CN101793502A - 借助于光纤应变测定内置土工膜破损位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防渗工程内部土工膜的破损迅速定位方案，属于水利工程(土木工程)——防渗技术领域。本方法是将连续的光纤与土工膜组成一体，光纤在土工膜内呈蛇形状均匀排列，光纤之间的间距小于或等于二倍光纤的应变敏感距离；以上述土工膜作为防渗材料，并使整个防渗区域光纤的光路导通；引出光纤的端点至光纤应变检测装置，覆盖土工膜的保护层；按防渗工程的布置设计，建立光纤长度L与防渗面的XY坐标值之间的转换式。土工膜破损导致的光纤断路或应变异常将被分布式检测系统发现，经过光纤长度与铺设距离的换算，可快速准确地确定土工膜的破损位置，为土工膜遭受破坏的堤坝争取到宝贵的抢修时间，从而有效地减少堤坝溃塌灾难的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种防渗工程内部土工膜的破损迅速定位方案，属于水利工程(土木工程)——防渗技术领域。
背景技术
渗透破坏是导致堤坝溃塌灾难的最主要原因。在防渗体的构成材料中，土工膜的价格低廉、防渗效果好，并具有适应坝体、地基变形的明显优势，在多地震地区、尤其在喀斯特地貌区域几乎是首选材料。相关技术自二十世纪七十年代引入我国后，已经形成了一套完整的土工膜生产、检验、防渗体设计、施工质量控制、验收等标准和规程，整体寿命也有明显提高——期望寿命已经接近一百年。世界各国都在在各种设计规范和施工规范中大力推荐土工膜作为防渗材料，我国前经贸委、水利部还先后组织了五十多个示范工程，以求尽快推广其应用范围。但是，土工膜的抗拉、抗剪强度较低，堤坝内的土工膜一旦在环境、水土生物、衬垫外力等作用下受损，其“开裂部位难以确定”这一重大缺陷立即显现出来。由于渗水穿越土工膜后迅速在土体内扩散，即使堤坝内预埋监测仪器也无法确定损伤部位。这一弊端使得开裂初期短暂的抢修时机丧失，导致撕裂和渗透破坏急剧扩展，严重威胁到堤坝的安全。因此土工膜在堤坝、尤其是中高型土石坝中的应用一直受到极大的制约。
有关部门的统计表明：由于堤坝内的土工膜遭受损伤后难以及时察觉、难以定位修复，大多数工程(甚至是小型工程)都不愿使用土工膜，宁愿以成倍的代价、进行大范围的灌浆防渗。我国有许多地区属于地震多发区，虽然其震级或破坏烈度通常不大，但由于灌浆形成的防渗体薄而脆、与坝体材料的亲和力较差，必然在大坝受震变形时发生断裂或接触带离析。于是在许多地方就出现了灌浆-渗漏-再灌浆-再渗漏的怪圈循环，每次花费数百万～数千万元的资金灌浆，只能使大坝在2～5年内的渗透指标达到相应的标准。以申请者承担鉴定的云南大姚县龙林水库为例：2001年5月大坝灌浆完毕、当年汛期渗流指标检验合格；2003年7月地震后随即发现比灌浆前更大的渗漏，并出现流土险情，经安全鉴定为三类险坝。二百余万元的国债资金只“加固”了这个小(一)型水库大坝两年，使灌溉用水的成本剧增到无法接受的3000～5000元/m3。
相比之下，土工膜属于柔性材料，对坝体坝基变形的适应能力很强，在未遭受外力刺穿、撕裂的情况下，其老化速度能够满足多数水利工程的经济寿命需求，特别适用于多地震地区和岩溶地区作为价廉物美的防渗铺盖。例如，昆明金殿水库库区和翠湖等地曾经长期大量漏水，多次采用混凝土塞、回填混凝土、充填灌浆等均未能解决问题，最后使用土工膜作盆式铺盖，才达到了止漏防渗的目标。1998年全国大洪水汛期，土工膜也是各地防渗抢险最普遍采用的措施。因此，一旦土工膜“损伤定位”的问题得到解决，必然提高土工膜的安全性能、改善防渗体的性价比、明显降低堤坝的造价；并且能为土工膜破坏后的堤坝争取到宝贵的抢修时间，有效地防止堤坝溃塌引发灾难。
资料检索表明，国内外在土工膜相关领域的研究主要集中在两个方面：①铺设工艺的研究，如垫层的筛分、层次、厚度，以及水压的关系，边角截水措施等；②材料改性的研究，如设法增加土工膜的韧性、塑性，改变厚度，延寿抗老化等。但在“内置土工膜受损部位的确定”方面，尚未检索到任何研究或成果信息。
“分布式光纤应变监测技术”业已成熟，特别适合于需要大范围密集监测的工程，已经成功应用于通讯光缆应力监测和光纤断路监测、输油管道应力监测等领域。土工膜上各点的应变是相互关联而连续的，土工膜的破损周边将出现应力集中，土工膜的破裂部位必然发生应变突变。如果将“光纤应变监测技术”与土工膜防渗技术相结合，依据相邻各点的同步应变对比即能找出可疑点，再对可疑点进行应变的时域对比即能发现“应变突变”，从而确定土工膜的破损位置。此外，柔韧光纤的“加筋”作用，还能明显提高土工膜的各项性能，改善坝坡的稳定性。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：提供了一种工程内置防渗土工膜破损监测、并快速确定破损位置的方法，其原理成熟可靠、操作简便、定量分析和计算快捷。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：在传统土工膜防渗技术基础上，将连续的光纤与土工膜组成一体，光纤在土工膜内呈蛇形状均匀排列，光纤之间的间距小于或等于二倍光纤的应变敏感距离；以上述土工膜作为防渗材料，使整个防渗区域的光纤光路导通；引出光纤的端点至光纤应变检测装置，覆盖土工膜的保护层；按防渗工程的布置设计，建立光纤长度L与防渗面的XY坐标值之间的转换式。
上述的光纤长度L与防渗面的XY坐标值之间的转换式可在计算机中建立，将光纤应变检测装置的输出连接到电脑的接口，通过计算机直接直接算出土工膜的渗漏位置；也可根据光纤应变检测装置的测量显示，人工应用转换式计算出土工膜的渗漏位置。
本发明的具体技术方案还包括：
所述的光纤直径为4μm～50μm，光纤之间的间距≤0.8m；土工膜采取沿坝轴线方向铺设，在防渗边界处不宜在侧面剪断光纤，而是将多余宽度的土工膜向防渗边界(坝顶、坝基等)嵌入铺设。
在各幅土工膜的边缘应留出0.2m～0.5m的无光纤区域用于相互交叠焊接或粘接，并且采用膜外连接光纤来焊接各幅土工膜的光纤头尾接头，形成一条全面导通的光路。
作为挡水建筑物的防渗主体，土工膜的破损周边将出现应力集中，并在破损部分出现应变突变。在各种环境温度、湿度和各种荷载下进行的多次重复实验均证明：土工膜破损必将导致此处的应变与破损之前、与附近未破损的部位均有明显区别，因此经过光纤断路或应变对比能够确定土工膜的破损位置。光纤检测应变的误差＜1με，内置土工膜破损的定位误差≤0.1m。上述指标均足以满足防渗工程安全和除险加固的需要。
本发明各重要组成的功能是：
(1)细径光纤土工膜：土工膜在挡水工程中作为防渗主体；细径光纤土工膜则以其中的分布式细直径光纤作为相对密集的传感器，监测土工膜中各点的应变变化，并以“光纤断路或应变对比异常”作为土工膜破裂的判定依据。
(2)判断应变对比异常：土工膜的破损周边将出现应变集中，破损部位的应变将发生突变，与破损之前、与附近未破损部位的应变均有显著区别。光纤应变检测误差＜1με，通过应变对比异常来确定土工膜的破损位置。
(3)光纤应变检测装置：以光纤为分布式密集传感器，周而复始地采集土工膜中各测点的应变值，并与设备中存储的该点此前的应变、附近各测点的应变进行自动对比，发现光纤断路或超过阈值的应变异常则自动声光报警、并显示异常点对应的光纤长度L。可使用布里渊光谱议等已有的光纤应变检测设备。
(4)异常点的坐标转换：以各工地土工膜的铺设施工设计为依据，将应变对比异常点至原点的光纤长度L换算成防渗面的XY坐标值，使得定位数据与工程技术人员的惯例一致，便于快速准确地确定土工膜的破损位置。
本发明的工作原理：
(1)布里渊散射频移与光纤的应变密切相关
光脉冲与光纤中的声子非弹性碰撞，产生布里渊散射。若入射光频率和光纤材料已知，则布里渊散射光与人射光的频率之差就对应了光纤的应变。因此，通过测定布里渊频移就可实现对应变的测量。
(2)散射光的速度与光纤密切相关
光纤的材料、细观结构均对布里渊光频和传播速度产生直接影响。只要现场标定了光纤中的光速、设定了测点的间隔，依据散射光的传播时间，就能够很方便地计算出各测点的光纤长度。
(3)光纤检测应变的技术已经成熟
1997年Parker等人在测量布里渊频移的同时，还测量了Stokes光强、反Stokes光强及瑞利峰值，并通过求解功率变化与频率变化的耦合方程、实现了单根光纤上温度与应变的同时测量与分离。Fuced则在理论和实验上讨论了光纤布里渊散射的噪声剥离，发现在非线性区运用布里渊散射是可行的；在研究布里渊功率与增益G的关系时找到了最优参数，从而在测量中得到了较好的信噪比。至1999年，光纤分布式应变检测系统已经达到实用阶段：可测传感距离51km，检测精度优于±1με，测量范围可达-100～1000με以上，并能直接检测光纤断裂导致的布里渊散射突变。该技术已经成功应用于监测光缆、电缆、钢筋、岩层、混凝土结构等工程的应变应力以及光缆断路定位等诸多领域。
(4)内置土工膜各测点的应变与破损显著关联
多次重复实验均证明：土工膜的破损周边将出现应变集中，破损区的应变与该部位此前的应变对比、与附近未破损部位的应变同步对比，均有显著差异；土工膜破损并可导致对应的光纤断裂，从而引起光路畸形或断开、布里渊散射突变。因此，对各测点的前后应变进行对比，再辅之与相邻测点的应变同步对比，即可确定土工膜的破损位置。
本发明的有益效果是：
(1)提供了内置土工膜破损位置的定位方法
堤坝内的土工膜遭受损伤后难以察觉和定位修复，这一弊端将丧失抢修时间、导致渗透破坏的急剧扩展甚至溃坝，因此在全世界范围内土工膜的应用一直都受到很大的制约。本发明将成熟的“光纤断路和应变检测”原理引入土工膜防渗技术，结合细径光纤土工膜创新和防渗铺设实践，从根本上解决了防渗工程内置土工膜破损后无法定位的难题。试验表明：光纤检测应变的误差＜1με，土工膜破损的定位误差≤0.1m，足以满足工程安全和除险加固的要求。
(2)推广土工膜的使用、节省工程造价、减灾防灾
渗透破坏是堤坝的险况和导致溃塌的最主要原因，土工膜是各国规范推荐的柔性廉价防渗材料，其预期寿命已经能够满足工程经济寿命的要求，在多地震地区、尤其在喀斯特地貌区域几乎是首选材料，水利部也曾组织了多个示范工程予以推广。我国是世界上堤坝数量最多、病险工程最多的国家，政府每年都拿出数百亿资金用于水利工程的除险加固。由于本项发明解决了“内置土工膜破损定位”这一关键问题，土工膜作为价廉物美的防渗体，其应用范畴必将获得迅速拓展，逐渐取代充填灌浆、帷幕灌浆、乃至高压旋喷灌浆、防渗墙等昂贵结构，从而在保证安全的前提下产生显著的经济效益。该技术对于提高土工膜的安全性能、改善防渗体的性价比、增加坝坡的稳定性、明显节约堤坝的除险加固费用等均有重大意义，并且为土工膜遭受破坏的堤坝争取到了宝贵的抢修时间，能够有效地减少堤坝溃塌灾难的发生。
(3)提出了“细径光纤土工膜”的创新
得益于通讯领域的迅猛发展，光纤的直径已经达到4μm，透明度足够，已有长期监测光纤连续应变达165km的成功范例，细径光纤的柔韧性也已完全符合“纤维”属性。将细径光纤蛇形植入各种土工膜，不仅密切粘结了密集的分布式应变传感器，还能起到“加筋”的效果，有效改善传统土工膜和坝坡的相关力学性能。
附图说明
图1为本发明的细径光纤土工膜结构示意图；
图2为本发明的土工膜铺设状态示意图。
图中：土工膜1、光纤2、防渗边界3、交叠焊膜区4、膜外连接光纤5、坝顶6。
具体实施方式
(1)制造细径光纤土工膜
参见图1，在传统土工膜1的生产过程中增加工艺，将细径(例如50μm)光纤2以蛇形方式密切粘结其中，从而获得“细径光纤土工膜”。设土工膜的幅宽为B，土工膜边缘各留δ(建议0.25m)作为交叠焊接(粘接)无光纤区域，则光纤的单长Γ1＝B-2δ；光纤对其两侧0.4m内的应变变化较敏感，故光纤之间的间距Γ2≤0.8m(建议0.6m)。
(2)铺设光纤土工膜
参见图2，在防渗工程的施工过程中以上述细径光纤土工膜作为防渗材料，按现行规范施工。为避免过多的光纤接头和定位计算烦琐，建议沿坝轴线方向铺设；不宜在侧面剪断光纤，将多余宽度的土工膜向防渗边界3(坝顶、坝基等)嵌入。
(3)接通应变传感器与监测设备的光路
铺设完毕后，按照通讯光纤的规范，用膜外连接光纤5焊接各幅土工膜的光纤2头尾、形成一条全面导通的光路。参见图2，设各膜外连接光纤5的长度分别为S1、S2、…。引出光纤2的起点，将光路连通到光纤应变检测装置上，再按现行规范覆盖土工膜的保护层(坝壳土料、坝坡防护石料等)。
(4)建立坐标转换式
参见图2，依据防渗工程的布置设计，应用常规数学变换，推导以应变检测装置入口为原点O的光纤长度L与XY坐标值之间的转换式。
(5)土工膜的应变监测
设定光纤上的测点间隔(建议0.01m)，标定该工程采用光纤中的光速。用光纤应变检测装置(布里渊光谱议，等)周而复始地自动监测土工膜内光纤各测点的应变变化，并与该点此前的应变、附近各测点的应变进行自动对比；发现突变或者超过阈值的应变异常则自动声光报警、并显示异常点距应变检测装置入口的光纤长度L。光纤的弹性允许应变约为500με，应变异常阈值建议：0.5min间隔，同测点对比≥±150με，与附近各测点对比≥60με。
(6)定位值的坐标转换
基于步骤(4)建立的转换式，将应变对比异常点的光纤长度L换算成土工膜破损位置的XY坐标值。
例如，设图2中H点因土工膜穿孔导致附近的光纤应变异常超过阈值，光纤应变检测装置报警并显示两个异常点的光纤长度L值分别为L1＝1089.00m和L2＝1095.10m，异常应变增量分别为Δσ1＝180με和Δσ2＝460με。则经过下列运算即可确定坝内土工膜破损位置的坐标。
假定由设计和施工记录已知：土工膜幅宽B＝6m；边缘交叠无光纤区域δ＝0.25m；五幅土工膜(从上到下)分别长C1＝120m，C2＝113m，C3＝103m，C4＝89m，C5＝70m；膜外连接光纤(从上到下)分别长S1＝16m，S2＝16m，S3＝9m，S4＝19m。膜内光纤间隔Γ2＝0.6m，光纤单长Γ1＝B-2δ＝5.5m。
竣工验收计算：各土工膜(从上到下)中的光纤长度D
D1＝(C1-2δ)/Γ2×(Γ1+Γ2)+Γ1＝1220.42m
D2＝(C2-2δ)/Γ2×(Γ1+Γ2)+Γ1＝1149.25m
D3＝(C3-2δ)/Γ2×(Γ1+Γ2)+Γ1＝1047.58m
D4＝(C4-2δ)/Γ2×(Γ1+Γ2)+Γ1＝905.25m
D5＝(C5-2δ)/Γ2×(Γ1+Γ2)+Γ1＝712.08m
光纤监测异常点的坐标转换：L1＜L2＜D1，故两个应变异常点均位于长度为D1的土工膜内。
因int[L1/(Γ1+Γ2)]＝178，int[L2/(Γ1+Γ2)]＝179，余数均为0.52＜Γ1，对X值均无影响。故X1＝int[L1/(Γ1+Γ2)]×Γ2＝106.80m
X2＝int[L2/(Γ1+Γ2)]×Γ2＝107.40m
因L1、L2分别对应的光纤间隔数178为偶数、179为奇数，余数0.52对Y值分别自上、自下产生影响：Y1＝0.52m；Y2＝Γ1-0.52＝4.98m。
计算土工膜穿孔点H的坐标：点H到两侧光纤应变异常点的距离，与异常的应变增量Δσ近似成反比。
(HX-X1)∶(X2-HX)≈Δσ2∶Δσ1；(HY-Y1)∶(Y2-HY)≈Δσ2∶Δσ1
带入前面获得的数据，即可解出土工膜穿孔点H的防渗面坐标为：HX≈107.23m，HY≈3.73m。
Claims (3)
1.一种借助于光纤应变测定内置土工膜破损位置的方法，其特征是：将连续的光纤与土工膜组成一体，光纤在土工膜内呈蛇形状均匀排列，光纤之间的间距小于或等于二倍光纤的应变敏感距离；以上述土工膜作为防渗材料，并使整个防渗区域光纤的光路导通；引出光纤的端点至光纤应变检测装置，覆盖土工膜的保护层；按防渗工程的布置设计，建立光纤长度L与防渗面的XY坐标值之间的转换式。
2.按权利要求1所述的借助于光纤应变测定内置土工膜破损位置的方法，其特征是：所述的光纤直径为4μm～50μm，光纤之间的间距≤0.8m；土工膜采取沿坝轴线方向铺设，在防渗边界处将多余宽度的土工膜向防渗边界嵌入铺设。
3.按权利要求2所述的借助于光纤应变测定内置土工膜破损位置的方法，其特征是：在各幅土工膜的边缘应留出0.2m～0.5m的交叠无光纤区域，并且采用膜外连接光纤来焊接各幅土工膜的光纤头尾接头。
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