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高寒區供水渠道監測預警 版權信息
- ISBN：9787030712523
- 條形碼：9787030712523 ; 978-7-03-071252-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高寒區供水渠道監測預警 本書特色
該書以北疆高寒區供水渠道的風險評估及災害預警預報為例，主要闡述了高寒區供水渠道的安全監測方法、評估體系及災害預警預報系統的設計與應用。
高寒區供水渠道監測預警 內容簡介
《高寒區供水渠道監測預警》針對我國新疆北部等高寒區供水渠道安全監測、風險評估及災害預警預報系統建設應用等關鍵技術問題，總結了高寒區供水渠道工程病害發生機制、監測技術及預警預報現狀，詳細介紹了高寒區供水渠道風險識別與預警指標體系，歸納了傳統測試手段在高寒區渠道監測的應用，并論述了針對高寒區渠道特殊邊界環境研發的新型渠道滲漏監測技術與凍脹監測傳感器，*后介紹了高寒區供水渠道預警預報系統的搭建與應用。
高寒區供水渠道監測預警 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 高寒區供水渠道工程病害發生機制 1
1.1.1 渠道凍害 2
1.1.2 渠道滲透破壞 4
1.1.3 渠道滑坡 5
1.2 高寒區供水渠道現場監測技術研究現狀 6
1.2.1 高寒區供水渠道凍害監測技術 6
1.2.2 傳統供水渠道滲漏監測技術 8
1.2.3 基于光纖傳感技術的渠道滲漏監測技術 10
1.3 高寒區供水渠道預警預報研究現狀 13
1.3.1 預警技術和方法研究 13
1.3.2 預警決策支持系統研究 14
1.4 本書主要內容 15
參考文獻 16
第2章 高寒區供水渠道風險識別與預警指標體系 21
2.1 渠道工程風險分析 21
2.1.1 渠道工程風險分析特點 21
2.1.2 渠道風險要素識別 21
2.2 寒區渠道破壞模式識別 22
2.2.1 寒區渠道破壞影響因素 22
2.2.2 渠道工程破壞模式 23
2.2.3 渠道破壞模式識別 23
2.2.4 安全風險排序 27
2.3 高寒區渠道安全監測預警動態指標體系 29
2.3.1 渠道預警指標分類 29
2.3.2 渠道預警指標篩選條件和原則 29
2.3.3 高寒區渠道預警總體結構 31
2.3.4 高寒區渠道預警指標體系結構層次 32
2.3.5 一般性渠道預警指標體系 33
2.3.6 有安全監測設施渠道預警指標體系 33
2.3.7 渠道預警指標判據標準 36
2.4 基于破壞模式與風險排序的渠道監測類目體系 38
2.4.1 渠道分區及安全監測原則 39
2.4.2 渠道監測項目 40
2.4.3 渠道監測類目組合模型 41
參考文獻 46
第3章 基于傳統測試手段的高寒區渠道監測技術 48
3.1 傳統高寒區渠道現場監測技術和方法 48
3.1.1 氣象資料監測 48
3.1.2 渠基土地溫監測 49
3.1.3 土體凍深監測 50
3.1.4 渠基土含水率監測 51
3.1.5 地下水位監測 53
3.1.6 凍脹融沉變形觀測 54
3.1.7 凍脹作用力觀測 55
3.2 高寒區渠道現場監測技術實例 56
3.2.1 現場示范工程概況 56
3.2.2 傳感器的選型和布設 60
3.2.3 現場自動化監測示范工程建設 63
3.2.4 典型監測數據的分析 68
參考文獻 77
第4章 新型滲漏監測技術與凍脹監測傳感器研發 78
4.1 高寒區渠道分布式光纖滲漏監測技術 78
4.1.1 分布式光纖監測渠堤滲漏的原理 78
4.1.2 高寒區渠道滲漏傳感光纜設計 87
4.1.3 分布式光纖室內滲漏監測試驗 92
4.1.4 高寒區渠道滲漏監測現場原型試驗 109
4.2 高寒區渠道分布式光纖應變監測技術 128
4.2.1 分布式光纖監測渠堤應變場的原理 128
4.2.2 土工布基應變光纜研發 129
4.2.3 土工布基應變光纜原型試驗研究 130
4.3 高寒區渠道全斷面凍脹變形與凍脹力傳感器 135
4.3.1 全斷面凍脹變形傳感器研發與試驗 135
4.3.2 三維凍脹力傳感器研發與試驗 145
參考文獻 156
第5章 高寒區供水渠道預警預報系統與應用 159
5.1 供水渠道預警預報系統研究現狀 159
5.2 高寒區供水渠道預警預報系統總體設計 160
5.2.1 預警預報系統私有云平臺構架設計 161
5.2.2 預警預報數據監測及采集方案設計 164
5.2.3 預警預報信息數據結構設計 165
5.2.4 預警預報信息數據安全設計 168
5.2.5 預警預報信息管理系統設計 171
5.3 預警預報系統建設和應用 177
5.3.1 預警預報信息數據監測采集設施安裝與實施 178
5.3.2 預警預報信息管理平臺系統集成與技術實現 184
5.3.3 預警預報系統的功能拓展與升級冗余 191
5.4 預警預報系統的未來發展 193
參考文獻 195
前言
第1章 緒論 1
1.1 高寒區供水渠道工程病害發生機制 1
1.1.1 渠道凍害 2
1.1.2 渠道滲透破壞 4
1.1.3 渠道滑坡 5
1.2 高寒區供水渠道現場監測技術研究現狀 6
1.2.1 高寒區供水渠道凍害監測技術 6
1.2.2 傳統供水渠道滲漏監測技術 8
1.2.3 基于光纖傳感技術的渠道滲漏監測技術 10
1.3 高寒區供水渠道預警預報研究現狀 13
1.3.1 預警技術和方法研究 13
1.3.2 預警決策支持系統研究 14
1.4 本書主要內容 15
參考文獻 16
第2章 高寒區供水渠道風險識別與預警指標體系 21
2.1 渠道工程風險分析 21
2.1.1 渠道工程風險分析特點 21
2.1.2 渠道風險要素識別 21
2.2 寒區渠道破壞模式識別 22
2.2.1 寒區渠道破壞影響因素 22
2.2.2 渠道工程破壞模式 23
2.2.3 渠道破壞模式識別 23
2.2.4 安全風險排序 27
2.3 高寒區渠道安全監測預警動態指標體系 29
2.3.1 渠道預警指標分類 29
2.3.2 渠道預警指標篩選條件和原則 29
2.3.3 高寒區渠道預警總體結構 31
2.3.4 高寒區渠道預警指標體系結構層次 32
2.3.5 一般性渠道預警指標體系 33
2.3.6 有安全監測設施渠道預警指標體系 33
2.3.7 渠道預警指標判據標準 36
2.4 基于破壞模式與風險排序的渠道監測類目體系 38
2.4.1 渠道分區及安全監測原則 39
2.4.2 渠道監測項目 40
2.4.3 渠道監測類目組合模型 41
參考文獻 46
第3章 基于傳統測試手段的高寒區渠道監測技術 48
3.1 傳統高寒區渠道現場監測技術和方法 48
3.1.1 氣象資料監測 48
3.1.2 渠基土地溫監測 49
3.1.3 土體凍深監測 50
3.1.4 渠基土含水率監測 51
3.1.5 地下水位監測 53
3.1.6 凍脹融沉變形觀測 54
3.1.7 凍脹作用力觀測 55
3.2 高寒區渠道現場監測技術實例 56
3.2.1 現場示范工程概況 56
3.2.2 傳感器的選型和布設 60
3.2.3 現場自動化監測示范工程建設 63
3.2.4 典型監測數據的分析 68
參考文獻 77
第4章 新型滲漏監測技術與凍脹監測傳感器研發 78
4.1 高寒區渠道分布式光纖滲漏監測技術 78
4.1.1 分布式光纖監測渠堤滲漏的原理 78
4.1.2 高寒區渠道滲漏傳感光纜設計 87
4.1.3 分布式光纖室內滲漏監測試驗 92
4.1.4 高寒區渠道滲漏監測現場原型試驗 109
4.2 高寒區渠道分布式光纖應變監測技術 128
4.2.1 分布式光纖監測渠堤應變場的原理 128
4.2.2 土工布基應變光纜研發 129
4.2.3 土工布基應變光纜原型試驗研究 130
4.3 高寒區渠道全斷面凍脹變形與凍脹力傳感器 135
4.3.1 全斷面凍脹變形傳感器研發與試驗 135
4.3.2 三維凍脹力傳感器研發與試驗 145
參考文獻 156
第5章 高寒區供水渠道預警預報系統與應用 159
5.1 供水渠道預警預報系統研究現狀 159
5.2 高寒區供水渠道預警預報系統總體設計 160
5.2.1 預警預報系統私有云平臺構架設計 161
5.2.2 預警預報數據監測及采集方案設計 164
5.2.3 預警預報信息數據結構設計 165
5.2.4 預警預報信息數據安全設計 168
5.2.5 預警預報信息管理系統設計 171
5.3 預警預報系統建設和應用 177
5.3.1 預警預報信息數據監測采集設施安裝與實施 178
5.3.2 預警預報信息管理平臺系統集成與技術實現 184
5.3.3 預警預報系統的功能拓展與升級冗余 191
5.4 預警預報系統的未來發展 193
參考文獻 195
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高寒區供水渠道監測預警 節選
第1章緒論 我國是一個水資源嚴重短缺的國家，水資源總量約為2.8萬億m3，居世界第六位，而人均水資源占有量僅為2300m3，約為世界人均水資源占有量的1/4。另外，我國土地范圍廣、氣候類型復雜、降水空間分布不均衡等因素導致我國水資源分布不均[1]。新疆地處歐亞大陸腹地，屬于典型的干旱、半干旱地區，降水稀少而蒸發強烈，存在著嚴重的資源性缺水問題。另外，新疆水資源還存在嚴重的時空分布不均衡性。從時間上來看，總體呈現春旱、夏洪、秋缺、冬枯的特點；從空間上來看，西部、北部地區水資源相對豐富，而南部地區水資源相對稀少，制約了當地工農業生產，影響了人民生活水平。 圍繞國家將新疆建成“一帶一路”中的經濟帶核心區和自治區“三化”建設的布局，新疆迎來發展的戰略機遇期。總干渠正在開展的“一期二步”工程，是在原有的“一期一步”的基礎上對渠道加高擴建，從而使其設計輸水能力大幅提升，用以滿足工農業生產、生活用水需求，這對于緩解疆內水資源不足和分布不均、保障疆內人民生活安定、維持新疆長治久安具有非常重要的意義。然而，輸水渠道工程帶來巨大社會經濟效益的同時，其自身也承受著病害老化和超設計供水的壓力。由于北疆輸水明渠跨越距離長，沿線地質和氣候情況異常復雜，因此渠道從建設期開始就經歷著嚴峻考驗。其中，以總干渠沿線的病害問題*為突出。總干渠渠道沿線膨脹泥巖分布廣泛，每年邊坡失穩、滑坡愈演愈烈；渠道整體坐落于高緯度、高寒地區，凍害現象嚴重；部分區域地下水為咸水，渠道混凝土襯砌易被剝蝕；由于土工膜破損、老化，膜后積水嚴重，停水期滲透水壓力引起的混凝土襯砌破壞現象普遍發生。如何開展高寒區供水渠道安全監測、風險評估及災害預警預報系統建設應用，是當前北疆供水渠道實際建設運行中亟須解決的重要問題。 1.1高寒區供水渠道工程病害發生機制 高寒區供水渠道在凍融循環、季節性輸水、高緯度強光照等影響因素下可能產生滲漏等安全隱患，降低渠堤的滲流穩定性，導致潰堤等安全事故，給沿線地區的經濟和人民財產安全造成不可估量的損失。既往工程實踐經驗表明，高寒區供水渠道工程病害主要可歸納為渠道凍害、渠道水害（渠道滲透破壞）、渠道滑坡及多種病害綜合（圖1.1）。 1.1.1渠道凍害 我國西北、華北及東北等季節性凍土地區，冬季氣候寒冷，低溫持續時間長，自然凍深較大，加之周而復始的晝夜溫差作用，使得供水渠道普遍遭受不同程度的凍害[3]。往往在建成后的**個冬季，一些供水渠道工程就出現渠底上抬、渠身出現較大變形甚至裂縫，嚴重降低了渠道的供水能力；另一些供水渠道雖通水初期凍害破壞不甚嚴重，但因經常通水運行，凍害現象逐年累積、加劇發展，往往需花費大量人力物力年年維修，否則輸水渠道運行三至五年即遭大規模破壞。 據調查資料，新疆維吾爾自治區的北疆渠道工程有半數以上的混凝土干、支渠均因凍脹受到不同程度的破壞。黑龍江省某大型灌區約83%的支渠以上渠系工程受到不同程度凍害。吉林省某大型灌區調查的216座工程中，受凍害的占39.4%。河北省對石津、唐河等10個灌區調查，部分未采取防凍脹措施的輸水渠道普遍存在凍害問題，裂縫多，縫寬達15mm以上。陜西關中地區混凝土襯砌渠道凍害問題亦較嚴重，據某些灌區調查，渠道陰坡的平均凍脹率為75.3%，陽坡為27%。寧夏20世紀70～80年代修建的惠農渠、七星渠等渠道的襯砌工程，均因凍脹出現隆起、開裂，以致預制板架空、錯位、互相穿插、重疊等破壞，凍脹非常嚴重。據青海省統計，全省萬畝以上灌區干、支渠防滲工程中，有50%～60%遭受凍害。 總結分析既往工程經驗，輸水渠道凍害產生的主要機理為凍脹破壞、凍融破壞及冰凍破壞等。 1）凍脹破壞 土體處于負溫條件時，孔隙中部分水分凍結成冰，將導致土體原有熱學平衡被打破，在溫度梯度影響下，未凍結區內水分向凍結鋒面遷移并遇冷成冰；隨著凍結鋒面推進以及水分進一步遷移和集聚，土體體積逐漸增大，發生凍脹現象。土體凍結過程中水分遷移和成冰作用是產生土體凍脹的主要原因。影響土體凍脹的主要因素有土的粒度組成、礦物成分、水分、密度、溫度、載荷以及鹽分。 長距離輸水渠道運行中如遇溫度降低，渠基土中的水結冰膨脹而體積增大，當膨脹壓力超過混凝土的耐壓時，襯砌層就會發生隆起，導致長距離輸水渠道出現損壞的現象。長距離輸水渠道凍脹破壞的產生還會導致開裂、折斷等問題。同時，進入春季，結冰融化以后，長距離輸水渠道的強度就會降低，很容易導致主體結構出現滑塌現象，嚴重影響長距離輸水渠道運行的穩定性。 2）凍融破壞 長距離輸水渠道內部以混凝土襯砌層為主。混凝土襯砌層具有一定的吸水性，但在低溫環境下會出現結冰膨脹的現象，一般情況下體積會比原來增大，嚴重影響長距離輸水渠道的強度。另外，長距離輸水渠道發生凍融破壞，很容易導致混凝土襯砌層出現脫落的現象，在水流的作用下，渠基土體被掏刷，以此引發滲漏、渠段滑塌等問題，影響長距離輸水渠道運行的穩定性。 3）冰凍破壞 長距離輸水渠道在低溫情況下結冰是極易產生的一項凍害，主要是因為長距離輸水渠道出現結冰或渠道水面被完全封凍以后，凍冰層會隨著冰的積累不斷加厚，對長距離輸水渠道產生較大的冰自重以及膨脹壓力等，進而引發變形、移位等問題，對長距離輸水渠道運行的穩定性造成一定的影響。另外，長距離輸水渠道冰凍問題的產生，可在一定程度上阻擋渠道內部水體的流動，進而影響輸水的效率。同時，如果情況較為嚴重的話，還會出現冰頊、渠水漫溢等問題，對長距離輸水渠道造成一定的安全威脅。 學者們圍繞渠道凍害問題展開了相關研究，得到了眾多研究成果。 楊繼華等分析了渠道凍害的三個**條件，即易凍脹的土質條件、土的含水條件及溫度條件，消除或削弱其中一個條件即可避免凍脹發生或減輕凍害程度。蔡正銀等選取北疆輸水灌渠典型土體，定量研究了該種渠基土在溫度降低過程中鹽-凍脹變形與土體干密度、Na2S〇4含量和含水率等主要因素之間的關系。張如意等分析了渠道原型觀測成果，發現在負溫影響下，水分遷移在60cm深度范圍聚集是導致渠基土體凍脹引起渠道襯砌結構發生破壞的主要原因，可采取排水、防水措施以防止渠道凍脹破壞發生，使渠基土體含水率控制在起始凍脹含水率13.8%左右。 王正中等指出了太陽輻射是地表熱量的主要來源，是影響渠道溫度場的重要因素；因渠道走向、結構形式、所處位置等原因，渠道陰陽坡受到的太陽輻射不同，引起了渠道橫向溫度場的非對稱分布，產生了不穩定的凍融狀態。江浩源等建立了考慮太陽輻射及陰影遮蔽的渠道水-熱-力耦合方程，以新疆阜康某灌區大型輸水渠道為例，利用COMSOL軟件進行仿真發現：太陽輻射和陰坡遮蔽導致陰陽坡熱邊界差異顯著，其日均溫差*大為3.5°C，陰坡早于陽坡15天凍結，晚于陽坡1天融化，凍深*大差值為31cm;輸水渠道坡板和底板*大凍脹變形分別發生在1/4～1/3坡長處和偏陽坡處，陰陽坡凍脹變形差值*大為4.0cm。 王正中等以理論分析闡明了弧底梯形混凝土襯砌結構因法向凍脹力數值小、分布均勻、恢復力大，整體適應變形及抗凍脹能力強，從而更優于梯形斷面。唐少容等開展了考慮凍融循環作用的U形混凝土襯砌渠道邊坡凍脹特性離心模型試驗，認為渠道在持續的低溫環境中未發生明顯的破壞，渠底和渠坡位置產生了顯著的凍脹變形。 1.1.2渠道滲透破壞 滲流導致的滲透破壞有兩種類型：一是由于滲流力的作用，局部渠道土體產生移動或者土體顆粒流失，從而使土體變形失穩，主要表現為流砂和管涌；二是由于滲流作用，水壓力或浮力發生變化，從而使土體或結構失穩，主要表現為岸坡滑動或擋土墻等構筑物失穩。這些都嚴重危害著供水渠道工程的安全穩定性。 影響滲透變形發生的因素主要包括土體內部幾何條件（主要包括顆粒細觀組成與土體級配情況等）和外部水力條件（主要包括水力比降和滲透速率等），另外還與土體所受應力狀態有關。 Skempton等認為，覆蓋層的上部荷載主要是由粗顆粒構成的土骨架來承載的，因此，細顆粒承受了相對較小的有效壓力，所以在初始孔隙率較大的土體中，只需要較小的水力比降就會發生滲透破壞。陳建生等認為管涌的發生具有一定的隨機性，受到覆蓋層厚度、顆粒不均勻系數等因素的影響，往往發生在*薄弱或經過沖刷的部分土層。Kenney等認為材料內部穩定性可定義為“在滲流作用下，顆粒材料阻止自身內部細顆粒流失的能力”，從而進一步將土體分為兩部分:一部分是可支撐荷載并傳遞應力的粗顆粒骨架，另一部分是存在于粗顆粒骨架孔隙中的可動細顆粒，它的位置受到滲流力作用隨時可能發生變化且不承擔力的作用，細顆粒可以在由粗顆粒形成的孔隙之間自由移動。 毛昶熙等討論了滲透力的本質，認為滲透力并非只是作用土骨架顆粒上的切向力，應當考慮到滲流過程中作用在土顆粒上的浮力，目前滲流力學并不完全類同于土力學的觀點；其根據太沙基提出的向上滲流破壞的公式結合單個土顆粒上自重與滲流力平衡的原則，提出了管涌臨界比降計算公式。 周曉杰等認為集中滲漏通道的形成和發展是一個漸進過程，在未達到臨界水力比降時，細顆粒遷移形成通道的尖端處流速不斷降低，且流速如果降低到細顆粒啟動流速以下，滲透破壞將暫時趨于緩和穩定階段，滲漏通道不再繼續發展；而細顆粒的起動流速主要受通道截面、顆粒形狀和通道傾角的影響。 利用數碼可視化跟蹤技術和數字信息計算機實時處理技術，周健等研究發現細顆粒運移的啟動與滲漏通道的形成均具有很大的隨機性，很大程度上與土骨架的結構有關，滲漏通道往往是從土體*薄弱的地方開始形成；還發現形成與砂土的級配曲線有關，不均勻系數越大，其滲透穩定性就越差。 劉昌軍等利用顯微攝像可視化跟蹤技術、數字圖形的計算機實時處理技術，開展室內小尺寸堤基管涌物理模型的細觀試驗研究，從細觀角度研究堤基管涌發展過程中的滲流過程、水頭、管涌通道前端的顆粒運動、顆粒含量和水力梯度等參數的動態變化過程，發現堤基的滲透破壞在宏觀上可分為三個階段：無明顯滲透破壞階段，堤基局部發生管涌破壞階段和堤基整體破壞階段；管涌前端破壞從細觀上也分為三個階段：細顆粒流失或局部調整階段，可動顆粒與骨架顆粒互相轉化階段和骨架顆粒整體流失階段。 1.1.3渠道滑坡 渠道滑坡的產生是由多種因素共同導致的，可分為內部因素和外部因素。岸坡結構是滑坡形成的內部因素。結構松散有軟弱夾層，或者松散堆積斜坡的土石界面在飽水時出現泥化等情況均會導致岸坡滑動。持續強降水、地震作用、岸坡地下水位過高、凍融循環及干濕交替作用是導致渠道滑坡的外部因素。 高寒地區輸水渠道滑坡的外部觸發因素主要為凍融循環及干濕交替作用。其中，凍融作用之所以能誘發滑坡有兩點原因：一是反復凍融會改變地下水的流場使得邊坡土體軟化，二是凍融循環會弱化土體的抗剪強度，從而降低邊坡的穩定性。 葉萬軍等對洛川Q2黃土進行凍融循環和快剪試驗后，指出反復凍融會使黃土強度弱化，凍融10次左右后其物理力學狀態開始趨于穩定。張澤等采用壓汞法獲取黃土孔隙特征，定量研究了凍融循環作用對黃土孔隙結構的影響，結果表明凍融作用后小孔隙減少、大孔隙增多，孔隙結構均勻化、簡單化。 鄧銘江等以北疆高寒區供水工程為例，研究發現渠道膨脹土邊坡在干濕交替、凍融循環作用下破壞明顯，主要表現為淺層膨脹土開裂造成坡面完整性降低及其內部基土力學特性劣化，嚴重影響渠道膨脹土邊坡的整體穩定性。蔡正銀等以北疆膨脹土渠道邊坡為研究對象，開展了濕干循環及濕干凍融耦合循環作用下膨脹土渠道邊坡劣化過程離心模型試驗，研究發現濕干循環作用下膨脹土渠道邊坡的劣化模式主要為淺層土體強度衰減和表面裂隙發育，同時伴隨著顯著的土體崩解剝落特征；濕干凍融耦合循環作用下膨脹土渠道邊坡劣化過程中則未出現明顯的土體崩解剝落現象，主要劣化模式為渠頂區域土體裂隙拓展、連通[33]。陳生水等通過離心模型試驗對干濕循環作用下的膨脹土邊坡變形發展過程進行了探索，認為
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