地下工程长期服役状态监测预警可视化平台与方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程灾害可视化监测预警系统与方法，具体涉及一种复杂地质环境地下工程长期服役下灾害可视化监测预警系统与方法。

背景技术

由于混凝土具有毛细管——孔隙结构的特点，它与混凝土的一系列物理力学性质有着密切的联系，这些毛细管——孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡、水泥石中的毛细管孔腔和凝胶孔以及水泥石和集料接触处的孔穴等。此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。在水压力的作用下，水就会渗透到混凝土的孔隙和裂缝中，致使混凝土结构物一方面承受着上部荷载和外界水压力以及孔隙水压力的作用，处在一种比较复杂的应力状态；另一方面又承受着水中化学物质的侵蚀作用，使混凝土的力学性能发生了一些变化。水的化学作用对混凝土有如下影响：1、水使混凝土组分浸出、强度降低；2、水中介质使混凝土分解腐蚀，强度降低；3、水中介质使混凝土结晶膨胀，强度变化。这些影响会使得混凝土的安全可靠性得不到保证。

混凝土是当今世界上应用最广泛、使用量最大的建筑材料之一，广泛应用于地下工程中，从浇筑到其使用寿命结束，混凝土结构的力学性能不断发生变化。当混凝土结构处于服役阶段，由于其大型、复杂且大多暴露在外的特点，并且与地下环境紧密接触长期在水的包裹下，承受各种由环境和人为造成的破坏和损伤，产生渗水问题，需要对服役阶段的混凝土结构的健康情况进行监测以保证其在允许使用年限内的安全可靠性。因此，开发一种能够对在复杂地质环境地下工程长期服役下的灾害进行监测的技术手段是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下工程长期服役状态监测预警可视化平台与方法，以解决目前对于复杂地质环境地下工程长期服役下灾害监测与预警不够准确的的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种地下工程长期服役状态监测预警可视化平台，包括信息实时自动感知模块、信息传输模块、地面计算机系统以及报警器，其中：

所述信息实时自动感知模块用于实时获取地下工程混凝土灾害参数，所述灾害参数包含混凝土裂缝宽度、数量及渗水状态；

所述信息传输模块用于将信息实时自动感知模块获取的地下工程混凝土灾害参数通过网络实时传输至地面计算机系统；

所述地面计算机系统用于基于地下工程混凝土灾害参数进行系统阈值诊断，在地下工程混凝土灾害参数超出预设范围时，控制报警器进行报警提示。

一种利用上述可视化平台进行地下工程长期服役状态监测预警的方法，包括如下步骤：

步骤1)将生石灰用保护膜包裹，在保护膜外再覆盖一层变色层，制成球状或胶囊状，得到放热胶囊；

步骤2)放热胶囊采用细线绑扎固定在细钢丝网上，在钢丝网横纵两个方向上等间距放置一个放热胶囊得到一个放热组，根据混凝土结构设计厚度以及结构重要性，确定所需放热组数，等分部置，浇筑混凝土；

步骤3)利用热成像仪对混凝土渗漏水状态进行监测，当混凝土出现渗水时，放热胶囊与水产生反应放热，利用热成像仪对混凝土温度监控得到放热点，即混凝土渗水发生位置，还可根据放热点的数量对混凝土健康状态进行评估，同时，利用变色层与混凝土颜色不一致的特性，辅助识别裂缝；

步骤4)信息传输模块将热成像仪与摄像头采集的地下工程混凝土灾害参数通过网络实时传输至地面计算机系统；

步骤5)地面计算机系统通过地下工程混凝土灾害参数和地下工程已有数据，运用3D虚拟仿真技术实体建模实现灾害参数和地下工程模型可视化功能；通过实时监测的地下工程灾害参数，与预设的阈值进行诊断，当参数超过预设数值时，进行图-文报警。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明首先自行设计制备放热胶囊，然后利用所制备的放热胶囊配合热成像仪对混凝土渗漏水状态进行监测。其次，利用变色硅胶与混凝土颜色不一致的特性，辅助识别裂缝。通过热成像仪与摄像头对灾害信息进行采集，结合地下工程已有数据进行建模实现灾害参数和地下工程模型可视化功能，通过实时监测的地下工程灾害参数，与预设的阈值进行判断，当参数超过预设数值时，进行图-文报警。监控系统能够及时的提醒工作人员进行查看，不仅能够实现对灾害数据的实时监测，极大的提高监测控制的效率，而且能够清楚的表明渗水位置。

附图说明

图1为复杂地质环境地下工程长期服役下灾害可视化监测预警系统的结构示意图；

图2为复杂地质环境地下工程长期服役下灾害可视化监测预警方法的执行流程示意图；

图3为放热胶囊结构示意图，1-生石灰；2-PVA薄膜；3-变色硅胶；

图4为放热组结构示意图；

图5为放热组布置示意图，以设置四组放热组为例，a-2/3钢筋保护层厚度；b-放热组布置间距，b＝(c-2a)/3；c-混凝土结构设计厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种地下工程长期服役状态监测预警可视化平台，如图1所示，所述平台包括信息实时自动感知模块、信息传输模块、地面计算机系统以及报警器，其中：

所述信息实时自动感知模块用于实时获取地下工程混凝土灾害参数，所述灾害参数包含混凝土裂缝宽度、数量及渗水状态；

所述信息传输模块用于将信息实时自动感知模块获取的地下工程混凝土灾害参数通过网络实时传输至地面计算机系统；

所述地面计算机系统用于基于地下工程混凝土灾害参数进行系统阈值诊断，在地下工程混凝土灾害参数超出预设范围时，控制报警器进行报警提示。

本发明中，所述信息实时自动感知模块包括摄像头和热成像仪，其中：

所述摄像头用于获取混凝土裂缝宽度及数量；

所述热成像仪用于获取混凝土渗水状态；

所述混凝土裂缝宽度与数量的获取基于图像识别技术，使用摄像头获取混凝土内表面照片，然后将图片传至地面计算机系统进行识别分析裂缝宽度与数量；

所述渗水状态的获取基于红外热成像技术，采用热成像仪对其进行监测。

本发明中，所述信息传输模块包括监控分站、交换机和地面服务器，其中：

所述监控分站通过地下传输电缆分别与热成像仪和摄像头通信连接；

所述交换机分别监控分站和地面服务器通信连接；

所述地面服务器与地面计算机系统通信连接。

本发明中，所述地面计算机系统包括三维可视化监测模块和智能服务模块，其中：

所述三维可视化监测模块用于实现地下工程混凝土裂缝宽度、数量、渗水状态以及地下工程模型的可视化，并实现三维场景的管控、动态查询和地下工程虚拟漫游操作，进行灾害系统阈值诊断，在混凝土裂缝宽度、数量及渗水状态高于上限时做出图-文报警提示；

所述智能服务模块用于基于灾害参数和三维可视化监测模块传递的信息，进行日常灾害报表管理、灾害报告编写、灾害立体图自动绘制展示。

本发明中，所述三维可视化监测模块具体用于通过信息实时自动感知模块监测的地下工程混凝土灾害参数和地下工程已有数据，运用3D虚拟仿真技术实体建模实现灾害参数和地下工程模型可视化功能；通过实时监测的地下工程灾害参数，与预设的阈值进行诊断，当参数超过预设数值时，进行图-文报警。

一种利用上述可视化平台进行地下工程长期服役状态监测预警的方法，包括如下步骤：

步骤1)将生石灰用保护膜包裹，在外再覆盖一层变色层同时起保护作用，制成球状或胶囊状，得到放热胶囊。

步骤2)如图4和图5所示，放热胶囊采用细线绑扎固定在细钢丝网上，在钢丝网横纵两个方向上每隔1米放置一个放热胶囊得到一个放热组，根据混凝土结构设计厚度以及结构重要性，确定所需放热组数，等分部置，浇筑混凝土。

步骤3)利用热成像仪对混凝土渗漏水状态进行监测，当混凝土出现渗水时，放热胶囊与水产生反应放热，利用热成像仪对混凝土温度监控得到放热点，即混凝土渗水发生位置，还可根据放热点的数量对混凝土健康状态进行评估，同时，利用变色层与混凝土颜色不一致的特性，辅助识别裂缝；

步骤4)信息传输模块将热成像仪与摄像头采集的地下工程混凝土灾害参数通过网络实时传输至地面计算机系统；

步骤5)地面计算机系统通过地下工程混凝土灾害参数和地下工程已有数据，运用3D虚拟仿真技术实体建模实现灾害参数和地下工程模型可视化功能；通过实时监测的地下工程灾害参数，与预设的阈值进行诊断，当参数超过预设数值时，进行图-文报警。

本发明中，所述保护膜选用PVA膜，变色层选用变色硅胶。生石灰遇水反应放热，以此特点采用热成像仪确定混凝土渗水状态。PVA薄膜作为一种与水充分接触会溶解的物质，起隔绝作用，主要为防止放热胶囊在与混凝土混合过程中，变色硅胶吸收水分进入内部与生石灰反应，因此在变色硅胶与生石灰间加入一层PVA薄膜保护生石灰，防止其过早发生反应。变色硅胶厚度需适中，以2～3毫米为宜，起隔绝保护作用，能够区分水分包裹条件，能够使得放热胶囊在混凝土混合与养护凝固过程中，混凝土中的少量水分仅能少量进入胶囊内部或不能进入。同时，当混凝土在长期服役下出现渗水，大硅胶球对水有极强的吸附性，在此条件下，硅胶球内部PVA薄膜会逐步溶解释放出内部生石灰，使其与水产生反应放热，利用热成像仪对混凝土温度监控，从而来实现对混凝土内部渗水状态的监测。同时，由于变色硅胶具有吸湿后自身颜色由蓝色变红色的特性，不同于混凝土颜色，因此当裂缝出现时可作为一种辅助对比，帮助识别裂缝。