CN104236812B - 一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明公开了一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法及装置，通过在隧道内壁上布设电极阵列，依次在两相邻电极上加电压，使隧道衬砌墙壁和电极形成供电回路，利用回路中电流情况判断被测电极间是否存在渗漏，综合所有电极的检测结果，可以估计隧道墙壁渗漏区域的形状。本发明能够在渗漏水现象出现时及时定位和报警，以便隧道管理人员在第一时间发现和治理隧道渗漏水病害。此外，还可以长期跟踪已有渗漏水病害的发展，帮助观察隧道的结构性能演变趋势。

Description

一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道渗漏水检测技术领域，特别涉及一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法及装置。

背景技术

随着我国城市现代化水平的提高和人们生活节奏的加快，地铁以其方便快捷的优势正逐渐成为大城市公共交通系统的重要组成部分，大量的省会城市及部分二线城市都在投入巨资新建地铁。与此同时，地铁隧道健康服役面临的问题却日益突出。渗漏水是最常见也是最典型的一种地铁隧道结构病害，我国的许多城市地铁都在被严重的渗漏水病害所困扰。

在地下水的长期侵蚀作用下，隧道衬砌中的混凝土和钢筋受到腐蚀，原有的微裂缝扩大、贯穿，影响隧道结构的耐久性，大量的渗漏水还会降低隧道内各种附属设施的使用功能和寿命，危及行车安全。对盾构隧道而言，发生局部渗水后，在地下水补给不充分时，地下水的流失使得孔隙水压力降低，土中有效应力增加，土体被压密而引起不均匀沉降，隧道产生变形，导致错台、管片与道床脱开、环向收敛等一系列病害，隧道的弯曲还导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗漏。可见，渗漏水不仅是盾构隧道中最普遍的结构病害，还会诱发一系列的其他病害，因此，对隧道渗漏水病害的检测在当前形势下显得尤为重要。

现有的隧道渗漏水常规检测通常由检测人员携带检测工具或设备，采用步行的方式进行目测或量测，这类方法存在效率低、主观性强、费时、费力等缺点。近年来，人们研究出了红外热成像法、激光扫描法、地质雷达法、光纤光栅、分布式光纤等渗漏水快速无损检测方法，但它们也存在一些难以克服的缺点。红外热成像、激光扫描等方法大多仪器设备成本较高，若要全面检测则需要依靠车辆移动，沿隧道全长检测一次周期较长、效率较低。而分布式光纤及光纤光栅通过光学原理来工作，需要另外配备大型的解调设备，增加额外的成本。渗漏水是一个随机的过程，如果采取人工或仪器定期检测，则检测间歇期发生的严重渗漏水，无法在第一时间发现和处置，有可能会酿成灾害。因此，针对当前的渗漏水问题，需要一种低成本、并能够长期、自动检测隧道渗漏水的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法及装置，通过在隧道内壁布设电极阵列，使混凝土墙壁和电极形成供电回路，利用回路中电流来检测渗漏水，以解决现有检测方法存在的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法，包括以下步骤：

1)将隧道渗漏水常发位置标记为检测区域；

2)在每个检测区域的隧道内壁上布设电极阵列；

3)在电极阵列的某两个电极之间加上恒定电压，；当隧道混凝土墙壁呈干燥状态时，几乎不导电，电流为0；当检测区域发生渗水，两电极间的混凝土被水浸湿时，电阻显著减小，电极将与混凝土构成回路，回路中串联一电流表能检测到一定电流值；

4)根据电流表检测到的电流值判断两电极间的区域是否渗水；若电流值小于或等于阈值，则认为该区域不渗水，若电流值大于阈值，则认为该区域渗水。

所述的电极阵列呈网格状或条带状排列。为了解整个待检测区域的渗漏水情况，每个电极与其上下左右方向上相邻的电极都要进行一次组合，并检测相应的电流。根据所有电极组合的检测结果，利用以下原则可以近似确定渗漏水形状：若连续多个电极组合都能检测到电流，则可以认为这多个电极所围成的区域内都存在渗漏水，渗漏水区域一直延伸到最近的无电流的电极组合为止。因此，恒定电压施加于电极阵列中横向或纵向上两个相邻的电极上，检测时需对所有相邻电极的组合进行检测，并根据该检测结果获取渗漏水的位置和形状。

从节能的角度考虑，实际测量时仅设置一个电源和一个电流表，采用巡检的方式依次接通各个相邻电极组合，形成相应的检测回路，记录每个检测回路中的电流值，直至检测完所有电极组合。每次巡检的间隔周期为1小时～1天，根据渗漏水严重程度和隧道重要性决定。

隧道中渗漏水常发位置，对于盾构隧道，为隧道两端及旁通道附近的环缝、纵缝、注浆孔等；对于山岭隧道，为拱部、中墙等。每个检测区域的大小在0.5m×0.5m～1m×1m之间为宜。

由于电极阵列的排列方式根据检测部位决定，对于盾构隧道的接缝部位，电极应沿着接缝呈条带状排列、对于盾构隧道的注浆孔部位以及山岭隧道的大部分渗漏水部位，电极应呈网格装排列。电极阵列的个数根据待检测区域的大小决定，为了降低成本同时控制漏检数量，相邻电极的间距在10cm～20cm之间为宜。

一种用于实施上述方法的检测装置，包括检测单元、数据传输单元和管理控制单元，所述的检测单元设置于每个检测区域处，检测单元包括电极阵列、恒定电源和数据采集模块，所述恒定电源的正负极分别连接电极阵列中的两个电极形成检测回路，所述的数据采集模块包含电流表，串联于检测回路，并通过传输单元将检测数据发送至管理控制单元。

所述的电极阵列呈网格状或条带状排列，电极阵列中横向或纵向上两个相邻的电极分别通过一个模拟开关连接恒定电源的正负极，通过切换模拟开关，使得形成每个检测回路的电极为横向或纵向上两个相邻的电极。

所述的数据传输单元包括无线发射模块、中继站、无线接收模块，所述的无线发射模块连接数据采集模块，所述的无线接收模块连接管理控制单元，无线发射模块和无线接收模块之间根据距离选择通过中继站或者直接进行数据传输。

所述的管理控制单元包括监测计算机和数据库，用于检测数据的保存和读取、渗漏水事件的报警和定位、以及控制指令的发布。

数据采集模块根据检测结果判断是否发送数据，若检测到的电流值小于或等于阈值，即该区域不渗水，则数据采集模块不发送数据；若检测到的电流值大于阈值，即该区域渗水，则数据采集模块通过传输单元将检测数据发送至管理控制单元。

与现有技术相比，本发明利用混凝土的绝缘性和地下水的导电性特征，实现对隧道渗漏水常发位置的长期自动检测，可以在渗漏水现象出现时及时定位和报警，以便隧道管理人员在第一时间发现和治理隧道渗漏水病害，最大限度减小渗漏水造成的损失。此外，该装置还可以长期监测已有渗漏水病害的发展，估计渗漏水的面积和流量，以帮助隧道管理人员观察隧道的结构性能演变趋势。而且本发明采用无线传感网络作为数据传输方式，在横断面上不会影响隧道限界，列车运行时也可照常检测。在纵向上，可以节省大量传输电缆，有效控制成本。

其具有以下优点：

1)平时未发生漏水时不向管理控制端传输信号，仅在发生漏水时才自动向外传输信号，节约能源，实现主动报漏功能。

2)无需人工辅助，即可实现隧道渗漏水的长期自动监测，并可以提供渗漏水位置、面积等信息，提高隧道运营管理效率。

3)本发明原理清晰，结构简单明了，成本低廉。

附图说明

图1为本发明基于电导率的隧道渗漏水检测装置一个实施例的结构示意图；

图2是本发明基于电导率的隧道渗漏水检测装置一个实施例的检测流程图；

图3是应用本发明的检测方法获得的渗漏水形状的预估图，其中(a)为实际渗水形状，(b)为可检测到渗水的电机组合，(c)为检测获取的渗水形状。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1和图2示出了本发明基于电导率的隧道渗漏水检测装置的一个实施例，其中，图1为该实施例的结构示意图，图2为进行检测的流程图。

如图1所示，一种基于电导率的隧道渗漏水检测装置，包括检测单元101及102、数据传输单元107和管理控制单元111。

检测单元101及102用于检测渗漏水信息，包括电极阵列103，模拟开关104，恒定电源105，数据采集模块106。电极阵列103由多个电极呈条带状或网格状排列组成，其排列方式和个数根据所处部位和检测区域大小决定。采用导电胶将电极阵列103黏贴在待检测区域的隧道墙壁上。模拟开关104共有两组，分别位于恒定电源的两端，用于控制所有电极的断开和闭合。每个电极均延伸出一根导线，横向或纵向上两个相邻的电极所延伸出的导线应分别与电源两侧的模拟开关104相连，处于斜对角方向上的两个电极所延伸出的导线应与同一个模拟开关104相连。恒定电源105用来给回路提供电压；数据采集模块106内包含一个电压表，用于获取回路中的电流数据，并将模拟信号转换为数字信号。根据混凝土墙壁的导电性、相连电极的间距和导电胶的电阻选择恒定电源105的大小和数据采集模块106的精度。

每个待检测区域都设置一个检测单元，本实施例中设置2个检测单元101及102，每个检测单元拥有唯一的地址信息，可以被数据传输单元107识别。

数据传输单元107用于接收检测单元101及102传来的检测信息，并传送给管理控制单元111。所述数据传输单元107为无线传感网络，包括无线发射模块108、中继站109、无线接收模块110。

每个检测单元101及102都配有一个无线发射模块108，可以定期将该检测单元的检测信息及相应地址信息传送给中继站109。

根据检测单元101及102到管理控制单元111的远近，以及无线信号的最优传输距离，在隧道中设置若干个中继站，用于接收无线发射模块108的数据，并传递给下一个中继站，最终传输给无线接收模块110。

无线发射模块108与中继站109之间的传输宜选用星形或树形网络，中继站之间的传输宜选用条形或组合型网络。

无线接收模块110与管理控制单元111相连，由无线接收模块110接收到的数据先到达监测计算机113，后存入数据库112。监测软件系统114根据数据库112中的检测信息及地址信息实现渗漏水的报警及渗漏水部位、形状的判断。

本发明基于电导率的隧道渗漏水检测装置的工作过程如下：

在检测开始前，设计电极布置、检测频率、检测顺序。选择一个检测单元101进行检测。

恒定电源105开始工作，为电路提供电压。按照预设的检测顺序选择该待测区域的第一对电极组合作为检测对象，由模拟开关104接通第一对电极组合的电路，并保持一段时间，数据采集模块106获取此时回路中的电流值，并传递到无线发射模块108。

由无线发射模块108对测得的电流值进行判断，若电流值为0，则不作处理，由模拟开关104切换下一个电极组合。若电流值大于0，则无线发射模块108将检测单元地址、电极编号、对应电流值发射给中继站，随后模拟开关104切换下一个电极组合。

类似的，由模拟开关104控制依次接通两相邻电极，按照上述原则进行数据的采集和发送，直至检测到最后一个电极组合，确保每个电极与其上下左右的相邻电极都有过一次组合，此时完成一个循环。

所有的电极组合均检测完毕后，所有模拟开关104全部断开，检测单元101开始休眠，接着进行下一个检测单元102的检测。检测单元101根据预设的检测频率到下一个检测时刻恢复工作，开始新一轮循环。

在检测单元101依次进行每组电极检测的同时，数据传输单元107将无线发射模块108的数据即时传输到接收端110，确保前一组电极的检测信息始终早于后一组电极的信息到达管理控制单元111。

当管理控制单元111接收到数据后，监测计算机113报警，并显示检测区域编号，电极组合编号，渗漏严重程度。当该检测区域所有电极组合检测完毕后，监测软件系统114根据所有数据绘制出渗漏水的形状。如图3所示，连续多个电极组合都能检测到电流，则可以认为这多个电极所围成的区域内都存在渗水，渗水区域一直延伸到最近的无电流的电极组合为止。根据该原则可以近似确定渗水位置和形状。

对于暂不处置且需长期监测的渗漏水，管理控制单元111接收到数据后及时存储到数据库112中，并由检测软件绘制出长期监测曲线，供隧道管理人员参考。

Claims (8)

1.一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将隧道渗漏水常发位置标记为检测区域，

2)在每个检测区域的隧道内壁上布设电极阵列，

3)在两个电极之间加上恒定电压形成检测回路，并在检测回路中串联一电流表，

4)根据电流表检测到的电流值判断两电极间的区域是否渗水；若电流值小于或等于阈值，则认为该区域不渗水，若电流值大于阈值，则认为该区域渗水；

每个检测区域的大小在0.5m×0.5m～1m×1m之间，相邻电极间的间距为10cm～20cm。

2.根据权利要求1所述的一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，所述的电极阵列呈网格状或条带状排列。

3.根据权利要求2所述的一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，恒定电压施加于电极阵列中横向或纵向上两个相邻的电极上，检测时需对所有相邻电极的组合进行检测，并根据该检测结果获取渗漏水的位置和形状。

4.根据权利要求3所述的一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，采用巡检的方式依次接通各个相邻电极组合，形成相应的检测回路，记录每个检测回路中的电流值，直至检测完所有电极组合。

5.一种用于实施权利要求1～4中任意一项所述方法的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，包括检测单元、数据传输单元和管理控制单元，所述的检测单元设置于每个检测区域处，检测单元包括电极阵列、恒定电源和数据采集模块，所述恒定电源的正负极分别连接电极阵列中的两个电极形成检测回路，所述的数据采集模块包含电流表，串联于检测回路，并通过传输单元将检测数据发送至管理控制单元；

数据采集模块根据检测结果判断是否发送数据，若检测到的电流值小于或等于阈值，即该区域不渗水，则数据采集模块不发送数据；若检测到的电流值大于阈值，即该区域渗水，则数据采集模块通过传输单元将检测数据发送至管理控制单元。

6.根据权利要求5所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，所述的电极阵列呈网格状或条带状排列，电极阵列中横向或纵向上两个相邻的电极分别通过一个模拟开关连接恒定电源的正负极，通过切换模拟开关，使得形成每个检测回路的电极为横向或纵向上两个相邻的电极。

7.根据权利要求5所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，所述的数据传输单元包括无线发射模块、中继站、无线接收模块，所述的无线发射模块连接数据采集模块，所述的无线接收模块连接管理控制单元，无线发射模块和无线接收模块之间根据距离选择通过中继站或者直接进行数据传输。

8.根据权利要求5所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，所述的管理控制单元包括监测计算机和数据库，用于检测数据的保存和读取、渗漏水事件的报警和定位、以及控制指令的发布。