CN105737939B - 一种堤坝浸润线在线诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堤坝浸润线在线诊断装置及方法，该装置包括外周向框体组件、内环向主测组件和内取样环测组件，外周向框体组件通过两侧的导台滚轴与内环向主测组件连接，内环向主测组件与内取样环测组件通过圆弧端搭接，外周向框体组件通过第一升降构件与导台滚轴连接，导台滚轴与主测导台连接，带动主测导台上下移动，主测导台的下方设有周向钢切体，周向钢切体的最底端设有高强外切环刀，借助高强外切环刀切割待监测原土，利用周向钢切体内光纤监测待监测原土的温度，获取不同高程向的土体原地含水量，本发明的堤坝浸润线在线诊断装置，通过不同范围不同高程处温度与含水量监测，可在线诊断出堤坝浸润线的位置及其变化情况。

Description

一种堤坝浸润线在线诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及一种堤坝浸润线光纤监测装置及诊断方法，属于水工程安全监控与健康诊断领域。

背景技术

堤坝浸润线的即时定位监测，对保障堤坝工程安全运行具有非常重要的意义，而传统多为点式监测与诊断，且具有体积大、引线多、亲和性差等不足。为此，在对传统监测技术进行适应性改进研究的同时，越来越多的新型技术被引入水工结构健康监测领域中，开展新技术在水工结构工程中的监测原理和实现方法、技术等的研究，已成为一个热点科研课题。

光纤光栅传感系统，为达到较多的温度传感点，往往需设置较多光开关和光纤分路器，这使得光纤传感器的安装比较困难。相对于光纤光栅传感系统而言，分布式光纤温度传感系统施工安装相对较简单，且具有分布式测量、抗电磁和高压、长距离、实时监测等诸多优点，借助先进的分布式光纤温度传感技术进行水工结构领域的健康监测引起了学术界和工程界的高度关注。但是对于堤坝浸润线的监测，目前一直沿用传统的监测技术，集中于定性判断与分析，对于新技术的应用极其缺乏；而且堤坝浸润线监测和诊断理论本身尚不完善，应用分布式光纤温度传感技术间接获取堤坝浸润线是一个很有发展潜力的方法，但需加快浸润线光纤监测基本理论研究的同时，高度重视相关实现装置、设备以及方法的研发。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种堤坝浸润线在线诊断装置及方法，可以多次重复使用，且具体积小、引线少、亲和性好的特点，能够完成不同高程向土体原地含水量快速监测和堤坝浸润线在线诊断的一体化实现。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种堤坝浸润线在线诊断装置，包括外周向框体组件、内环向主测组件和内取样环测组件，外周向框体组件通过两侧的导台滚轴与内环向主测组件连接，内环向主测组件与内取样环测组件通过圆弧端搭接；

所述外周向框体组件包含升降载道外框体和升降载道内框体，所述升降载道外框体内安装有第一升降构件，第一升降构件与导台滚轴固定连接，第一升降构件的顶部与横连框架连接；所述升降载道内框体内安装有第二升降构件，第二升降构件的顶部与横连框架连接，所述升降载道内框体内安装有第一过渡圆轮；

所述内环向主测组件包含沿外周向框体组件中线对称分布的一对主测导台，所述主测导台下方设有环状的周向钢切体，周向钢切体形成内环切容槽，周向钢切体通过圆弧端与主测导台固定连接，周向钢切体的最底端设有高强外切环刀，在周向钢切体内主测导台的下方设有构造台，构造台靠近周向钢切体的一端安装有储蓄电源，构造台和储蓄电源的下方设有热板，热板下方设有温敏横导道，温敏横导道内安装有测温光缆；在一对主测导台中间设有一对磁力体，每个磁力体与牙端连接，每个牙端与弹性塞连接，弹性塞与主测导台连接，在牙端与弹性塞之间布置有回变弹性体，一对磁力体与一对牙端底面为三角状；

所述内取样环测组件包含测温光缆，一对主测导台上分别设有第二过渡圆轮，在周向钢切体内安装有第三过渡圆轮，测温光缆从一侧的第一过渡圆轮、第二过渡圆轮、第三过渡圆轮进入到温敏横导道中，穿过温敏横导道从另一侧的第三过渡圆轮、第二过渡圆轮、第一过渡圆轮穿出。

作为优选，所述第一升降构件和第二升降构件均包含第一套筒和位于第一套筒内的第一伸缩柱，第一伸缩柱内设有凹槽，凹槽内安装有第二伸缩柱，升降载道外框体内的第二伸缩柱与导台滚轴连接，升降载道内框体内的第二伸缩柱与第一过渡圆轮相连。

作为优选，所述温敏横导道为S形状。

作为优选，所述内环切容槽外表层布设有多层环向孔。

一种如上述堤坝浸润线在线诊断装置实现方法，包括以下步骤：

第一步，通过调整多级的第一伸缩柱、第二伸缩柱，将第一过渡圆轮调整到预设位置，配备测温光缆，将测温光缆通过升降载道内框体的第一过渡圆轮引至第二过渡圆轮，后将测温光缆引至到第三过渡圆轮，在周向钢切体内以“S”型布置温敏横导道，将测温光缆穿引过温敏横导道，后穿过另一侧的第三过渡圆轮、第二过渡圆轮和第一过渡圆轮；

第二步，调整升降载道外框体，将整个装置深入到待监测土体中，按压横连框架，将带动两侧的第一伸缩柱和第二伸缩柱向下运动，从而带动导台滚轴的运动，导台滚轴的移动又牵引着主测导台的运动，进而，牵引着高强外切环刀对土体进行剪切，与周向钢切体相同形状的待测土体将被填充到整个周向钢切体内，塞满的待监测原土体将牙端上的磁力体顶开，回变弹性体因受到牙端的压缩而被迫压缩，待回变弹性体的压缩量达到规定数值之后，其将发生反弹，将牙端顶回，磁力体之间相互吸引，然后封闭整个内环切容槽；

第三步，启动构造台上的储蓄电源，对与主测导台平行布置的热板进行加热，热板中的热量会通过周向钢切体内的待测土体从高高程向低高程传递，在传热过程中，通过温敏横导道将热量传递给“S”型布置的测温光缆；

第四步，在该加热功率下，绘制光缆过余温度与加热时间的关系曲线θ＝b₀+b₁lnτ，其中θ为光缆过余温度，τ为加热时间，b₀和b₁分别为拟合关系式的常数项及自变量系数，依据光缆过余温度与加热时间的关系曲线可以求出b₁的结果值，根据λ＝f(q,b₁)，其中q为单位长度加热功率，λ为土体热传导系数，可以求出该处待监测土体的热传导系数，且ζ＝f(λ)，其中，ζ为待监测土体的含水量，根据ζ＝f(λ)可以求出该处待监测土体的含水量；

第五步，通过上述步骤1～4，可以完成某一待测区域从高高程到低高程的待测原土体含水量的监测，进而可以确定该处浸润线所通过的位置，对其他区域执行类似监测即可诊断出断面浸润线和堤坝浸润面。

有益效果：本发明的堤坝浸润线在线诊断装置，利用外周向框体组件、内环向主测组件、内取样环测组件的组合结构，实现了不同高程向的土体原地含水量快速监测，可在线诊断出堤坝浸润线的位置及其变化情况。本装置可在原土体位置处实现自动热源测试，对待测土体的导热性进行实时监测，通过外周向框体组件的伸缩柱和凹槽的配套使用，大大增加了监测范围；牙端、磁力体、弹性塞、回变弹性体的联合使用，实现了在原位置处随机高程上不同土样的监测。本发明较好地解决了实际工程中较难依靠分布式光纤传感技术对堤坝浸润线给予监测和诊断的难题。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1中1-1剖面的结构图；

图3为图1中内环向主测组件的示意图。

其中：100-升降载道外框体、101-导台滚轴、102-第二伸缩柱、103-第二伸缩槽、104-第一伸缩柱、105-第一伸缩槽、106-升降载道内框体、107-第一过渡圆轮、108-主测导台、109-第二过渡圆轮、110-构造台、111-储蓄电源、112-热板、113-弹性塞、114-回变弹性体、115-磁力体、116-牙端、117-圆弧端、118-第三过渡圆轮、119-测温光缆、120-温敏横导道、121-内环切容槽、123-高强外切环刀、124-周向钢切体、125-横连框架、126-外接槽、127-内通槽，128-横杆。

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3所示，本发明的一种堤坝浸润线在线诊断装置，包括外周向框体组件、内环向主测组件和内取样环测组件，外周向框体组件通过两侧的导台滚轴101与内环向主测组件连接，内环向主测组件与内取样环测组件通过圆弧端117搭接，通过内取样环测组件对高10m的堤坝模型中的土体进行原地取样分析，进而实现对堤坝模型浸润线的在线诊断。

外周向框体组件包含15m高的升降载道外框体100和15m高的升降载道内框体106，所述升降载道外框体100内安装有第一升降构件，第一升降构件与导台滚轴101固定连接，导台滚轴101直径为10cm，第一升降构件的顶部与横连框架125连接，宽度为130cm的横连框架125上的外接槽126与外部顶梁连接；所述升降载道内框体106内安装有第二升降构件，第二升降构件的顶部与横连框架125连接，所述升降载道内框体106内安装有第一过渡圆轮107。本发明中，第一升降构件升降导台滚轴101，导台滚轴101带动主测导台108升降，第二升降构件与横连框架125连接，第二升降构件与第二过渡圆轮109、主测导台108一起升降。

内环向主测组件包含沿外周向框体组件中线对称分布的一对主测导台108，主测导台108与导台滚轴101焊接在一起，所述主测导台108下方设有环状的周向钢切体124，周向钢切体124通过圆弧端117与主测导台108固定连接，被周向钢切体124包围的长度为45cm的内环切容槽121的最底端面为高强外切环刀123，在周向钢切体124内主测导台108的下方设有构造台110，构造台110靠近周向钢切体124的一端安装有12V65AH型号的储蓄电源111，构造台110和储蓄电源111的下方设有热板112，热板112下方设有直径为5cm的S形状的温敏横导道120，温敏横导道120内安装有测温光缆119；在一对主测导台108中间设有一对磁力体115，每个磁力体115与牙端116连接，每个牙端116与弹性塞113连接，弹性塞113与主测导台108连接，在牙端116与弹性塞113之间布置有回变弹性体114，回变弹性体是一种可以被压缩，且被弯曲成弧形，能够在被压缩后回变的弹性结构体，一对磁力体115与一对牙端116底面为三角状。

内取样环测组件包含ZTT-GYXTW-4A1a型的测温光缆，一对主测导台108上分别设有第二过渡圆轮109，在周向钢切体124内安装有第三过渡圆轮118，测温光缆从一侧的第一过渡圆轮107、第二过渡圆轮109、第三过渡圆轮118进入到温敏横导道120中，穿过温敏横导道120从另一侧的第三过渡圆轮118、第二过渡圆轮109、第一过渡圆轮107穿出。

在本发明中，所述第一升降构件和第二升降构件均包含第一套筒和位于第一套筒内的第一伸缩柱104，第一伸缩柱104内设有凹槽103，凹槽103内安装有第二伸缩柱102，升降载道外框体100内的第二伸缩柱102与导台滚轴101连接，升降载道内框体106内的第二伸缩柱102与第一过渡圆轮107相连。

在本发明中，主测导台108上开设有宽度为8cm的内通槽127，升降载道内框体106穿过内通槽127与主测导台108相连接，内取样环测组件中高强外切环刀123具有极高的硬度及锋利度，可以将堤坝模型的待监测原土体进行切割，本实施例中被切割成45cm高、50cm宽、100cm长的待测土体，通过周向上的周向钢切体124将待监测原土体抬升到内环切容槽121中，待监测原土体会通过温敏横导道120布满在内环切容槽121中。

在本发明中，内环向主测组件包括了30cm长的构造台110，且通过构造台110将2V65AH型号的储蓄电源111与主测导台108相连接，通过控制储蓄电源111可以在该监测系统中人为构造一个稳定的12V热源，通过热板112将热量传递到堤坝结构的待监测原土体中；待监测原土体将压缩荷载传递到弹性塞113上的回变弹性体114，当待监测原土体的上举力超过了牙端116之间磁力体115的磁力时，待监测原土体将被排出，回变弹性体114恢复弹性，将磁力体115合拢。

在本发明中，堤坝浸润线在线诊断装置的周向框体组件、内环向主测组件、内取样环测组件中的构件均为对称布置，该种布设形式可更好地获取规则的堤坝结构待监测原土体，以求更精确的实现监测。

一种如上述堤坝浸润线在线诊断装置的实现方法，包括以下步骤：

第一步，首先确定本堤坝工程需要监测的断面区域，通过调整多级的第一伸缩柱104、第二伸缩柱102，将第一过渡圆轮107调整到距离系统顶端50cm的位置，配备ZTT-GYXTW-4A1a测温光缆119，将测温光缆119通过升降载道内框体106的第一过渡圆轮107引至第二过渡圆轮109，后将测温光缆119引至到第三过渡圆轮118，在周向钢切体124内以“S”型布置温敏横导道120，将测温光缆119穿引过温敏横导道120，后穿过另一侧的第三过渡圆轮118、第二过渡圆轮109和第一过渡圆轮107；

第二步，调整升降载道外框体100，将整个装置深入到待监测土体中，按压横连框架125，将带动两侧的第一伸缩柱104和第二伸缩柱102向下运动，从而带动了导台滚轴101的运动，导台滚轴101的移动又牵引着主测导台108的运动，高强外切环刀123将被牵引着对与其接触的土体进行剪切，与周向钢切体124相同形状的待测土体将被填充到整个周向钢切体124内，塞满的待监测原土体将牙端116上的磁力体115顶开，回变弹性体114因受到牙端116的压缩而被迫压缩，待回变弹性体114的压缩量达到规定数值之后，其将发生反弹，将牙端116顶回，磁力体115之间相互吸引，然后封闭整个内环切容槽121；

第三步，启动构造台110上的储蓄电源111，对与主测导台108平行布置的热板112进行加热，热板112中的热量会通过周向钢切体124内的待测土体从高高程向低高程传递，在传热过程中，通过温敏横导道120将热量传递给“S”型布置的测温光缆119；

第四步，在该加热功率下，在该加热功率下，得出光缆过余温度与加热时间的数据值，具体见下表。

表1加热时间与光纤升温值

绘制光缆过余温度与加热时间的关系曲线，θ＝-0.061+1.72*lnτ，其中θ为光缆过 余温度，τ为加热时间，b₀和b₁分别为拟合关系式的常数项及自变量系数，b₀和b₁分别为- 0.061和1.72，根据得出其中q为单 位长度加热功率，λ为土体热传导系数，可以求出该处待监测土体的热传导系数，根据ζ＝f (λ)＝-1.35λ^-2-2.5λ+2.25e^λ，其中，ζ为待监测土体的含水量，进而可以求出该处待监测土 体的含水量为

f(0.741)＝-1.35*0.741^-2-2.5*0.741+2.25*e^0.741＝0.41，

即可计算出该处的含水量为41％；

第六步，通过上述步骤可以完成该测区域从高高程到低高程的待测原土体含水量的监测，进而可以确定该处浸润线所通过的位置，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诊断。

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)

1.一种堤坝浸润线在线诊断装置，其特征在于：包括外周向框体组件、内环向主测组件和内取样环测组件，外周向框体组件通过两侧的圆球状导台滚轴与内环向主测组件连接，内环向主测组件与内取样环测组件通过内环向主测组件包含的圆弧端固定连接；

所述外周向框体组件包含升降载道外框体和升降载道内框体，所述升降载道外框体内安装有第一升降构件，第一升降构件与导台滚轴固定连接，第一升降构件的顶部与横连框架连接；所述升降载道内框体内安装有第二升降构件，第二升降构件的顶部与横连框架连接，所述升降载道内框体内安装有第一过渡圆轮；

所述内环向主测组件包含沿外周向框体组件中线对称分布的一对主测导台，主测导台与升降载道内框体固定连接，所述主测导台下方设有环状的周向钢切体，周向钢切体通过周向钢切体上的圆弧端与主测导台固定连接，周向钢切体的最底端设有高强外切环刀，周向钢切体形成内环切容槽，在周向钢切体内主测导台的下方设有构造台，构造台靠近周向钢切体的一端安装有储蓄电源，构造台和储蓄电源的下方设有热板，热板下方设有温敏横导道，温敏横导道内安装有测温光缆；在一对主测导台中间设有一对磁力体，每个磁力体与牙端连接，每个牙端与弹性塞连接，弹性塞与主测导台连接，在牙端与弹性塞之间布置有回变弹性体，一对磁力体与一对牙端底面为三角状；

所述内取样环测组件包含测温光缆，一对主测导台上分别设有第二过渡圆轮，在周向钢切体内安装有第三过渡圆轮，测温光缆从一侧的第一过渡圆轮、第二过渡圆轮、第三过渡圆轮进入到温敏横导道中，穿过温敏横导道从另一侧的第三过渡圆轮、第二过渡圆轮、第一过渡圆轮穿出。

2.根据权利要求1所述的堤坝浸润线在线诊断装置，其特征在于：所述第一升降构件和第二升降构件均包含第一套筒和位于第一套筒内的第一伸缩柱，第一伸缩柱内设有凹槽，凹槽内安装有第二伸缩柱，升降载道外框体内的第二伸缩柱与导台滚轴连接，升降载道内框体内的第二伸缩柱与横杆连接，横杆连接升降载道内框体与第一过渡圆轮。

3.根据权利要求1所述的堤坝浸润线在线诊断装置，其特征在于：所述温敏横导道为S形状。

4.根据权利要求1所述的堤坝浸润线在线诊断装置，其特征在于：所述内环切容槽外表层布设有多层环向孔。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的堤坝浸润线在线诊断装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，通过调整多级的第一伸缩柱、第二伸缩柱，将第一过渡圆轮调整到预设位置，配备测温光缆，将测温光缆通过升降载道内框体的第一过渡圆轮引至第二过渡圆轮，后将测温光缆引至到第三过渡圆轮，在周向钢切体内以“S”型布置温敏横导道，将测温光缆穿引过温敏横导道，后穿过另一侧的第三过渡圆轮、第二过渡圆轮和第一过渡圆轮；

第二步，调整升降载道外框体，将整个装置深入到待监测土体中，按压横连框架，将带动两侧的第一伸缩柱和第二伸缩柱向下运动，从而带动导台滚轴的运动，导台滚轴的移动又牵引着主测导台的运动，进而，牵引着高强外切环刀对土体进行剪切，与周向钢切体相同形状的待测土体将被填充到整个周向钢切体内，塞满的待监测原土体将牙端上的磁力体顶开，回变弹性体因受到牙端的压缩而被迫压缩，待回变弹性体的压缩量达到规定数值之后，其将发生反弹，将牙端顶回，磁力体之间相互吸引，然后封闭整个内环切容槽；

第三步，启动构造台上的储蓄电源，对与主测导台平行布置的热板进行加热，热板中的热量会通过周向钢切体内的待测土体从高高程向低高程传递，在传热过程中，通过温敏横导道将热量传递给“S”型布置的测温光缆；

第四步，在该加热功率下，绘制光缆过余温度与加热时间的关系曲线θ＝b₀+b₁lnτ，其中θ为光缆过余温度，τ为加热时间，b₀和b₁分别为拟合关系式的常数项及自变量系数，依据光缆过余温度与加热时间的关系曲线可以求出b₁的结果值，根据其中q为单位长度加热功率，λ为土体热传导系数，可以求出该处待监测土体的热传导系数，且ζ＝f(λ)，其中，ζ为待监测土体的含水量，根据ζ＝f(λ)＝-1.35λ^-2-2.5λ+2.25e^λ可以求出该处待监测土体的含水量；

第五步，通过上述步骤1～4，可以完成某一待测区域从高高程到低高程的待测原土体含水量的监测，进而可以确定该处浸润线所通过的位置，对其他区域执行类似监测即可诊断出断面浸润线和堤坝浸润面。