一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置及其使用方法，包括横向移动装置、竖向移动装置和拍摄装置，所述的横向移动装置固定在坝顶，横向移动装置的一侧连接有竖向移动装置，竖向移动装置上连接有拍摄装置，所述的横向移动装置利用齿轮传动进行移动，横向移动装置上固定有横向连接柱，所述横向连接柱的一侧连接有竖向连接柱，竖向连接柱底部固定有竖向移动装置。本发明通过齿轮装置以及组装式通电磁导线套管和拍摄装置使水下拍摄装置能够对混凝土堆石坝面板进行全覆盖的图像采集，裂缝监测数据在时间空间上均得到了扩展，同时，该装置采用高清摄像机对混凝土面板表面进行拍摄，采集的裂缝信息将包括裂缝位置、裂缝形态及裂缝总数量。

权利要求

1.一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置，包括横向移动装置、竖向移动装置和拍摄装置，所述的横向移动装置固定在坝顶，横向移动装置的一侧连接有竖向移动装置，竖向移动装置上连接有拍摄装置，所述的横向移动装置包括齿轮与齿轮轨道，所述的齿轮轨道固定在坝顶，齿轮轨道上啮合有至少两个齿轮，所述的横向移动装置利用齿轮传动进行移动，横向移动装置上固定有横向连接柱，所述横向连接柱的一侧连接有竖向连接柱，竖向连接柱底部固定有竖向移动装置，竖向移动装置由若干节组装式套管竖向连接而成，每节组装式套管内设有多组通电磁导线，所述的竖向移动装置通过电磁力将拍摄装置固定在其外侧的U型槽中；

(2)安装横向移动装置，在坝顶表面固定齿轮轨道，通过齿轮连接轴将齿轮和齿轮支架连接，将承重托盘固定在齿轮支架上，将组装完成的装置放置于齿轮轨道上；

(3)组装竖向移动装置，接通电磁导线套管电源，通过电磁力将拍摄装置固定在套管外侧的U型槽中；

(4)将横向连接柱固定在齿轮支架上，将竖向移动装置固定在竖向连接柱上，通过高强度螺栓将整个装置连接为整体；

(5)在承重托盘上放置配重块，接通齿轮外接电源，使其带动竖向移动装置进行横向移动；

(6)横向转动1～2m时关闭齿轮外接电源，通过遥感开关控制通电磁导线电源依次打开，使拍摄装置匀速下降，水下高清摄像机开始拍摄；

(7)拍摄结束后，对数据进行处理并进行有限元分析。

2.根据权利要求1所述的一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的齿轮上贯穿有齿轮连接轴，齿轮两侧固定有齿轮支架，齿轮支架的顶部固定有承重托盘。

3.根据权利要求1或2所述的一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的齿轮上配有齿轮外接电源。

4.根据权利要求3所述的一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述齿轮支架的一侧固定有横向连接柱，横向连接柱通过高强度螺栓与竖向连接柱连接。

5.根据权利要求2所述的一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的承重托盘内置有配重块。

6.根据权利要求1所述的一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的U型槽内设有两个滑动滚轮，滑动滚轮之间连接有拍摄连接支架，拍摄连接支架底部固定有水下高清摄像机。

说明书

一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水工结构安全监测领域，尤其涉及一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 混凝土面板堆石坝的裂缝监测是坝体结构安全监测的重要部分。混凝土材料的变形易受温度影响，当混凝土结构件的温度场分布不均匀时，不同部位膨胀或收缩的状态不同，因此混凝土构件表面会产生温度裂缝。修建在高海拔寒冷地区的混凝土面板堆石坝的特点在于，坝址区域昼夜温差大，该自然气候条件使得混凝土面板堆石坝的面板表面极易产生温度裂缝。因此寻求一种专门针对高寒地区混凝土面板堆石坝运行期面板裂缝监测装置及其使用方法，是水工结构安全监测领域研究人员对于极端条件下裂缝监测方向的研究热点，对混凝土面板堆石坝结构的安全稳定运行也起着重要作用。

[0003] 通常，水工结构裂缝监测项目的实施是通过在某些重点监测部位埋设测缝计，然而这种方式只能对坝体内部某些部位的开裂状态进行监测，裂缝监测的实际作用受到了限制，因此如何扩展裂缝监测的覆盖范围成为结构安全监测技术人员研究的方向。此外，在上述的传统裂缝监测方式中，测缝计一旦出现故障或者损坏不易进行修理和更换，因此，随着混凝土面板堆石坝运行时间的增长，测缝计的存活率将会不断降低，裂缝监测项目的质量无法得到保证。第三，测缝计的监测量为裂缝开合度，其无法对裂缝数目和裂缝具体形态进行监测，不能对高寒地区混凝土面板堆石坝运行期的坝面裂缝问题提供补强修复依据。

[0004] 对于裂缝数目和形态的监测，目前主流的方式仍是潜水员携带设备潜入水底对坝面进行巡检。人工巡检的方式可以实现对坝面细微裂缝的识别，但是仍然存在以下几个问题：第一，人工巡检对于实操人员的专业背景较强，实际操作和评估中的人为误差难以避免；第二，潜水巡检存在一定的危险性，尤其是随着近年特高坝的建设，潜水的深度甚至要达到上百米，难度越来越大；第三，难以系统的记录整个坝面的裂缝信息，以及对坝面进行整体建模。

[0005] 随着无人机技术的发展，工程技术人员开始尝试采用水下无人机拍照巡检的方式对桥墩裂缝进行监测，但是由于水下流速等环境的复杂性，巡检无人机在水下定点巡航的精度始终难以保障。另外，用于裂缝监测的相机等装备精度要求较高，质量通常比较重，因此在实际工程中，采购同时保障承重能力和续航能力的无人机价格过于昂贵。第三，水下环境恶劣时更容易出现坝面安全问题，而水下无人机难以在环境恶劣的场景实现定点巡航。

[0006] 针对传统裂缝监测覆盖面不足，监测量单一，以及人工巡检和无人机监测稳定性不足等缺点，可以采用水下高清摄像机对混凝土面板进行全覆盖拍摄，结合图像处理技术对面板表面裂缝进行监测分析。

发明内容

[0007] 发明目的：本发明目的是提供一种针对高寒地区的混凝土面板堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置及其使用方法。

[0008] 技术方案：本发明包括横向移动装置、竖向移动装置和拍摄装置，所述的横向移动装置固定在坝顶，横向移动装置的一侧连接有竖向移动装置，竖向移动装置上连接有拍摄装置，所述的横向移动装置利用齿轮传动进行移动，横向移动装置上固定有横向连接柱，所述横向连接柱的一侧连接有竖向连接柱，竖向连接柱底部固定有竖向移动装置。

[0009] 所述的横向移动装置包括齿轮与齿轮轨道，所述的齿轮轨道固定在坝顶，齿轮轨道上啮合有至少两个齿轮，通过齿轮传动带动横向移动装置及竖向移动装置移动。

[0010] 所述的齿轮上贯穿有齿轮连接轴，齿轮两侧固定有齿轮支架，齿轮支架的顶部固定有承重托盘。

[0011] 所述的齿轮上配有齿轮外接电源，通过外接电源为齿轮内的小型电机提供动力。

[0012] 所述齿轮支架的一侧固定有横向连接柱，横向连接柱通过高强度螺栓与竖向连接柱连接。

[0013] 所述的承重托盘内置有配重块。

[0014] 所述的竖向移动装置通过电磁力将拍摄装置固定在其外侧的U型槽中。

[0015] 所述的U型槽内设有两个滑动滚轮，滑动滚轮之间连接有拍摄连接支架，拍摄连接支架底部固定有水下高清摄像机。

[0016] 一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，包括以下步骤：

[0017] (1)安装横向移动装置，在坝顶表面固定齿轮轨道，通过齿轮连接轴将齿轮和齿轮支架连接，将承重托盘固定在齿轮支架上，将组装完成的装置放置于齿轮轨道上；

[0018] (2)组装竖向移动装置，接通电磁导线套管电源，通过电磁力将拍摄装置固定在套管外侧的U型槽中；

[0019] (3)将横向连接柱固定在齿轮支架上，将竖向移动装置固定在竖向连接柱上，通过高强度螺栓将整个装置连接为整体；

[0020] (4)在承重托盘上放置配重块，接通齿轮外接电源，使其带动竖向移动装置进行横向移动；

[0021] (5)横向转动1～2m时关闭齿轮外接电源，通过遥感开关控制通电磁导线电源依次打开，使拍摄装置匀速下降，水下高清摄像机开始拍摄；

[0022] (6)拍摄结束后，对数据进行处理并进行有限元分析。

[0023] 有益效果：本发明通过齿轮装置以及组装式通电磁导线套管和拍摄装置使水下拍摄装置能够对混凝土堆石坝面板进行全覆盖的图像采集，裂缝监测数据在时间空间上均得到了扩展，同时，该装置采用高清摄像机对混凝土面板表面进行拍摄，采集的裂缝信息将包括裂缝位置、裂缝形态及裂缝总数量。

附图说明

[0024] 图1是本发明的整体结构示意图；

[0025] 图2是本发明的俯视图；

[0026] 图3是图1中的A部放大图；

[0027] 图4是本发明的组装式套管连接示意图；

[0028] 图5是本发明的操作流程图；

[0029] 图6是本发明的系统框架图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0031] 如图1至图4所示，本发明包括齿轮外接电源1，承重托盘2，配重块3，齿轮轨道4，齿轮5，齿轮连接轴6，横向连接柱7，高强度螺栓8，竖向连接柱9，组装式套管10，外盒11，电源12，磁铁13，通电导线14，拍摄连接支架15，LED灯16，水下高清摄像机17，齿轮支架18，高强度铆钉19，滑动滚轮20和位置传感器21。其中，齿轮外接电源1，承重托盘2，配重块3，齿轮轨道4，齿轮5、齿轮连接轴6、齿轮支架18组成横向移动装置，横向移动装置为试验装置提供可自动横向移动的动力；组装式套管10，外盒11，电源12，磁铁13、通电导线14、高强度铆钉19组成竖向移动装置，竖向移动装置为试验装置提供可自动竖向移动的动力；拍摄连接支架
15，LED灯16，水下高清摄像机17和滑动滚轮20组成拍摄装置，进行裂缝图像采集。

[0032] 如图1所示，将横向移动装置中的齿轮轨道4固定在坝顶，布置长度由坝顶长度决定，齿轮轨道4上啮合有两个齿轮5，如图2所示，齿轮5上均接有齿轮外接电源1，为齿轮5内的小型电机提供动力，外接电源电压为220V～380V。两个齿轮5由内置小型电机驱动，尺寸相同，外直径为30～50cm，内直径为3～5cm，宽度为7～10cm，齿数为15～30齿，齿面粗糙度为1.4～1.8。齿轮5中央贯穿有齿轮连接轴6，两个齿轮连接轴6尺寸相同，直径为2～4cm，长度为20～40cm，齿轮连接轴6的直径与齿轮5内径相同。齿轮5的左右两侧固定有齿轮支架18，齿轮支架18为等腰三角形结构，支架两条腰长度为30～50cm，支架底边长度为40～
70cm，两个齿轮5通过两个齿轮连接轴6与两个齿轮支架18连接。齿轮支架18材质为实心不锈钢，其顶部固定有承重托盘2，承重托盘2为顶部开口的倒等腰梯形结构，材质为铝合金，高度为30～40cm，底部宽度为30～40cm，长度为50～70cm，厚度为3～5cm，承重托盘2内放置有配重块3，配重块3为结构的平衡提供重量，其重量在100～500Kg之间。配重块3通过增加整个结构中位于坝顶的装置重量，增加整体结构的稳定性，减少结构向竖向移动装置倾覆的趋势。

[0033] 齿轮支架18的左侧固定有横向连接柱7，其材质为实心不锈钢，直径为3～5cm，长度为20～50cm，通过高强度螺栓8与竖向连接柱9固定，高强度螺栓8与竖向连接柱9材质均为不锈钢，高强度螺栓8的规格为M16～M30，竖向连接柱9长度为10～20cm，长度为20～40cm，其底部连接竖向移动装置。

[0034] 竖向移动装置由若干节组装式套管10竖向连接而成，节与节之间采用高强度铆钉19连接固定，如图4所示，每节组装式套管10内设有两组通电磁导线，通电磁导线包括一个外盒11，外盒11内设有一根磁铁13，磁铁13上绕有通电导线14，通电导线14上接有电源12。
组装式套管10为铝合金管，每节长度为50～100cm，外直径为10～20cm，厚度为2～3mm；外盒
11材质为聚氯乙烯，电源12电压为220～380V；磁铁13长度为10～20cm，直径为5～10cm；通电导线14为带有绝缘层的铜线。竖向移动装置通过电磁力将拍摄装置固定在套管右侧的U型槽内，实现拍摄装置竖直方向的移动。

[0035] 如图3所示，拍摄装置包括位于组装式套管10右侧的U型槽内的两个滑动滚轮20，滑动滚轮20的尺寸相同，半径为5～7cm，材料为不锈铁，能够在组装式套管10的U型槽中滑动，滑动滚轮20之间连接有拍摄连接支架15，其材质为铝合金，拍摄连接支架15上设有LED灯16，底部连接有水下高清摄像机17。支架长度为30～50cm；LED灯16输入电压为12～24V，光通量为1000～2000lm，材质为不锈钢和钢化玻璃；水下高清摄像机17的防水等级为水下50～200m，记录分辨率为1080p～1440p，其顶部固定有位置传感器21，用于记录水下高清摄像机17的位置。由于摄像机安装在拍摄连接支架15上，拍摄连接支架15固定在滑动滚轮20上，组装式套管10中的磁导线圈接通电源之后产生电磁力，滑动滚轮20为不锈铁材料，因此，滑动滚轮20能够在套管U型槽内滑动。滑动滚轮20的运动通过控制沿途的通电磁导线管依次打开和关闭实现，例如当滑动滚轮20需要匀速下降时，由上至下依次打开和关闭通电磁导线电源，即打开下一节组装式套管10中的通电磁导线电源，并关闭滑动滚轮20所在的组装式套管10中的通电磁导线电源，通过电磁力位置的变化，牵引齿轮滑动滚轮20下行。

[0036] 一种堆石坝水下面板裂缝电控巡回监测装置的使用方法，如图5所示，包括以下步骤：

[0037] (1)安装横向移动装置，在坝顶表面固定齿轮轨道，通过两个齿轮连接轴将两个齿轮和两个齿轮支架连接，将承重托盘固定在齿轮支架上，将组装完成的装置放置于齿轮轨道上。

[0038] (2)组装竖向移动装置，接通电磁导线套管电源，通过电磁力将拍摄装置固定在套管外侧的U型槽中。

[0039] (3)将横向连接柱固定在齿轮支架上，将竖向移动装置固定在竖向连接柱上，通过高强度螺栓将整个装置连接为整体。

[0040] (4)在承重托盘上放置配重块，接通两个齿轮的电源，使其带动竖向移动装置横向移动。

[0041] (5)横向转动1～2m时关闭齿轮电源，通过遥感开关控制通电磁导线电源依次打开，拍摄装置匀速下降，水下高清摄像机开始进行拍摄，位置传感器收集水下摄像机位置，同时地面上工作人员通过VR设备查看水下摄影图像效果。

[0042] (6)拍摄结束后将视频缓存、压缩，同时采集位置传感器收集的位置数据，将拍摄图像数据和位置数据打包上传至web服务器和数据服务器。

[0043] (7)监测管理人员在web服务器上下载相应数据进行处理，首先将视频格式转换为图片格式，随后对图片进行二值化处理，通过程序对图片分析后导出程序筛选出的异常图片，监测管理人员对异常图片进行人工判断，最后将分析结果及分析过程的数据存储至数据服务器，如图6所示。

[0044] (8)对混凝土面板堆石坝建立三维模型，将裂缝监测数据导入模型数据库，进行有限元结构计算分析。

[0045] (9)用户终端能够查看三维模型和裂缝监测结果，查看模型数据库，对监测信息进行检索，实现监测数据可视化。

[0046] 实施例1：

[0047] 购置齿轮外接电源1，其电压为220～380V(本实施例为220V)，购置两个齿轮5，其外直径为30～50cm(本实施例为40cm)，内直径为3～5cm(本实施例为4cm)，宽度为7～10cm(本实施例为8cm)，齿数为15～30齿(本实施例为15齿)，齿面粗糙度为1.4～1.8(本实施例为1.5)，预制齿轮轨道4，其长度为50～150m(本实施例为100m)，购置两个齿轮连接轴6，直径为2～4cm(本实施例为4cm)，长度为20～40cm(本实施例为30cm)，穿过两个齿轮中心安装，购置两组齿轮支架18，其两条腰长度为30～50cm(本实施例为40cm)，支架底边长度为40～70cm(本实施例为60cm)，预制承重托盘2，其高度为30～40cm(本实施例为40cm)，宽度为30～40cm(本实施例为40cm)，长度为50～70cm(本实施例为60cm)，购置工程配重块3，其重量为100～500Kg(本实施例为300Kg)。

[0048] 预制横向连接柱7，其直径为3～5cm(本实施例为3cm)，长度为20～50cm(本实施例为40cm)，预制高强度螺栓8，其规格为M16～M30(本实施例为M30)，预制竖向连接柱9，连接竖向移动装置，长度为20～40cm(本实施例为30cm)。

[0049] 预制组装式套管10，其每节长度为50～100cm(本实施例为100cm)，外直径为10～20cm(本实施例为10cm)，厚度为2～3mm(本实施例为3mm)，每节套管内有两个外盒11，每个外盒11中有购置的磁铁13，其长度为10～20cm(本实施例为15cm)，直径为5～10cm(本实施例为8cm)。

[0050] 购置两个滑动滚轮20尺寸相同，半径为5～7cm(本实施例为6cm)，能够在组装式套管的U型槽中滑动，预制铝合金摄像连接支架15，其长度为30～50cm(本实施例为40cm)，购置水下高清摄像机17，其防水等级为水下50～200m(本实施例为150m)，记录分辨率为1080p～1440p(本实施例为1440p)，购置LED灯16，其输入电压为12～24V(本实施例为24V)，光通量为1000～2000lm(本实施例为1500lm)，材质为不锈钢和钢化玻璃，水下高清摄像机17和LED灯16均固定在摄像连接支架15上。

[0051] 本发明根据混凝土面板堆石坝温度裂缝多位于混凝土面板这一分布特点，采用安装在平面全覆盖移动支架上的水下高清摄像机对混凝土面板进行拍摄，结合图像处理技术对混凝土面板表面裂缝进行监测分析，作为解决传统裂缝监测覆盖面不足，监测量单一问题的方法。另外，建立裂缝监测数据共享平台，将区域内裂缝监测数据共享上传，便于流域管理机构集中分析管理。本发明利用安装在上游面坝顶的一组齿轮和齿轮轨道装置，使固定在齿轮轨道上的横向移动装置实现横河向的移动，横向移动装置和竖向移动装置通过横竖连接柱成为整体，实现整体横向移动，在竖向移动装置中，利用组装式通电磁导线套管和滑动滚轮支架使安装在支架上的拍摄装置实现垂向移动。