CN105716686A - 复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统及运行方法，该系统包括载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置和外配体装置，所述载入端导连装置通过第一端口台与内框体装置进行连接，内框体装置与输出端导连装置通过第二端口台连接，内框体装置与外配体装置通过横向导杆进行连接。本发明利用载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置、外配体装置的组合结构，实现了变高程向的待测堤坝原地含水量监测，通过构建传感光纤输出端、传感光纤输入端和内框体装置中传感光纤的温度差值与原地含水量之间的经验模型，实现了堤坝浸润线的实时感知，较好解决了依靠分布式光纤传感技术实现堤坝浸润线监测的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统及运行方法，属于水工程安全感知系统。
背景技术
实现水工程渗流性态的实时高效监测，对保障其安全服役具有极为重大的意义，特别对于土石坝、堤防等土石散粒结构物，渗流问题及其影响更加突出，尤其需要加强渗流性态的高效感知以及时发现安全隐患。光纤传感技术作为一种多学科交叉的新型技术，由于其良好的力学性能及低廉的生产成本，在水工安全监测领域获得了极大的关注。随着分布式光纤传感技术的发展，借助其获取结构性态信息、感知结构健康状况，已成为水利、土木等工程安全领域重要的研究方向，但在水工程渗流性态的分布式光纤感知实际工程应用中，由于工作环境、结构特点等的特殊性，许多技术问题尚待解决和改进。
对于堤坝浸润线的感知，传统技术普遍存在精度不高、抗电磁干扰能力差、无法实现分布式监测、使用寿命短、体积大、引线多、亲和性差等众多不足。对于较为新颖的光纤传感技术而言，目前尚未建立成熟的浸润线分布式光纤感知理论，在实际应用推广方面更是缺少必要的监测手段及技术，急切需要从水工程渗流监测特点和特殊工作环境出发，研制一种理论简单、实用化强、便于长久使用的浸润线光纤感知系统及方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统及运行方法，具有工作效率高、可远程大范围感知、引线少、亲和性好等特点，可实现不同高程向土体的原地含水量监测，感知该区域的浸润线。
技术方案：为实现上述目的，本发明的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，包括载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置和外配体装置，所述载入端导连装置通过第一端口台与内框体装置进行连接，内框体装置与输出端导连装置通过第二端口台连接，内框体装置与外配体装置通过横向导杆进行连接；
所述载入端导连装置包含气压锁连模块及载纤连通模块，所述气压锁连模块包含中弧形压头和导气柱，所述中弧形压头通过压头过渡端与导气柱密闭形成凹形容气槽，外部气体通过导气柱外面的导气口进入，导气柱的末端为锥形气道，锥形气道与储气槽连通，储气槽中设有贯穿储气道的第一导纤横道，第一导纤横道中穿过传感光纤的输入端，通过外部气体的压力将锥形气道推开，将外部气体导入到储气槽中，储气槽通过内充气体将第一导纤横道进行压紧，通过手柄与排气道对压紧的程度进行调节；所述载纤连通模块包含外硬护层，外硬护层内接内软连层，内软连层内向紧贴第二导纤横道，传感光纤的输入端穿过第二导纤横道进入内框体中；
所述内框体装置包含竖承载台、中连柱、载纤轴、外圆载壁与传感光纤，在竖承载台和中连柱上设有若干个载纤轴，传感光纤通过分布于竖承载台与中连柱上的载纤轴进行“S”型布设，所述载纤轴为双螺旋通道，可平行布设两条传感光纤，中连柱位于外圆载壁内；
所述输出端导连装置包括了槽压锁紧模块与载纤固定模块，所述槽压锁紧模块包含旋动柄和旋动杆，旋动柄与旋动杆连接，旋动柄的转动可带动旋动杆的转动，旋动杆穿过圆球轴与连接椎体相连接，旋动杆与连接椎体螺纹连接，圆球轴与固定在第二端口台的框定杆连接，第二端口台固定在竖承载台上，连接椎体与T型横轨连接，连接椎体的上下移动带动T型横轨的上下运行；所述载纤固定模块包含导纤凹槽，导纤凹槽与T型横轨平行布设，通过载纤轴的牵引将传感光纤过渡至导纤凹槽中；
所述外配体装置包括外框体模块与机电组配模块，所述外框体模块包含导杆螺头、导杆螺栓和横向导杆，所述导杆螺头和导杆螺栓安装在横向导杆上，横向导杆位于竖承载台上，导杆螺头与导杆螺栓将开展梁固定于横向导杆上，所述横向导杆的下底面上配备有载纤箱，载纤箱中放置有可承载传感光纤输入端和输出端的载纤盘，且在横向导杆开设有缆线通过的通道，所述机电组配模块包含电机箱，缆线与电机箱连接，电机箱带动旋转滚轴高速旋转，进而带动与旋转滚轴连接的半圆转盘的转动。
作为优选，所述竖承载台的外侧布设有多个圆孔，载入端导连装置和输出端导连装置通过端口耳柄固定在圆孔中。
作为优选，所述竖承载台平行于中连柱且与外圆载壁相切布设。
作为优选，以中连柱为对称轴布设有相同的载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置与外配体装置。
一种上述的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统的运行方法，包括以下步骤：
第一步，确定传感光纤需要布设的位置，将载入端导连装置与输出端导连装置固定于竖承载台上，同时，将载纤轴分别安装到第一端口台与第二端口台上，且在第一端口台与第二端口台中间位置处需再安装一个载纤轴，在中连柱上同样安装两个载纤轴；
第二步，打开弧形压头及压头过渡端，将传感光纤的输入端通过第一导纤横道与第二导纤横道引至内框体装置中，通过第一端口台上的载纤轴将传感光纤引至中连柱中，后将传感光纤以“S”型布置于竖承载台与中连柱之间，在输出端导连装置处通过第二端口台上的载纤轴将传感光纤的输出端布设到导纤凹槽中；
第三步，将框定杆固定于第二端口台中，且通过框定杆将第二端口台与连接椎体连接，通过转动旋动柄进而带动旋动杆的上下运动，旋动杆的上下运动带动了T型横轨的上下运行，T型横轨会压紧到传感光纤的输出端所通过的导纤凹槽中；
第四步，将传感光纤的输出端与输入端分别引至载纤盘中，且通过缆线来控制电机箱的启动，后控制旋转滚轴的速度来控制半圆转盘的转速，进而控制取样速度，实现原样体取样；
第五步，除了初始应力之外，传感光纤的输出端与输入端均处于无外界应力的干扰状态，通过解调分析将传感光纤的输出端与输入端的温度数值分别记录为θout t与θin t，后将该时刻t下传感光纤的输出端与输入端的平均温度数值记录为θt τ＝(θout t+θin t)/2，在t时刻下，通过温度解调，内框体装置中传感光纤的温度数值记录为θt ζ，在t时刻下，传感光纤的输出端与输入端的平均温度与内框体装置中传感光纤的温度差值表示为θd＝|(θout t+θin t)/2-θt ζ|；后经过T时间之后再次进行同样的监测，则传感光纤的输出端与输入端处的传感光纤的解调温度值为θT τ＝(θout T+θin T)/2，经过(T-t)时间之后得出的传感光纤的输出端与输入端与内框体装置中传感光纤的温度差值为：θd＝|θT ζ-(θout T+θin T)/2，重复的进行监测，获取θd与土体含水率b之间的关系，通过拟合分析构建出不同土体下θd＝f(b)函数关系式，进而确定该处浸润线所通过的位置，最后获取断面浸润线及堤坝浸润面。
有益效果：本发明的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，利用载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置、外配体装置的组合结构，实现了变高程向的待测堤坝原地含水量监测，通过构建传感光纤输出端、传感光纤输入端和内框体装置中传感光纤的温度差值与原地含水量之间的经验模型，实现了堤坝浸润线的实时感知，较好解决了依靠分布式光纤传感技术实现堤坝浸润线监测的技术难题。
附图说明
图1为本发明的主结构图；
图2为图1的平面结构图；
图3为本发明中输出端导连装置的平面结构图；
图4为本发明中载入端导连装置的结构图；
图5为本发明中输出端导连装置的结构图；
图6为图1中半圆转盘的平面结构图；
图7为图1中载纤轴的结构图；
图8为图1中导纤凹槽的结构图；
图9为图1中T型横的结构图。
其中：100-开展梁、101-横向导杆、102-载纤盘、103-载纤箱、104-竖承载台、105-传感光纤输入端、106-传感光纤输出端、107-缆线、108-外圆载壁、109-中连柱、110-导杆螺头、111-导杆螺栓、112-传感光纤、200-第一端口台、201-内软连层、202-外硬护层、203-压头过渡端、204-弧形压头、205-导气塞、206-进气口、207-第一导纤横道、208-储气槽、209-锥形气道、210-手柄、211-凹形容气槽、212-耳柄帽、213-耳柄杆、214-端口耳柄、215-排气道、216-导气柱、217-导气口、218-第二导纤横道、300-第二端口台、301-连接椎体、302-旋动杆、303-旋动柄、304-框定杆、305-圆球轴、306-导纤凹槽、307-T型横轨、308-载纤轴、400-电机箱、401-旋转滚轴、402-半圆转盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图9所示，本发明的一种复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，包括载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置、外配体装置，载入端导连装置通过第一端口台200与内框体装置进行连接，内框体装置与输出端导连装置通过第二端口台300连接，内框体装置与外配体装置通过横向导杆101进行连接，载入端导连装置将传感光纤输入端105引至内框体装置中，传感光纤为ZTT-GYXTW-4A1a型的测温光缆，通过半圆转盘402与旋转滚轴401对5m高堤坝模型中土体进行原地取样分析，进而实现对堤坝模型浸润线的分布式感知。
气压锁连模块中直径为0.1m的弧形压头通过压头过渡端与导气柱密闭形成凹形容气槽211，且准备一个ConST118型号的便携式气压泵，将气压泵的接口连接到导气柱外面的导气口上，通过便携式气压泵将外部气体通过锥形气道209推入到储气槽208中，储气槽中的气压作用到直径为5cm的第一导纤横道207中，在第一导纤横道207中布设有ZTT-GYXTW-4A1a型的测温光缆，通过控制手柄210与排气道215对处于第一导纤横道207中的ZTT-GYXTW-4A1a型的测温光缆进行不同程度的松紧调节，将载纤连通模块中GFRP材质的外硬护层内接TPEE材质的内软连层，TPEE材质的内软连层内向紧贴直径为5cm的第二导纤横道218；
ZTT-GYXTW-4A1a型传感光纤112通过分布于高度为6m的竖承载台104与6m高中连柱109上直径为6cm的载纤轴308将ZTT-GYXTW-4A1a型传感光纤112进行“S”型布设；
槽压锁紧模块中直径为2cm的旋动柄303与直径为1cm的旋动杆302连接，通过旋动柄303的转动来带动长度为10cm的旋动杆302的转动，旋动杆302通过直径为2cm的圆球轴305与连接椎体301相连接，长度为10cm的框定杆304通过圆球轴305将高度为3cm的连接椎体301与第二端口台300连接，连接椎体301与高度为3cm的T型横轨307连接，且控制T型横轨307的上下运行；载纤固定模块中深度为3cm的导纤凹槽306与T型横轨307平行布设，且通过耳柄杆213将耳柄314端口固定于竖承载台104上，通过载纤轴308的牵引过渡将ZTT-GYXTW-4A1a型传感光纤112引至导纤凹槽306中；
通过导杆螺头110与导杆螺栓111将高度为6.5m的开展梁100固定于长度为0.5m的横向导杆101上，且在横向导杆101的下底面上配备有载纤箱103，载纤箱103中放有承载ZTT-GYXTW-4A1a型输出端106与ZTT-GYXTW-4A1a型输入端105的直径为10cm的载纤盘102，且在横向导杆101开设有YJV22型号缆线107通过的通道，所述机电组配模块中YJV22型缆线107与电机箱400连接，电机箱400中配有三相异步电动机，其带动旋转滚轴401以最高转速57000转/分钟的速度进行旋转，进而带动半圆转盘402的转动。
在本发明中，竖承载台104的外侧布设有10个圆孔，其沿着6m高的高程上安装载入端导连装置和输出端导连装置，且竖承载台104平行于中连柱109、与直径为5m的外圆载壁108相切布设，竖承载台104底端安装有半圆转盘402，其在旋转滚轴401的高速带动下对5m高的堤坝模型土体取样。
在本发明中，框定杆304可以让连接椎体301不发生转动而只发生竖直向的运动，在旋动杆302的带动下，T型横轨107卡入到导纤凹槽306中，旋转旋动柄303微调T型横轨307与导纤凹槽306的闭合程度，进而调整输出端106与导纤凹槽306的接触程度。
在本发明中，开展梁100与竖承载台104平行布设，且在开展梁100的上下底端布设有导杆螺头110与导杆螺栓111，通过导杆螺头110与导杆螺栓111将开展梁100固定于横向导杆101处，保护YJV22型缆线107、ZTT-GYXTW-4A1a型输入端105及ZTT-GYXTW-4A1a型输出端106，且保证该段处的传感光纤输入端105及输出端106处于无外力干扰状态，实现与内框体装置中的ZTT-GYXTW-4A1a型传感光纤112的比对分析；载纤盘103将富余的传感光纤输入端105和输出端106进行存储备用，以实现远距离监测。
一种如上述复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统的运行方法，包括以下步骤：
第一步，确定本堤坝工程需要监测的断面区域，后通过耳柄杆213、端口耳柄214将载入端导连装置与输出端导连装置固定于竖承载台104上，将载纤轴308分别安装到第一端口台200与第二端口台300上，在第一端口台200与第二端口台300中间位置处再安装一个载纤轴308，在中连柱109上同样安装两个载纤轴308，使传感光纤112能够在竖承载台104与中连柱109之间形成交错的“S”型结构布设；打开弧形压头204及压头过渡端203，将传感光纤输入端105通过第一导纤横道207与第二导纤横道218引至到内框体装置中，通过第一端口台200上的载纤轴308将传感光纤112引至到中连柱109中，后将传感光纤112以“S”型布置于竖承载台104与中连柱109之间，在输出端导连装置处通过第二端口台300上的载纤轴308将传感光纤112布设到导纤凹槽306中；
第二步，框定杆304固定于第二端口台300中，通过框定杆304将第二端口台300与连接椎体301连接，通过转动旋动柄303进而带动旋动杆302的上下运动，旋动杆302的上下运动带动了T型横轨307的上下运行，T型横轨307在向下运动时会压紧导纤凹槽306中的输出端106；通过直径为10cm的载纤盘将ZTT-GYXTW-4A1a型输出端106与ZTT-GYXTW-4A1a型输入端105盘绕数圈之后，将输出端106与传感光纤输入端105分别连接到Neubrex-6070型分布式光纤温度应变解调仪中，且对输出端106与传感光纤输入端105进行标记，标出光纤中光的传递方向，对缠绕在装置中的光纤而言，重要位置处需要进行标示，以与实际Neubrex-6070型号的分布式光纤温度应变解调仪所分析出来的结果进行比对，防止出现误差过大而影响最终结果的情况。
第三步，在上述步骤准备完毕之后，在空载情况下对两侧的传感光纤输入端105与输出端106进行测试，保证传感光纤输入端105与输出端106除了初始应力影响之外无外界应力干扰，将其作为后续监测中对比分析用光纤段，其次，还需要测定内框体装置中传感光纤112的连通性及空载情况下的传感光纤112初始数值；将YJV22型的缆线107从横向导杆101中引出，将其引至到ZH4105ZLD柴油机柴油发电机组中，且让ZH4105ZLD柴油机柴油发电机组作为本监测系统提供室外的供电模块，后通过YJV22型缆线107来控制电机箱400的启动，电机箱400启动之后，控制旋转滚轴401的转速来控制半圆转盘402的转速，从而控制本监测系统的取样速度，实现对本堤坝工程需要监测的断面区域的原样体取样；
第四步，本实施例中，由于堤坝高度为5m，取样区域中取土的深度为4m，在竖承载台104到达最终取土深度时，通过YJV22型号的缆线107控制电机箱400暂停运行，进而控制半圆转盘402和旋转滚轴401的停止运行，此时，将输出端106与传感光纤输入端105处的传感光纤的解调温度记录为θout t与θin t，本实施例中，该时刻t下的解调温度值分别为15℃和16.2℃，该时刻t下的温度数值记录为θt τ＝(θout t+θin t)/2，其数值为θt τ＝(15℃+16.2℃)/2＝15.6℃，在时刻t下，经过温度解调程序，将位于内框体装置中的传感光纤的温度进行解调，得到θt ζ数值，在t时刻下，θt ζ＝13.8℃，则t时刻下，输出端106与传感光纤输入端105与内框体装置中处的传感光纤112的温度差值为θd＝|(θout t+θin t)/2-θt ζ|，该数值为θd＝|(θout t+θin t)/2-θt ζ|＝|(15℃+16.2℃)/2-13.8℃|＝1.8℃；经过T时间之后再次进行同样的监测，则输出端与传感光纤输入端解调温度值为θT τ＝(θout T+θin T)/2＝(18.4℃+17.8℃)/2＝18.1℃，经过(T-t)时间之后得出的输出端与传感光纤输入端与内框体装置中处的传感光纤的温度差值为：θd＝|θT ζ-(θout T+θin T)/2|＝|12.6℃-(18.4℃+17.8℃)/2|＝5.5℃。
重复上述步骤4，完成该位置处含水量的监测，获取θd与土体含水率b之间的关系，通过一系列数值统计，构建出本堤坝工程θd与b之间的关系式为lnθd＝ln2.2+3.1b，b通过常规一起测得，进而可以确定该处浸润线所通过的位置，通过重复上述步骤1～4，将浸润线所通过的位置点连接成线即可完成该堤坝断面的浸润线感知。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，其特征在于：包括载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置和外配体装置，所述载入端导连装置通过第一端口台与内框体装置进行连接，内框体装置与输出端导连装置通过第二端口台连接，内框体装置与外配体装置通过横向导杆进行连接；
所述载入端导连装置包含气压锁连模块及载纤连通模块，所述气压锁连模块包含中弧形压头和导气柱，所述中弧形压头通过压头过渡端与导气柱密闭形成凹形容气槽，外部气体通过导气柱外面的导气口进入，导气柱的末端为锥形气道，锥形气道与储气槽连通，储气槽中设有贯穿储气道的第一导纤横道，第一导纤横道中穿过传感光纤的输入端，通过外部气体的压力将锥形气道推开，将外部气体导入到储气槽中，储气槽通过内充气体将第一导纤横道进行压紧，通过手柄与排气道对压紧的程度进行调节；所述载纤连通模块包含外硬护层，外硬护层内接内软连层，内软连层内向紧贴第二导纤横道，传感光纤的输入端穿过第二导纤横道进入内框体中；
所述内框体装置包含竖承载台、中连柱、载纤轴、外圆载壁与传感光纤，在竖承载台和中连柱上设有若干个载纤轴，传感光纤通过分布于竖承载台与中连柱上的载纤轴进行“S”型布设，所述载纤轴为双螺旋通道，可平行布设两条传感光纤，中连柱位于外圆载壁内；
所述输出端导连装置包括了槽压锁紧模块与载纤固定模块，所述槽压锁紧模块包含旋动柄和旋动杆，旋动柄与旋动杆连接，旋动柄的转动可带动旋动杆的转动，旋动杆穿过圆球轴与连接椎体相连接，旋动杆与连接椎体螺纹连接，圆球轴与固定在第二端口台的框定杆连接，第二端口台固定在竖承载台上，连接椎体与T型横轨连接，连接椎体的上下移动带动T型横轨的上下运行；所述载纤固定模块包含导纤凹槽，导纤凹槽与T型横轨平行布设，通过载纤轴的牵引将传感光纤过渡至导纤凹槽中；
所述外配体装置包括外框体模块与机电组配模块，所述外框体模块包含导杆螺头、导杆螺栓和横向导杆，所述导杆螺头和导杆螺栓安装在横向导杆上，横向导杆位于竖承载台上，导杆螺头与导杆螺栓将开展梁固定于横向导杆上，所述横向导杆的下底面上配备有载纤箱，载纤箱中放置有可承载传感光纤输入端和输出端的载纤盘，且在横向导杆开设有缆线通过的通道，所述机电组配模块包含电机箱，缆线与电机箱连接，电机箱带动旋转滚轴高速旋转，进而带动与旋转滚轴连接的半圆转盘的转动。
2.根据权利要求1所述的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，其特征在于：所述竖承载台的外侧布设有多个圆孔，载入端导连装置和输出端导连装置通过端口耳柄固定在圆孔中。
3.根据权利要求2所述的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，其特征在于：所述竖承载台平行于中连柱且与外圆载壁相切布设。
4.根据权利要求3所述的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统，其特征在于：以中连柱为对称轴布设有相同的载入端导连装置、内框体装置、输出端导连装置与外配体装置。
5.一种权利要求4所述的复杂环境下堤坝浸润线分布式光纤感知系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，确定传感光纤需要布设的位置，将载入端导连装置与输出端导连装置固定于竖承载台上，同时，将载纤轴分别安装到第一端口台与第二端口台上，且在第一端口台与第二端口台中间位置处需再安装一个载纤轴，在中连柱上同样安装两个载纤轴；
第二步，打开弧形压头及压头过渡端，将传感光纤的输入端通过第一导纤横道与第二导纤横道引至内框体装置中，通过第一端口台上的载纤轴将传感光纤引至中连柱中，后将传感光纤以“S”型布置于竖承载台与中连柱之间，在输出端导连装置处通过第二端口台上的载纤轴将传感光纤的输出端布设到导纤凹槽中；
第三步，将框定杆固定于第二端口台中，且通过框定杆将第二端口台与连接椎体连接，通过转动旋动柄进而带动旋动杆的上下运动，旋动杆的上下运动带动了T型横轨的上下运行，T型横轨会压紧到传感光纤的输出端所通过的导纤凹槽中；
第四步，将传感光纤的输出端与输入端分别引至载纤盘中，且通过缆线来控制电机箱的启动，后控制旋转滚轴的速度来控制半圆转盘的转速，进而控制取样速度，实现原样体取样；
第五步，除了初始应力之外，传感光纤的输出端与输入端均处于无外界应力的干扰状态，通过解调分析将传感光纤的输出端与输入端的温度数值分别记录为θout t与θin t，后将该时刻t下传感光纤的输出端与输入端的平均温度数值记录为θt τ＝(θout t+θin t)/2，在t时刻下，通过温度解调，内框体装置中传感光纤的温度数值记录为θt ζ，在t时刻下，传感光纤的输出端与输入端的平均温度与内框体装置中传感光纤的温度差值表示为θd＝|(θout t+θin t)/2-θt ζ|；后经过T时间之后再次进行同样的监测，则传感光纤的输出端与输入端处的传感光纤的解调温度值为θT τ＝(θout T+θin T)/2，经过(T-t)时间之后得出的传感光纤的输出端与输入端与内框体装置中传感光纤的温度差值为：θd＝|θT ζ-(θout T+θin T)/2|，重复的进行监测，获取θd与土体含水率b之间的关系，通过拟合分析构建出不同土体下θd＝f(b)函数关系式，进而确定该处浸润线所通过的位置，最后获取断面浸润线及堤坝浸润面。
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