本發(fā)明涉及工程檢測，特別是涉及一種水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、水電站的壩址節(jié)理是指壩址區(qū)域巖體中存在的裂隙或斷裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理的存在可能會對壩體的穩(wěn)定性以及滲透性造成影響，可能會對地下設(shè)施的穩(wěn)定性造成影響，甚至可能會對水電站施工的安全性造成影響，因此，在選擇壩址和設(shè)計大壩時，必須會對壩址區(qū)巖體上的節(jié)理進行詳細(xì)的調(diào)查和分析。

2、在水電站壩區(qū)節(jié)理對地下設(shè)施的重要影響包括造成地下設(shè)施變形，具體的，壩址在開挖修整活動中，巖體的損傷以及應(yīng)力釋放將造成節(jié)理活化以及巖體松弛，致使巖體的強度降低、支撐能力降低，對壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造進行分析可有效指導(dǎo)施工以及提供處理方案，保障施工安全性以及工程質(zhì)量。

3、節(jié)理構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查工作中，除了采用實驗室方法進行如巖體物理學(xué)特性測試以外，還包括進行現(xiàn)場分析的方法，現(xiàn)場節(jié)理分析手段包括但不限于如常見的基于地震波實施的位置以及規(guī)模勘探，基于鉆探取芯實施的節(jié)理特性分析，基于地質(zhì)測繪實施的節(jié)理分布、走向等參數(shù)獲取，基于定點地質(zhì)活動采集實施的節(jié)理穩(wěn)定性分析等。

4、壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造現(xiàn)場分析手段包括專利申請?zhí)枮閏n201510056305.9的專利文件，提供的基于布拉格光纖光柵傳感器獲得巖體松弛圈深度的方法，并針對巖體具有的滯后破裂特性，提供了具體的監(jiān)測方法以及數(shù)據(jù)采集頻率方法；申請?zhí)枮閏n201810585553.6的專利文件，提供了基于激光掃描儀獲得巖體結(jié)構(gòu)空間點云數(shù)據(jù)，再通過對點云中的進行數(shù)據(jù)處理，獲得結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的方法；申請?zhí)枮閏n201710086299.0的專利文件，提供了一種基于三維激光掃描儀獲得巖體塊體形狀和塊度分布的方法。

5、為促進壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析工作，指導(dǎo)水電站施工以及保障水電站施工質(zhì)量，有必要相關(guān)節(jié)理構(gòu)造分析方法進行進一步優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述提出的優(yōu)化節(jié)理構(gòu)造分析方法的問題，提出一種水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析方法及系統(tǒng)，本方案基于光纖監(jiān)測裝置以及激光監(jiān)測裝置實施節(jié)理構(gòu)造分析，可高效和精準(zhǔn)檢測到節(jié)理構(gòu)造發(fā)展。

2、具體技術(shù)方案為：一種水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析方法，包括以下步驟：

3、步驟1、通過航測建模方法，獲得包括節(jié)理構(gòu)造信息的水電站壩區(qū)巖體三維模型；

4、步驟2、確定水電站壩區(qū)巖體三維模型中的節(jié)理構(gòu)造分析點，為各節(jié)理構(gòu)造分析點配置光纖振動檢測模塊以及激光振動儀模塊；

5、所述光纖振動檢測模塊的光纖測管通過所設(shè)置的鉆孔配置在節(jié)理構(gòu)造分析點的巖體中，各節(jié)理構(gòu)造分析點均設(shè)置有至少一根光纖測管，光纖測管用于獲取節(jié)理構(gòu)造分析點的滑動變形，所述激光振動儀模塊布置在可覆蓋多個節(jié)理構(gòu)造分析點的位置，激光振動儀模塊用于獲取節(jié)理構(gòu)造分析點的滑動變形；

6、步驟3、信號采集模塊采集光纖測管的獲取結(jié)果，當(dāng)判定為節(jié)理構(gòu)造分析點的巖體發(fā)生滑動變形時，通過控制模塊，觸發(fā)激光振動儀模塊獲取發(fā)生滑動變形的節(jié)理構(gòu)造分析點的光頻率特性，激光振動儀模塊根據(jù)光頻率特性獲得節(jié)理構(gòu)造的滑動變形量以及滑動變形速度；

7、步驟4、基于所述滑動變形量以及滑動變形速度，通過分析模塊構(gòu)造出節(jié)理構(gòu)造分析點的滑動變形動態(tài)監(jiān)測結(jié)果。

8、以上方案中，通過步驟1構(gòu)建包括節(jié)理構(gòu)造信息的水電站壩區(qū)巖體三維模型，目的在于通過航測的方法獲得水電站壩區(qū)的整體節(jié)理構(gòu)造特性，解決因為壩區(qū)區(qū)域較大以及某些區(qū)域并不容易采用直接觀察法，而造成的整體節(jié)理構(gòu)造特性效率低、難度大的問題，在步驟2中，通過人工經(jīng)驗觀察的方法、模型加載模擬的方法等，從水電站壩區(qū)巖體三維模型中篩選出用于節(jié)理構(gòu)造分析的節(jié)理構(gòu)造分析點，這些節(jié)理構(gòu)造分析點通常為需要關(guān)注的節(jié)理構(gòu)造容易發(fā)育的重點位置或者具有代表性的位置，并為節(jié)理構(gòu)造分析點配置節(jié)理構(gòu)造穩(wěn)定性監(jiān)測模塊，所述節(jié)理構(gòu)造穩(wěn)定性監(jiān)測模塊包括光纖振動檢測模塊以及激光振動儀模塊，其中，光纖振動檢測模塊為基于外界振動對光纖中傳輸光特性造成影響，將傳輸光特性轉(zhuǎn)換為巖體滑動變形時振動特性的監(jiān)測模塊，激光振動儀模塊為基于多普勒頻移原理，將激光光頻率特性作為被測巖體發(fā)生移動時的檢測信號的監(jiān)測模塊，并進一步運用為當(dāng)信號采集模塊根據(jù)光纖測管的獲取結(jié)果，判定為節(jié)理構(gòu)造分析點的巖體發(fā)生滑動變形時，在控制模塊作用下觸發(fā)激光振動儀模塊獲取發(fā)生滑動變形的節(jié)理構(gòu)造分析點的光頻率特性，將光頻率特性轉(zhuǎn)化為巖體的滑動變形量以及滑動變形速度，而后構(gòu)造出節(jié)理構(gòu)造分析點的滑動變形動態(tài)監(jiān)測結(jié)果。

9、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本方案將光纖振動檢測技術(shù)與激光振動檢測技術(shù)同時運用于水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析中，并運用為將光纖振動檢測模塊的檢測結(jié)果作為激光振動儀模塊的觸發(fā)條件，這樣，光纖振動檢測模塊僅需要獲得滑動變形定性指標(biāo)，并不要求光纖振動檢測模塊具有滑動變形定量功能，解決了光纖振動檢測模塊為獲得高分辨率而要求的系統(tǒng)復(fù)雜程度以及較高的安裝以及維護要求，同時也不用考慮當(dāng)測量距離較長時，需要解決的信號衰減對滑動變形定量測量結(jié)果的影響，同時，相較于傳統(tǒng)振動檢測，光纖測管具有滑動變形檢出率高的特點，而對于激光振動儀模塊，其在光纖振動檢測模塊檢出結(jié)果的觸發(fā)下工作，可較好的解決單個激光振動儀模塊不能同時為多個節(jié)理構(gòu)造分析點提供同步的滑動變形定量檢測的問題，同時，相較于光纖測量位移的方法，通過激光測量的方式還具有響應(yīng)速度快、能夠高精度滿足動態(tài)檢測需要的特點，通過對激光振動儀模塊檢出結(jié)果進行統(tǒng)計和數(shù)據(jù)處理，能夠更好的展示巖體變形情況以及展示節(jié)理構(gòu)造的發(fā)展趨勢，方便檢測人員獲取到巖體中更為準(zhǔn)確的節(jié)理構(gòu)造發(fā)育情況。

10、在一個具體實施例中，所述航測建模的方法為：

11、步驟1-1、通過人工控制航攝儀完成壩區(qū)航片獲取，并根據(jù)航片建立包括節(jié)理構(gòu)造信息的第一水電站壩區(qū)巖體三維模型；

12、步驟1-2、從第一水電站壩區(qū)巖體三維模型中識別出危險節(jié)理構(gòu)造，并將危險節(jié)理構(gòu)造確定為目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造；

13、步驟1-3、將目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造的位置標(biāo)注至航攝儀的飛行地圖中，航攝儀以目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造的位置作為環(huán)繞飛行方法的中心區(qū)域，以環(huán)繞法飛行再次提取目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造的節(jié)理構(gòu)造信息；

14、步驟1-4、利用再次提取到的節(jié)理構(gòu)造信息對第一水電站壩區(qū)巖體三維模型進行修正，獲得第二水電站壩區(qū)巖體三維模型；

15、步驟1-5、通過第二水電站壩區(qū)巖體三維模型確定節(jié)理構(gòu)造分析點。

16、以上方案提供了具體的基于航測模塊的航測建模方法，具體的，在步驟1-1中，航攝儀航線控制人員可以根據(jù)壩區(qū)的地質(zhì)特性，有針對性的獲取到第一水電站壩區(qū)巖體三維模型，其中可以包括如節(jié)理構(gòu)造分析人員關(guān)注的重點區(qū)域，通過提高這些區(qū)域航片分辨率的方法，獲取到更為細(xì)節(jié)化的地質(zhì)構(gòu)造以及地質(zhì)構(gòu)造上的節(jié)理構(gòu)造信息，以保障第一水電站壩區(qū)巖體三維模型中對目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造提取的準(zhǔn)確性以及提取率，在獲得目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造后，該目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造可認(rèn)為是粗糙的目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造，為更為準(zhǔn)確和全面的獲取到節(jié)理構(gòu)造分析點，在步驟1-3中，針對空中節(jié)理構(gòu)造識別具有細(xì)節(jié)度較差、容易出現(xiàn)遺漏的特點，以環(huán)繞法飛行的方法，從不同角度以及高度更準(zhǔn)確和高效的提取到節(jié)理構(gòu)造細(xì)節(jié)，并將這些節(jié)理構(gòu)造細(xì)節(jié)進一步運用于第一水電站壩區(qū)巖體三維模型進行修正，獲得第二水電站壩區(qū)巖體三維模型，在第二水電站壩區(qū)巖體三維模型中，利用容易將模型中的節(jié)理構(gòu)造與模型中的地質(zhì)特性相結(jié)合，通過綜合判斷的方法確定出最終的節(jié)理構(gòu)造分析點，達(dá)到更為準(zhǔn)確和全面的獲取到節(jié)理構(gòu)造分析點的目的。在步驟1-3中，所述目標(biāo)節(jié)理構(gòu)造的位置可以是一片區(qū)域，也可以是巖體表面節(jié)理構(gòu)造的特征點，當(dāng)為特征點時，可以是多條節(jié)理裂縫的交叉點或節(jié)理裂縫的寬度最大位置，當(dāng)為一片區(qū)域時，該區(qū)域的邊界為節(jié)理分布密集區(qū)的邊界線。

17、在一個具體實施例中，在航攝儀環(huán)繞法飛行過程中，航攝儀通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊向控制中心發(fā)送航片數(shù)據(jù)，當(dāng)控制中心通過航片數(shù)據(jù)確定為飛行高度滿足節(jié)理構(gòu)造分辨率要求時，航攝儀按照當(dāng)前環(huán)繞航線完成航片數(shù)據(jù)采集，當(dāng)控制中心通過航片數(shù)據(jù)確定為節(jié)理構(gòu)造分辨率低于航片數(shù)據(jù)質(zhì)量要求時，航攝儀降低飛行高度并重新規(guī)劃環(huán)繞航線，所述環(huán)繞航線為多層環(huán)繞航線。

18、在一個具體實施例中，航攝儀采集航片在選擇晴朗天氣下進行，以保障航片中節(jié)理構(gòu)造與周圍巖體的對比度，提高節(jié)理構(gòu)造可識別度；航攝儀采集航片的具體時間在11點與15點之間，該時間段不僅光照充足，同時太陽高度角較小，可以減少航片中的陰影，提高水電站壩區(qū)巖體三維模型中節(jié)理構(gòu)造特征質(zhì)量。

19、以上方案中提供了航攝儀環(huán)繞法飛行方法，具體的，針對巖體表面裂縫具有不易識別性的特點，提供一種在航攝儀環(huán)繞法飛行過程中，當(dāng)所采集的航片數(shù)據(jù)并不滿足裂縫特征識別要求時，以降低飛行高度提高節(jié)理構(gòu)造分辨率的飛行方法，本方法將工程人員的經(jīng)驗以及對壩區(qū)現(xiàn)場地質(zhì)的了解情況融入到了節(jié)理構(gòu)造識別中，可有效保障壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造的識別質(zhì)量以及識別率。采用多層環(huán)繞航線飛行的方法不僅能夠有效獲取到節(jié)理構(gòu)造的整體特性，同時能夠獲取到分辨率更高的節(jié)理構(gòu)造細(xì)節(jié)。

20、在一個具體實施例中，激光振動儀模塊獲得的光頻率特性為修正后的光頻率特性，所述修正為消除激光傳播路徑上干擾因素對結(jié)果所產(chǎn)生的干擾。

21、以上方案針對激光振動儀模塊在獲取光頻率特性的過程中，光頻率特性獲取結(jié)果容易被空氣中顆粒物干擾、壩區(qū)開闊的自然環(huán)境容易具有水氣以及灰塵等顆粒物，這些顆粒物均可能因為光散射導(dǎo)致激光振動儀模塊所接收到的信號產(chǎn)生變?nèi)?、產(chǎn)生干涉偏差等問題，提供一種將修正后的光頻率特性運用于滑動變形動態(tài)監(jiān)測結(jié)果構(gòu)建的技術(shù)方案，本方案可有效提高滑動變形動態(tài)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

22、在一個具體實施例中，在激光振動儀模塊獲取節(jié)理構(gòu)造分析點光頻率特性的間歇期，激光振動儀模塊對已知運動特性的參考物進行運動特性測量并獲得測量結(jié)果，根據(jù)該測量結(jié)果與已知運動特性的差異獲得激光振動儀的偏差修正幅值，并將所述偏差修正幅值運用于節(jié)理構(gòu)造分析點光頻率特性修正中。

23、以上方案中，針對干擾因素修正手段，提供一種基于已知運動特性的參考物的修正方法，區(qū)別于濾波技術(shù)完成光頻率特性參數(shù)修正，由于激光傳播路徑上的干擾因素并不確定，所以無法準(zhǔn)確為光頻率特性修正過程提供干擾因素的頻率特性，在將已知運動特性的參考物作為修正參考時，可以根據(jù)當(dāng)下環(huán)境下參考物運動特性的測量結(jié)果與已知運動特性的差異，獲得相對準(zhǔn)確的激光振動儀偏差修正幅值，從而使得節(jié)理構(gòu)造分析點光頻率特性能夠更為準(zhǔn)確的反映節(jié)理構(gòu)造分析點滑動變形特性。

24、在一個具體實施例中，所述光纖測管與節(jié)理構(gòu)造的配置方法為：

25、步驟2-1、通過節(jié)理構(gòu)造位置現(xiàn)場勘探的方法獲得巖體中節(jié)理構(gòu)造面的方向；

26、步驟2-2、采用垂直于巖體中節(jié)理構(gòu)造面的鉆孔設(shè)置方式，在巖體上鉆取安裝光纖測管的鉆孔；

27、步驟2-3、采用壓縮空氣對鉆孔進行清理后，將直徑小于鉆孔直徑的光纖測管置入鉆孔中，并采用回填料回填鉆孔；

28、根據(jù)巖體表面節(jié)理構(gòu)造的裂縫特性，為每個節(jié)理構(gòu)造分析點配置多個沿著裂縫走向間隔分布鉆孔，各鉆孔中均設(shè)置光纖測管。

29、以上方案提供了一種具體的光纖測管與節(jié)理構(gòu)造的配置方法，對于基于水電站壩區(qū)巖體三維模型所篩選出的節(jié)理構(gòu)造分析點，在步驟2-1中，采用包括但不限于肉眼觀察法、放大鏡觀察法、染色觀察法、工具測量法的現(xiàn)場勘探的方法獲得準(zhǔn)確的巖體中節(jié)理構(gòu)造面的方向，以獲得更具代表性的鉆孔位置，步驟2-3中所采用的方法可較好的保護光纖測管，提高光纖測管的裝配質(zhì)量，為各節(jié)理構(gòu)造所配置的鉆孔可用于更為全面的掌握節(jié)理構(gòu)造局部滑動變形特性，提高節(jié)理構(gòu)造形成以及擴展的檢出率。

30、在一個具體實施例中，在節(jié)理構(gòu)造分析點的覆蓋區(qū)域內(nèi)，選擇節(jié)理構(gòu)造較少的區(qū)域鉆取鉆孔，采用混合有砂料的泥漿回填鉆孔。

31、以上方案中，鉆取鉆孔的位置選擇以及回填料的選擇，可確保光纖測管能夠以穩(wěn)定插入在巖體中狀態(tài)準(zhǔn)確獲取到巖體滑動變形檢出結(jié)果，比如，節(jié)理構(gòu)造較少的位置可確保光纖測管固定穩(wěn)定性以及滑動變形可靠傳遞，混合有砂料的泥漿回填料不僅能夠保障光纖測管固定穩(wěn)定性，同時可保障應(yīng)變可靠傳遞。

32、在一個具體實施例中，所述激光振動儀模塊固定在穩(wěn)定的巖體上，光纖振動檢測模塊的獲取結(jié)果通過無線信號傳輸方式傳遞至信號采集模塊；控制模塊觸發(fā)與滑動變形巖體距離最近的激光振動儀模塊獲取發(fā)生滑動變形的節(jié)理構(gòu)造分析點的光頻率特性。

33、以上方案中，激光振動儀模塊固定位置的選擇用于避免激光振動儀模塊振動對檢查結(jié)果造成影響，光纖振動檢測模塊與信號采集模塊的數(shù)據(jù)傳遞方式具有通訊鏈路容易獲取的特點，當(dāng)通過光纖振動檢測模塊檢測到節(jié)理構(gòu)造分析點發(fā)生滑動變形時，激光振動儀模塊的選擇方法使得被選擇的可以具有更小的量程，用于保障滑動變形動態(tài)監(jiān)測結(jié)果的測量精度。

34、本方案還涉及一種水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括航測模塊、光纖振動檢測模塊、激光振動儀模塊、信號采集模塊、控制模塊以及分析模塊，用于實現(xiàn)如上任意一項所述的分析方法；

35、航測模塊用于獲得包括節(jié)理構(gòu)造信息的水電站壩區(qū)巖體三維模型；

36、光纖振動檢測模塊以及激光振動儀模塊均用于獲取節(jié)理構(gòu)造分析點的滑動變形，激光振動儀模塊根據(jù)所采集的光頻率特性獲得節(jié)理構(gòu)造的滑動變形量以及滑動變形速度；

37、信號采集模塊用于采集光纖振動檢測模塊的獲取結(jié)果，并判斷理構(gòu)造分析點的巖體是否發(fā)生滑動變形，當(dāng)發(fā)生滑動變形時，控制模塊用于觸發(fā)激光振動儀模塊獲取節(jié)理構(gòu)造分析點的光頻率特性；

38、分析模塊用于根據(jù)激光振動儀模塊的獲取結(jié)果，構(gòu)造出節(jié)理構(gòu)造分析點的滑動變形動態(tài)監(jiān)測結(jié)果。

39、在一個具體實施例中，還包括具對已知運動特性的參考物，所述參考物用于修正激光振動儀模塊的光頻率特性獲取結(jié)果；

40、所述航測模塊中設(shè)置有用于實現(xiàn)航攝儀避障的避障模塊以及用于實現(xiàn)航攝儀環(huán)繞法飛行的航線規(guī)劃模塊；

41、還包括用于實現(xiàn)光纖測管在鉆孔中固定的回填料，所述回填料為混合有砂料的泥漿。

42、以上水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析系統(tǒng)為用于實現(xiàn)所述水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析方法的系統(tǒng)。

43、本發(fā)明具有以下有益效果：

44、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本方案將光纖振動檢測技術(shù)與激光振動檢測技術(shù)同時運用于水電站壩區(qū)節(jié)理構(gòu)造分析中，并運用為將光纖振動檢測模塊的檢測結(jié)果作為激光振動儀模塊的觸發(fā)條件，這樣，光纖振動檢測模塊僅需要獲得滑動變形定性指標(biāo)，并不要求光纖振動檢測模塊具有滑動變形定量功能，解決了光纖振動檢測模塊為獲得高分辨率而要求的系統(tǒng)復(fù)雜程度以及較高的安裝以及維護要求，同時也不用考慮當(dāng)測量距離較長時，需要解決的信號衰減對滑動變形定量測量結(jié)果的影響，同時，相較于傳統(tǒng)振動檢測，光纖測管具有滑動變形檢出率高的特點，而對于激光振動儀模塊，其在光纖振動檢測模塊檢出結(jié)果的觸發(fā)下工作，可較好的解決單個激光振動儀模塊不能同時為多個節(jié)理構(gòu)造分析點提供同步的滑動變形定量檢測的問題，同時，相較于光纖測量位移的方法，通過激光測量的方式還具有響應(yīng)速度快、能夠高精度滿足動態(tài)檢測需要的特點，通過對激光振動儀模塊檢出結(jié)果進行統(tǒng)計和數(shù)據(jù)處理，能夠更好的展示巖體變形情況以及展示節(jié)理構(gòu)造的發(fā)展趨勢，方便檢測人員獲取到巖體中更為準(zhǔn)確的節(jié)理構(gòu)造發(fā)育情況。