变形演化过程进行实时监测。
8.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备，其特征在于：包括阵列位移计、锚、固定桩、综合采集器、蓄电池和电脑；
9.阵列位移计位于引流槽底部；
10.阵列位移计分别与锚、固定桩连接；
11.综合采集器分别与阵列位移计、蓄电池、电脑连接。
12.在上述技术方案中，阵列位移计包括硬管、软管和加速度传感器；加速度传感器安装在硬管内部；
13.硬管有多节；相邻二节硬管之间通过软管进行柔性连接。
14.在上述技术方案中，硬管的长度为0.3m或0.5m或1.0m。
15.在上述技术方案中，二个铅条安装在单个硬管外侧，夹具套在二个铅条外周；
16.铅条的横截面为同心双半圆；
17.铅条的内半径与硬管的外半径相等。
18.在上述技术方案中，阵列位移计包括顺流向阵列位移计和垂直流向阵列位移计；
19.顺流向阵列位移计位于引流槽底部；
20.垂直流向阵列位移计位于引流槽底部横断面。
21.在上述技术方案中，顺流向阵列位移计上游端与锚通过索链连接；
22.垂直流向阵列位移计与锚通过斜拉索连接；
23.固定桩包括固定端固定桩和活动端固定桩；
24.固定端固定桩和活动端固定桩分别安装于堰塞体两岸、且位于引流槽外侧；
25.垂直流向阵列位移计的固定端与固定端固定桩连接、活动端与活动端固定桩连接。
26.在上述技术方案中，综合采集器与蓄电池通过电缆连接；综合采集器与电脑通过电缆连接。
27.在上述技术方案中，综合采集器包括第一综合采集器和第二综合采集器；
28.蓄电池包括第一蓄电池和第二蓄电池；
29.电缆包括第一电缆和第二电缆；其中，第一电缆为钢丝铠甲电缆；第二电缆为常规电缆；
30.第一综合采集器通过第二电缆分别与活动端固定桩、第一蓄电池连接；电脑为便携式电脑；
31.第二综合采集器通过第二电缆分别与第二蓄电池连接；第二综合采集器通过第一电缆与顺流向阵列位移计上游端连接。
32.本实用新型的有益效果如下：
33.(1)本实用新型结合阵列位移计、加速度传感器、综合采集器、蓄电池和电脑，能实现堰塞体槽底和槽坡冲刷变形演进过程的自动化监测，为堰塞湖应急抢险中计算分析和研判决策等提供现场引流槽关键参数，突破目前堰塞体应急抢险中引流槽槽底和槽坡动态变形难以应急测量的壁垒；
34.(2)可以实现引流槽冲刷变形的自动化监测，监测频率高、自动化程度高，大幅度降低人工测量或其它测量方式的观测成本，有效规避人工测量的危险性；
35.(3)可以实现堰塞体槽底和槽坡的接触式动态变形监测，确保了观测成果的可靠性和观测精度。
36.本实用新型基于柔性阵列位移计对引流槽动态非规则变形的感测功能，结合附重铅条的沉底功能、锚对阵列位移计端头的锚固功能、固定桩的辅助安装作用、钢丝铠甲电缆的保护作用、综合采集器采集和存储功能等，实现了引流槽动态冲刷变形的自动化应急监测，突破了目前堰塞体应急抢险中引流槽槽底和槽坡动态变形难以应急测量的技术壁垒。
附图说明
37.图1为本实用新型优选实施例的堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备应用在堰塞体应急监测的示意图。
38.图2为图1中的堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备中阵列位移计的结构原理示意图。
39.图3为图2的a处放大图。
40.图4为图1中顺流向阵列位移计的结构和工作原理示意图。
41.图5为图1中垂直流向阵列位移计的结构和工作原理示意图。
42.图6为本实用新型中的阵列位移计的硬管外周设置铅条的爆炸图。
43.图7为本实用新型中的铅条的侧视图。
44.图8为本实用新型中的阵列位移计外周安装铅条、且铅条外周通过夹具夹紧的剖视图。
45.图9为本实用新型实施例中堰塞体引流槽泄流前堰塞体影像和阵列位移计布置情况图。
46.图10为图9的a处放大图。
47.图11为本实用新型实施例中堰塞体引流槽冲刷实景及阵列位移计动态测量过程图。
48.图12为本实用新型实施例中由现场顺流向阵列位移计实时观测的堰塞体引流槽顺流向槽底动态演化过程图。
49.图1中，g1表示堰塞坝；g2表示水体流向；g3表示下游；g4表示引流槽；g5表示堰塞体一侧边坡；g6表示上游；g7表示堰塞湖；g8表示堰塞体另一侧边坡。
50.图4中，a表示上游；b表示下游；c表示引流槽槽内洪水溢流面；d表示引流槽槽底底面；e表示堰塞湖；f表示水体流向。
51.图8中，硬管内部设置加速度传感器、外部设置铅条，二个铅条通过夹具夹紧固定在硬管外周。
52.图9中，b表示加重块；c表示堰塞湖；g表示引流槽。
53.图10中，b表示加重块；c表示堰塞湖。
54.图11中，左上图中的c表示堰塞湖；d表示上游；e表示下游；右上图中的c表示堰塞湖；d表示上游；e表示下游；左下图中的c表示堰塞湖；d表示上游；e表示下游；右下图中的c表示堰塞湖；d表示上游；e表示下游。
55.图12中，左上图、右上图、左下图和右下图中均设置x和z；其中，左上图、右上图、左下图和右下图中的x均表示顺流向阵列位移计各处相对于顺流向阵列位移计上游端的长度(单位：m)；左上图、右上图、左下图和右下图中的z均表示：相对于顺流向阵列位移计上游端，引流槽槽底各处在铅直方向上的相对变形(单位：mm)。
56.图中10
‑
顺流向阵列位移计，20
‑
垂直流向阵列位移计，25
‑
索链，30
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锚，35
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斜拉索，40
‑
固定端固定桩，50
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活动端固定桩，55
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第一电缆，11
‑
硬管，12
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软管，13
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加速度传感器，14
‑
铅条，15
‑
夹具，60
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第一综合采集器，70
‑
第一蓄电池，80
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电脑，85
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第二电缆，90
‑
第二综合采集器，95
‑
第二蓄电池，a
‑
阵列位移计，b
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固定桩，c
‑
综合采集器，d
‑
蓄电池，e
‑
电缆。
具体实施方式
57.下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。
58.参阅附图可知：一种堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备，包括阵列位移计a、锚30、固定桩b、综合采集器c、蓄电池d和电脑80；
59.顺流向和垂直流向的阵列位移计a位于引流槽底部；
60.顺流向和垂直流向的阵列位移计a分别与锚30、固定桩b连接；
61.斜拉索与垂直流向的阵列位移计a以及锚连接；
62.综合采集器c分别与阵列位移计a、蓄电池d、电脑80连接(如图1所示)。
63.进一步地，阵列位移计a包括顺流向阵列位移计10和垂直流向阵列位移计20；
64.顺流向阵列位移计10位于引流槽底部中部；
65.垂直流向阵列位移计20位于引流槽底部横断面；
66.斜拉索与垂直流向阵列位移计上的绑扎点以及锚连接，具体连接方式为：斜拉索的一端与垂直流向阵列位移计上的多个绑扎点连接、另一端与锚连接；
67.其中，垂直流向阵列位移计上的绑扎点有多个；锚有一个；斜拉索有多条；每条斜拉索的一端分别与一个绑扎点连接、另一端均连接在锚上；
68.引流槽开始泄流前，顺流向阵列位移计10与垂直流向阵列位移计20呈垂直设置(如图1、图4、图5所示)。
69.进一步地，顺流向阵列位移计10和垂直流向阵列位移计20均是由多个单节长度为0.3m、0.5m或1.0m的硬管11、软管12、加速度传感器13组成(如图3所示，图3中，单节硬管11的长度为0.3m、0.5m或1.0m，直径为18mm；软管的直径为20mm；硬管11和软管12的尺寸可以根据实际需求进行调整)；加速度传感器13安装在硬管11内部(即硬管11为中空结构；加速度传感器13安装在硬管11的中空结构内)，每一个硬管11中内置一个加速度传感器13，用于感知空间x、y、z三个方向的重力加速度分量；
70.硬管11有多节；相邻二节硬管11之间通过软管12进行柔性连接(如图1、图2、图3、图6所示)，以保证硬管相对于相邻软管能自由变化角度；结合每支加速度传感器13的加速度分量和单节长度，可得到顺流向阵列位移计10和垂直流向阵列位移计20沿线每一节的变形。
71.进一步地，硬管11的长度为0.3m或0.5m或1.0m。
72.进一步地，每一节硬管11外均牢固安装两个铅条14，单个铅条14的横截面为同心双半圆(如图6、图7、图8所示)；
73.铅条14的内半径与硬管11的外半径相等，每两个铅条14包裹一节硬管11；夹具15套在二个铅条14外周，通过拧紧夹具15将铅条14牢固安装在硬管11上(如图8所示)，以增加硬管11的附重，从而增加阵列位移计10与引流槽槽底的摩擦力。
74.进一步地，顺流向阵列位移计10上游端与锚30通过索链25连接(如图1、图4所示)；在引流槽泄水之前借助可充放气船只，由人携带锚30并乘坐充气后的船只，选择堰塞体引流槽上游侧堰塞湖合适位置，将锚30抛入湖中；锚30在自重和水流作用等共同作用下，牢固锚固在湖底，避免顺利向阵列位移计20在后续测量过程中被高速水流冲走；
75.固定端固定桩40和活动端固定桩50分别安装于堰塞体两岸、且位于引流槽范围
外；在堰塞体两岸且在引流槽范围外的稳固处各安装一个固定桩b，固定桩b采用钢棒或槽钢，借助铁锤或铁铲等将两个固定桩b安装在堰塞体两岸稳固处；二个固定桩b分别为固定端固定桩40和活动端固定桩50(如图1所示)；
76.垂直流向阵列位移计20的固定端与固定端固定桩40通过索链牢固连接，该端称为固定端；垂直流向阵列位移计20的活动端与活动端固定桩50连接(即呈活动连接状态)，以方便阵列位移计随引流槽冲刷而下沉变形，该端称为活动端(如图1、图5所示)。
77.进一步地，综合采集器c与蓄电池d通过电缆e连接；综合采集器c与电脑80通过电缆e连接；堰塞体岸上稳定处安置综合采集器c、蓄电池d、电脑80；顺流向阵列位移计10在工作过程中处于水底，顺流向阵列位移计10上游端与堰塞体岸上的一台综合采集器(即第一综合采集器60)通过钢丝铠甲电缆连接，以保证钢丝铠甲电缆在高速携砂砾或块石洪水作用下不被冲断；垂直流向阵列位移计20两端处于两岸水面以上的稳固处，垂直流向阵列位移计20的活动端端头与另一台综合采集器(即第二综合采集器90)通过常规电缆连接；蓄电池d对相邻的综合采集器c进行供电(如图1、图4、图5所示)。
78.进一步地，综合采集器c包括第一综合采集器60和第二综合采集器90；
79.蓄电池d包括第一蓄电池70和第二蓄电池95；
80.电缆e包括第一电缆55和第二电缆85；其中，第一电缆55为钢丝铠甲电缆；第二电缆85为常规电缆；
81.第一综合采集器60通过第二电缆85分别与活动端固定桩50、第一蓄电池70连接；电脑80为便携式电脑；
82.第二综合采集器90通过第二电缆85分别与第二蓄电池95连接；第二综合采集器90通过第一电缆55与顺流向阵列位移计10上游端连接(如图1、图4、图5所示)；
83.根据现场移动通讯网络覆盖实际情况，综合采集器和便携式电脑之间可采用有线或4g无线方式进行通讯；即：当堰塞湖发生地现场有4g网络时，第一综合采集器60和第二综合采集器90与电脑80之间通过无线进行通讯，通过4g网络将综合采集器采集的数据回传至云平台，实现实时查看；当堰塞湖发生地现场无4g网络时，第一综合采集器60和第二综合采集器90与电脑80之间通过第二电缆85进行连接，电脑配备单机软件实现监测数据的实时查看和存储；同时，综合采集器也具备数据实时存储功能。
84.所述的堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化应急测量装备的测量方法，包括如下步骤：
85.步骤a：根据堰塞湖应急抢险指挥部领导和专家等根据现场实际情况和分析研判等确定的开挖引流槽的位置，在引流槽准备泄水之前，提前将固定端固定桩40和活动端固定桩50分别安装于堰塞体两岸且在引流槽范围外稳固的堆积体上(如图1所示)；
86.将铅条14安装于顺流向阵列位移计10和垂直流向阵列位移计20的每节硬管11上，并将顺流向阵列位移计10与锚30通过索链25进行牢固连接(如图2、图3、图6、图7、图8所示)；
87.步骤b：在引流槽完成起始形状开挖后且在引流槽准备泄水之前，将装配有铅条14的顺流向阵列位移计10顺流向放置于处于初始状态的引流槽底部中心线位置；将垂直流向阵列位移计20放置于堰塞体上游侧坝顶面上(如图1、图9、图10所示)；
88.步骤c：将顺流向阵列位移计上游端通过索链连接锚，将垂直流向位移计上绑扎点
通过斜拉索连接锚，将阵列位移计配重并将锚抛入湖中；具体为：根据实际堰塞体规模和形态特性，在垂直流向阵列位移计20上按照一定间距选择若干绑扎点，总体上绑扎点相对于引流槽中心轴对称，将各绑扎点与锚30逐一通过斜拉索35进行连接；由人携带锚30乘坐已充气的船只划至湖面，在引流槽上游侧湖面合适将锚30抛入水中，锚30在自重和后续水流的作用下，将牢固锚固于引流槽上游侧的湖底；与此同时，将装配有铅条14的垂直流向阵列位移计20放置于堰塞体上游侧坝顶面上，垂直流向阵列位移计20一端与固定端固定桩40牢固连接，该端称为固定端；垂直流向阵列位移计20的另一端与对岸的活动端固定桩50之间呈活动连接状态，以方便阵列位移计20随引流槽冲刷而下沉变形，该端称为活动端；
89.步骤d：在引流槽准备泄水之前，在活动端固定桩50所在岸坡稳固位置安置第一综合采集器60、第一蓄电池70和电脑80；顺流向阵列位移计10上游端与综合采集器90通过钢丝铠甲电缆55连接，垂直流向阵列位移计20的活动端端头与第一综合采集器60之间通过第二电缆85连接；第一蓄电池70与相邻第一综合采集器60通过第二电缆85连接；
90.步骤e：上述步骤完成了堰塞体引流槽动态冲刷变形自动化监测装备的安装和集成，在引流槽正式泄水之前，在电脑80上对第一综合采集器60和第二综合采集器90发出采集指令，对该自动化系统进行测试，以保证系统的正常运行(如图1、图9、图10所示)；在确定系统正常后，设置系统的采集频率，如1hz；
91.步骤f：引流槽在洪水通过后，随着洪水的不断冲刷，引流槽槽底高程不断下降，引流槽槽坡向两岸扩张(如图11所示)；由于本方案采用的锚固设计、斜拉索设计、铅条配重设计、固定桩设计等，顺流向阵列位移计10会自动随着引流槽槽底的冲刷而始终与槽底柔性贴合，垂直流向阵列位移计20会自动随着引流槽横断面的冲刷而始终与横断面良好贴合；实现堰塞体槽底和槽坡的接触式动态变形监测，确保了观测成果的可靠性和观测精度；又由于本方案采用的自动化系统和设备，实现对引流槽动态冲刷变形演进过程的自动化实时监测。
92.进一步地，在所述步骤d中，在现场具备4g信号时，第一综合采集器60和第二综合采集器90与便携式电脑80之间均通过无线进行通讯；
93.在现场不具备4g时，第一综合采集器60和第二综合采集器90与便携式电脑80之间均通过第二电缆85进行连接。
94.进一步地，在所述步骤e中，所述第一综合采集器60、第二综合采集器90和电脑80按照实际需求以一定的采集频率(如1hz)同时自动采集和记录顺流向阵列位移计10和垂直流向阵列位移计20获取的引流槽动态冲刷变形数据(如图11、图12所示)；实现引流槽冲刷变形的自动化监测，监测频率高、自动化程度高，大幅度降低人工测量或其它方法的观测成本，有效规避人工测量的危险性。
95.验证实例
96.现将本实用新型应用于某省绵竹市天池乡野外堰塞体试验场的引流槽监测项目中进行验证试验。
97.与现有监测方式相比，本实用新型实现了引流槽冲刷变形的自动化监测，且实现了堰塞体槽底和槽坡的接触式动态变形监测。监测频率高，现场采集频率为1hz，能有效捕捉引流槽的快速动态演化过程；自动化程度高，无需人工观测，监测系统实时动态采集、计算、存储和展示引流槽演化过程，大幅度降低人工测量或其它测量方式的观测成本，有效规
避人工测量的危险性；由于斜拉索设计、锚固设计、配重设计，阵列位移计能实时贴合槽底和槽坡，结合阵列位移计毫米级的精度，共同确保了观测成果的可靠性和观测精度。在引流槽开始泄流之前，堰塞体的影像和阵列位移计的布置情况如图9、图10所示；引流槽开始泄流之后，堰塞体的影像和阵列位移计的布置情况如图11所示。
98.图11中的左上图的水体流速小于图11中的右上图的水体流速；图11中的右上图的水体流速小于图11中的左下图的水体流速；图11中的左下图的水体流速小于图11中的右下图的水体流速；且图11中的左上图的引流槽冲刷程度小于右上图、右上图的引流槽冲刷程度小于左下图、左下图的引流槽冲刷程度小于右下图。
99.图12中的左上图对应图11的左上图；图12中的右上图对应图11中的右上图；图12中的左下图对应图11中的左下图；图12中的右下图对应图11中的右下图；即图12中的左上图、右上图、左下图和右下图分别对应展示图11中的左上图、右上图、左下图和右下图的引流槽槽底和槽坡的动态冲刷变形情况。
100.由无人机航拍的影像图(图11)可以看出：随着引流槽被水流逐渐冲刷，顺流向和垂直流向阵列位移计均能很好地贴合引流槽的槽底和槽坡，并随着引流槽的冲刷实时测量引流槽垂直流向的槽底变形。
101.现场在连接好各设备后，顺流向和垂直流向阵列位移计的数据采集频率为1次/秒，在没有网络覆盖的情况下，电脑中软件能实时采集、计算和存储数据，实时展示引流槽槽底和槽坡的动态冲刷变形情况(如11所示，图12可以看出现场堰塞体冲刷过程中，电脑软件实时动态展示的引流槽顺流向槽底的动态演化过程)。图12中实时观测的引流槽顺流向槽底的动态变形情况，符合图11中堰塞体引流槽实时的实际冲刷情况；图12中的实时动态观测成果符合现场实时的实际冲刷变形情况，符合堰塞体冲刷过程机理，图12中实时动态观测成果合理。从图11、图12中可以看出，随着冲刷历时的增长，引流槽槽底深度逐渐加深。
102.其它未说明的部分均属于现有技术。