本實用新型涉及一種水流誘發(fā)場地振動的監(jiān)測系統(tǒng)，屬于水利水電工程、土木工程技術領域。

背景技術：

高壩大庫工程是水資源綜合利用和水能資源開發(fā)的需要，一直倍受世界各國重視。由于高壩大庫泄洪落差大，高壩泄洪水流引起的水流脈動荷載，作用在泄流結構上，會誘發(fā)泄流結構和地基產(chǎn)生振動，這種振動會由地基向周邊場地傳遞，遇到特殊的場地條件，會對振動產(chǎn)生“放大效應”，而場地上的房屋或其他建筑物又可能會對場地上的振動進行“二次放大”，經(jīng)“多次放大”的場地振動會造成一定的環(huán)境危害，即對建筑物的結構安全和人的身體心理產(chǎn)生的不利影響。國外，俄羅斯Zhigulevskaya水電站1979年宣泄洪水時，曾引起了左岸陶里亞蒂市的場地和房屋強烈振動，甚至在距大壩左岸3km遠處的居民樓也產(chǎn)生了可感的振動，振動使人出現(xiàn)焦慮，頭暈，惡心等現(xiàn)象。國內(nèi)，金沙江溪洛渡水電站曾在主汛期壩身4個深孔開啟泄洪，壩區(qū)下游右岸混凝土拌合系統(tǒng)的制冰樓(為一棟5層鋼結構建筑)發(fā)生了明顯的振動。雅礱江二灘水電站也出現(xiàn)過泄洪引起的下游電廠管理用房明顯振動的現(xiàn)象。金沙江向家壩水電站2012年10月首次下閘蓄水，距離其1.5km的縣城出現(xiàn)了明顯的振動，在較遠處的局部場地振動甚至強于近壩區(qū)的地面振動，振動造成居民樓晃動，引起壩區(qū)和城區(qū)民眾的不安。然而，水流誘發(fā)場地振動涉及振動輸入(泄洪水流)和振動輸出(場地)，振動傳播路徑復雜，目前對于水流誘發(fā)場地振動的監(jiān)測方法手段未見報道，因此，需要建立一種有效地監(jiān)測泄洪水流誘發(fā)場地振動監(jiān)測系統(tǒng)，通過對振動輸入、輸出以及傳播路徑的全過程監(jiān)測，達到及時預測場地振動量級、有效控制場地振動大小、減少場地振動造成的破壞。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提出一種水流誘發(fā)場地振動的監(jiān)測系統(tǒng)，利用合理布置的傳感器采集水流脈動和場地振動信號，通過對信號進行實時分析，判斷場地振動是否由水流引起、得出場地振動傳播路徑、預測場地振動量級等信息，并根據(jù)分析結果，自動判斷水流對場地的影響，發(fā)布預警信息和控制方式信息，以有效控制場地振動現(xiàn)象。

本實用新型提出的水流誘發(fā)場地振動的監(jiān)測系統(tǒng)，包括：多個脈動壓力傳感器、多個振動傳感器、多個數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置和控制機房；所述的控制機房置于下游河道一側的下游場地上，控制機房內(nèi)設置有數(shù)據(jù)采集控制終端、數(shù)據(jù)分析處理終端和報警器；

所述的多個脈動壓力傳感器分別置于壩體下方的泄洪結構中，用于采集不同泄流結構處的水流脈動壓力隨時間變化信號；

所述的多個振動傳感器，分別置于下游河道一側的下游場地的各處，用于采集場地振動隨時間變化信號，并將該信號通過無線裝置發(fā)送至數(shù)據(jù)采集控制終端；

所述的多個數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置，分別置于壩體和下游場地上，用于通過無線網(wǎng)絡接收脈動壓力傳感器和振動傳感器采集的信號，并將該信號通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至機房內(nèi)的數(shù)據(jù)分析采集終端；

所述的數(shù)據(jù)采集控制終端，置于控制機房內(nèi)，用于通過無線網(wǎng)絡控制采集脈動壓力傳感器和振動傳感器的數(shù)據(jù)，并控制數(shù)據(jù)采集時間和數(shù)據(jù)采集方式，數(shù)據(jù)采集方式為設定時間周期自動采集或人工手動采集；

所述的數(shù)據(jù)分析處理終端，置于控制機房內(nèi)，用于對采集信號進行實時分析，得到場地振動強度、場地振動主要振動頻率、泄流結構方式與場地振動關系、泄流結構的合理性和泄流結構的泄流方式合理性，并將分析結果進行顯示和保存；

所述的報警器，置于下有場地控制機房內(nèi)，用于接收數(shù)據(jù)分析處理終端發(fā)出的報警信號，并進行語音提示和動態(tài)仿真圖形顯示，或?qū)⒄Z音提示和動態(tài)仿真圖形通過數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置發(fā)送至監(jiān)測人員的手機上。

本實用新型提出的水流誘發(fā)場地振動的監(jiān)測系統(tǒng)，其優(yōu)點是：本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)，首次通過監(jiān)測振動傳播全過程，即振動輸入端、輸出端以及傳播路徑，建立振源與場地振動的聯(lián)系，實現(xiàn)對場地振動振源進行分析、得出場地振動傳播路徑、預測場地振動量級等信息，并根據(jù)分析結果，自動判斷水流對場地的影響，發(fā)布預警信息和控制方式信息，有效控制場地振動現(xiàn)象。

附圖說明

圖1是本實用新型提出的水流誘發(fā)場地振動智能監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖。

圖2是本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的水流脈動壓力和場地測點振動信號時間-小波能量譜示意圖。

圖3是本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的水流脈動壓力和場地測點振動信號交叉小波變換譜示意圖。

圖1中，圖1中，1壩體，2脈動壓力傳感器，3是泄洪結構，4是數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置，5是下游河道，6是下游場地，7是振動傳感器，8是控制機房，9是山體，10是水庫。

具體實施方式

本實用新型提出的水流誘發(fā)場地振動的監(jiān)測系統(tǒng)，其結構如圖1所示，包括：多個脈動壓力傳感器2、多個振動傳感器7、多個數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置4和控制機房8?？刂茩C房8置于下游河道5一側的下游場地6上，控制機房8內(nèi)設置有數(shù)據(jù)采集控制終端、數(shù)據(jù)分析處理終端和報警器；

所述的多個脈動壓力傳感器2分別置于壩體下方的泄洪結構3中，用于采集不同泄流結構處的水流脈動壓力隨時間變化信號；

所述的多個振動傳感器7，分別置于下游河道5一側的下游場地6的各處，用于采集場地振動隨時間變化信號，并將該信號通過數(shù)據(jù)無線裝置4發(fā)送至控制機房8內(nèi)數(shù)據(jù)采集控制終端；

所述的多個數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置4，分別置于壩體1和下游場地6上，用于通過無線網(wǎng)絡接收脈動壓力傳感器和振動傳感器采集的信號，并將該信號通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至機房內(nèi)的數(shù)據(jù)分析采集終端；

所述的數(shù)據(jù)采集控制終端，置于控制機房內(nèi)，用于通過無線網(wǎng)絡控制采集脈動多個壓力傳感器和多個振動傳感器的數(shù)據(jù)，并控制數(shù)據(jù)采集時間和數(shù)據(jù)采集方式，數(shù)據(jù)采集方式為設定時間周期自動采集或人工手動采集；

所述的數(shù)據(jù)分析處理終端，置于控制機房內(nèi)，用于對采集信號進行實時分析，得到場地振動強度、場地振動主要振動頻率、泄流結構方式與場地振動關系、泄流結構的合理性和泄流結構的泄流方式合理性，并將分析結果進行顯示和保存；

所述的報警器，置于下有場地控制機房內(nèi)，用于接收數(shù)據(jù)分析處理終端發(fā)出的報警信號，并進行語音提示和動態(tài)仿真圖形顯示，或?qū)⒄Z音提示和動態(tài)仿真圖形通過數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置發(fā)送至監(jiān)測人員的手機上。

本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)中，用于采集相關數(shù)據(jù)的多個脈動壓力傳感器2、多個振動傳感器7合理排列布置在水流處的泄洪結構和下游場地，采集水流脈動以及場地振動信息，本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)中，使用的脈動壓力傳感器可以是由航天部701研究所生產(chǎn)的型號為固化硅AK—3型的水壓脈動傳感器，振動傳感器可以是由清華大學科教儀器廠生產(chǎn)的DP型地震式低頻振動傳感器。

控制機房8內(nèi)設置的數(shù)據(jù)采集控制終端將傳感器上傳的信號實時傳輸，至數(shù)據(jù)分析處理終端，實現(xiàn)遠程實時動態(tài)監(jiān)測。

數(shù)據(jù)分析處理終端可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、采集、保存，各項指標的分析、提取和預警等。進行信號的時域分析、幅值域分析、頻域分析以及時-頻域分析等功能，通過分析，可判斷場地振動是否由水流引起、得出場地振動傳播路徑、預測場地振動量級等信息。

本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)中，使用的報警器可以是天津大學提供的型號為ZF-1動態(tài)監(jiān)測報警裝置。

下面結合附圖詳細說明本實用新型的檢測系統(tǒng)，但應當說明的是，這些實施方式并非對本實用新型的限制，本領域普通技術人員根據(jù)這些實施方式所作的功能、方法、或者結構上的等效變換或替代，均屬于本實用新型的保護范圍之內(nèi)。

以一個水電站泄洪水流誘發(fā)場地為例，介紹該系統(tǒng)應用情況。

在本實施方式中，一種水流誘發(fā)場地振動智能監(jiān)測系統(tǒng)，應用某水電站泄洪水流誘發(fā)場地振動現(xiàn)場，該區(qū)域水電站與下游場地的位置如圖1所示。

該系統(tǒng)運行過程如下：

(1)傳感器的選擇：脈動壓力傳感器采用航天部701研究所生產(chǎn)的固化硅AK—3型水壓脈動傳感器，量程為0～100米水柱，動態(tài)范圍0～1000Hz，使用二等標準壓力計現(xiàn)場靜態(tài)原位率定，傳感器精度±0.2％FS。振動傳感器采用清華大學科教儀器廠生產(chǎn)的高精度低頻振動傳感器，具體指標為：頻率響應0.35-200Hz；靈敏度8mV/μm；量程±1.25mm。

(2)數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集控制終端，置于控制機房內(nèi)，使用專用48路遠程數(shù)據(jù)采集儀，通道間無時差。該儀器包含一個ADAM-5550KW數(shù)據(jù)采集控制器和4塊ADAM-5017S數(shù)據(jù)采集卡?？煽刂茢?shù)據(jù)采集時間和數(shù)據(jù)采集方式，數(shù)據(jù)采集方式為設定時間周期自動采集或人工手動采集；可根據(jù)測量數(shù)據(jù)的狀態(tài)，任意調(diào)整測量頻率。采樣隨啟隨停，設計了示波－采樣－回放流程，可以對不需要的數(shù)據(jù)予以刪除。具有工況表述功能，并與數(shù)據(jù)文件一起保存?？梢允謩硬杉蝾A設自動采集。

(3)數(shù)據(jù)傳輸：采用APT-103S33IC型光纖收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳輸，APTTEK系列以太網(wǎng)光纖傳輸收發(fā)器設計用于城域光纖寬帶網(wǎng)絡。通過無線網(wǎng)絡接收脈動壓力傳感器和振動傳感器采集的信號，并將該信號通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至機房內(nèi)，與ADAM-5017S數(shù)據(jù)采集器連接，再通過采集器將采集到的數(shù)據(jù)通傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理終端，實現(xiàn)遠程實時動態(tài)監(jiān)測。

(4)數(shù)據(jù)分析處理終端：置于控制機房內(nèi)，用于對采集信號進行實時分析，得到場地振動強度、場地振動主要振動頻率、泄流結構方式與場地振動關系、泄流結構的合理性和泄流結構的泄流方式合理性，并將分析結果進行顯示和保存；

利用已有的時間-小波能量譜分析技術可以消除干擾因素，突出水流脈動能量，用以實時判斷并輸出場地振動是否由泄洪水流引起。如圖2所示為某工況下水流脈動壓力變化情況和同一時間場地某測點振動變化情況)時間-小波能量變換結果。其中的圖2(a)為時間-小波能量譜，其中的圖2(b)為時間-小波能量頻譜?？梢钥闯觯髅}動荷載主頻為2.55Hz，其他能量在3.58Hz及其倍頻也有分布，場地測點有2.55Hz和3.58Hz兩個明顯主頻，且兩個頻率的能量較水流脈動的有所增強。因此可以判斷這一工況場地振動的主要能量來自泄流產(chǎn)生水流脈動。

利用交叉小波變換在時頻域內(nèi)同時分析兩個非平穩(wěn)信號之間的相關性，建立振源與場地振動的聯(lián)系，可以預判場地振動量級，并根據(jù)多次分析結果，自動計算控制振動方式。如圖3所示為某工況下水流脈動壓力信號和同一時間場地某測點振動信號交叉小波變換結果，圖中從深到淺表示兩個信號對應時間、頻率處的幅值關聯(lián)程度從大到小。可以看出，該工況振源與場地振動相關頻帶較寬，同步性較高，在1.0-3.0Hz頻帶對場地振動都有影響。因此，可根據(jù)分析結果，調(diào)整水電站泄洪方式，降低或升高水流脈動頻率。

(5)報警器：置于下有場地控制機房內(nèi)，用于接收數(shù)據(jù)分析處理終端發(fā)出的報警信號，并進行語音提示和動態(tài)仿真圖形顯示，或?qū)⒄Z音提示和動態(tài)仿真圖形通過數(shù)據(jù)無線發(fā)射裝置發(fā)送至監(jiān)測人員的手機上。