CN105738652B - 一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统及方法，该系统包括抗力边柱和边柱体，抗力边柱和边柱体之间连接有接漏卡槽和外通道框体，接漏卡槽上依次设有若干个接漏导槽，接漏导槽的下端连接有传力测桶，传力测桶内设有助流传力体，助流传力体的下端连接有弹性容纳囊；外通道框体一端设有初始锁纤端，初始锁纤端上设有过渡转轮，抗力边柱上设有激光激发源，激光激发源与传感光缆连接，传感光缆依次穿过过渡转轮、光纤通道、末端锁纤端与位于边柱体上的光源探测器连接。本发明采用可直接探测光纤光信息的变化来间接完成水工程中渗流流速的监测，在提高水工结构体渗流流速的监测效果及降低实际工程监测成本方面具有突出优势。

Description

一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统及方法

技术领域

本发明涉及一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统及方法，属于监测水工程渗流流速领域。

背景技术

在长期的水荷载作用下，对于河堤、海堤、大坝、水闸等水工程而言，其渗流隐患时有发生，尤其在伴随有渗流流速较大的恶劣情况，若发现不及时、处理不得当，较短的时间内就可能引发渗透破坏甚至造成溃决的极端情况，此类现象对于土石堤坝尤为突出。但是，渗流破坏致因复杂、随机性强、监测难度大，致使该项技术的工程实际推广严重滞后于相关理论的研究。

常规及直接监测手段不能非常可靠地、精确地辨识出渗流水体的总量及渗流流速的性态，探究先进、实用、可靠的渗流流速性态辨识装置与方法一直是工程界和学术界高度关注的重要课题。随着水工程建设的不断增加和水利现代化要求的不断提高，分布式光纤传感技术已成功应用于大体积混凝土温度和裂缝监测、边坡监测、面板堆石坝面板裂缝监测等，与此同时，渗流流速监测、检测的方法和手段也取得了长足发展，但是水工结构体渗流流速监测探索仍处于研究阶段，在定量监测的理论和实际工程布设应用上还存在许多问题亟待研究和解决，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、便于长久使用的渗流流速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，本发明提供一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统及方法，采用可直接探测且可定量化的光纤光信息的变化来间接完成水工程中渗流流速的监测，在提高水工结构体渗流流速的监测效果及降低实际工程监测成本方面具有突出优势。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，包括抗力边柱和边柱体，所述抗力边柱和边柱体之间连接有位于上端的接漏卡槽和位于下端的外通道框体，所述接漏卡槽上依次设有若干个漏斗状的接漏导槽，接漏导槽的下端连接有传力测桶，传力测桶内设有助流传力体，助流传力体的下端连接有弹性容纳囊，在助流传力体上设有一圈双侧弹力体，双侧弹力体是一种内有弹簧结构的一种可伸缩的结构体；所述外通道框体一端设有初始锁纤端，初始锁纤端上设有过渡转轮，抗力边柱上设有激光激发源，激光激发源与传感光缆连接，外通道框体上设有光纤通道，传感光缆依次穿过过渡转轮、光纤通道、末端锁纤端与位于边柱体上的光源探测器连接，所述末端锁纤端位于边柱体上；所述弹性容纳囊通过双侧弹力体上下移动，弹性容纳囊下移过程中触压在传感光缆上。

作为优选，所述接漏导槽中设有聚水蜂孔。

作为优选，所述初始锁纤端上设有锁紧传感光缆的锁紧装置。

作为优选，所述锁紧装置包含水平横板和沿水平横板对称分布的一对夹具体，所述水平横板位于左挡板和右挡板之间，左挡板和右挡板位于支撑台上，所述夹具体通过引导竖杆与移动板连接，水平横板上设有水平槽，引导竖杆沿水平槽移动，移动板上连接有穿过水平槽的竖铆杆，竖铆杆的两端均设有螺帽，通过移动移动板带动夹具体移动，夹具体从而夹紧传感光缆。

作为优选，所述夹具体包含引导横杆、轴向拉压柱和手握式阻力体，所述引导横杆的一端与引导竖杆连接，引导横杆的另一端与轴向拉压柱连接，轴向拉压柱套在横向主轴上，横向主轴固定在左挡板或右挡板上，横向拉压柱与弧形状的手握式阻力体连接。

作为优选，所述抗力边柱的顶端为三角尖坡。

作为优选，所述接漏导槽的侧面设有若干个引水倒斜孔和导水底排孔。

一种上述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统的方法，包括以下步骤：

第一步，通过接漏卡槽将一系列的传力测桶安装于三角尖坡中，且在传力测桶底端安装上标示，通过外通道框体将传力测桶的底端固定于抗力边柱中；

第二步，打开竖铆杆上的螺槽，旋动移动板，带动轴向拉压柱，将卡在传感通道上的手握式阻力体移开，将传感光缆穿过传感通道，后转动双侧的移动板同步对传感通道施加环向约束，转动移动板使得横向主轴上的轴向拉压柱产生对传感通道的周向约束，此时，通过竖铆杆，利用螺槽将移动板固定；

第三步，牵引传感光缆通过过渡转轮将其初始端引至激光激发源处，后将传感光缆通过外通道框体引至末端锁纤端上将其末端固定，最后将传感光缆的末端引至光源探测器中，打开激光激发源，传感光缆将传输光源信息，在光源探测器处会收集到激光激发源发出的、经过传感光缆后的光信息变化；

第四步，将周遭的渗流水体通过接漏导槽汇集到助流传力体中，渗流水体也将会通过聚水蜂孔向助流传力体中进行渗流水体的汇聚，且汇聚的渗流水体通过弹性容纳囊对标示处的传感光缆进行水压力的荷载冲击，传感光缆将在上述标示处发生光信息的改变，通过构建光信息改变程度与渗流水体的流速之间的关系来实现对水工程渗流流速分布式光纤的即时追踪。

有益效果：本发明的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，依靠独特设计的传力测桶、锁纤固纤模块和光纤传导模块，创新性地将即时汇集的渗流水体通过借助容积可自适应调整的弹性容纳囊，探测渗水压力所作用处的光信息损耗间接监测渗流水体的渗流性态，实现及时追踪水工程渗流流速分布情况，本发明立点新颖、思路清晰、构造简洁、精确灵敏，具有分布式、多向性、同步性等优势，在有力提升追踪水工程渗流流速的效果方面具有重大优势。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1中初始锁纤端的细部结构图；

图3为图1的左视图；

图4为图1中弹性容纳囊的细部结构图；

图5为图1中接漏导槽的平面图；

图6为图1中第一传力测桶的细部结构图；

其中：100-三角尖坡，101-接漏卡槽，102-转轮槽，103-过渡转轮，104-转柄，105-传感光缆，106-激光激发源，107-抗力边柱，108-外通道框体，109-第一传力测桶，110-第二传力测桶，111-第三传力测桶，112-第四传力测桶，113-第五传力测桶，114-光源探测器，115-末端锁纤端，116-A点标示，117-B点标示，118-C点标示，119-D点标示，120-E点标示，121-边柱体，122-初始锁纤端，200-聚水蜂孔，201-接漏导槽，202-引水倒斜孔，203-斗槽下漏口，204-导水底排孔，205-助流传力体，206-双侧弹力体，207-弹性容纳囊，300-移动板，301-左挡柱，302-右挡柱，303-竖铆杆，304-传力组件，305-引导竖杆，306-引导横杆，307-横向主轴，308-水平横板，309-螺槽，310-轴向拉压柱，311-手握式阻力体，312-转柄，313-传感通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本具体实例以水工程中的堤坝建筑物为例进行细致说明，如图1至图6所示，本发明的一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，具体包括了5个传力测桶、1个锁纤固纤模块和1个光纤传导模块；每个传力测桶通过长度为1m、厚度为0.1m、宽度为0.5m的接漏卡槽101和与传力测桶等尺寸的外通道框体108与光纤传导模块相连，锁纤固纤模块通过初始锁纤端122和末端锁纤端115与光纤传导模块相连；所述的传力测桶包括构建传力测桶框架结构的助流传力体205，助流传力体205主要作用是将斗槽下漏口203出来的水引至弹性容纳囊207中，其结构可以是原桶形的，所述的锁纤固纤模块包括了初始锁纤端122和末端锁纤端115，所述的光纤传导模块包括了构建光纤传导模块框架结构的激光激发源106和转轮槽102。

在本发明中，高度为0.6m的第一传力测桶109的顶端布设有直径为0.3m的接漏导槽201，且直径为0.3m的接漏导槽201开设有布满接漏导槽201顶面的5排聚水蜂孔200，在5排聚水蜂孔200的底端安装有直径为0.06m的斗槽下漏口203，第一传力测桶109的底端布设有由超材料构成的弹性容纳囊207，这种超材料是一种在某些性质上类似液体的固体晶格，在弹性容纳囊207受到上部水压力作用时，能够使外部施加的压力无偏离地作用到弹性容纳囊207与传感光缆105相接触的区域，直径为0.3m的接漏导槽201通过长度为0.5m、直径为0.15m的助流传力体205与超材料构成的弹性容纳囊207相连接，超材料构成的弹性容纳囊207直接与光纤传导模块中的ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105相接触。

在本发明中，直径为0.3m的接漏导槽201的周围侧布设有多层的向斗槽下漏口203倾斜的直径为0.02m引水倒斜孔202，在接漏导槽201的底侧布置有一排4个导水底排孔204，且在助流传力体205的中间位置处布置有内置弹簧结构的双侧弹力体206，流动的渗流水体通过5排聚水蜂孔200进入到长度为0.5m、直径为0.15m的助流传力体205后，内置弹簧结构的双侧弹力体206会受到渗水压力的作用而发生伸缩变形，进而控制着超材料构成的弹性容纳囊207与传感光缆105的接触作用，为了便于定位监测，在第一传力测桶109的底端还排设了A点标示116。

在本发明中，光纤传导模块中的ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105的初始段和末端分别与Sapphire激光CF125型激光激发源106及CdS型光源探测器114相对接，ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105依次贯穿直径为0.02m的过渡转轮103、初始锁纤端122、外通道框体108，最后通过直径为0.02m的末端锁纤端115到达CdS型光源探测器114。

在本发明中，初始锁纤端122的底端是凹槽型结构形式的撑力台314，在凹槽型结构形式的撑力台314上面左右侧安装有长方体布置形式的左挡柱301和右挡柱302，在长方体布置形式的左挡柱301和右挡柱302之间贯通有长方形布置形式的水平横板308，且通过长度为0.2m、宽度为0.02m的水平横板308上的移动板300将控制圆柱形的引导竖杆305的水平移动，引导竖杆305的移动带动了圆柱形的引导横杆306的水平移动，圆柱形的引导横杆306的运动牵动着上端为长方体、下端为半圆体的传力组件304的水平移动，且长方体结构形式的轴向拉压柱310套在圆柱形的横向主轴307上，在上端为长方体、下端为半圆体的传力组件304的带动下长方体结构形式的轴向拉压柱310通过弧形形式的手握式阻力体311对具有外层弹性体的传感通道313施加环向荷载，进而控制着ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105的运动，进而锁紧固定传感光缆105。

在本发明中，直径为0.02m的过渡转轮103通过直径为0.01m的转柄104被固定于长度为0.8m、厚度为0.2m、宽度为0.5m的外通道框体108靠近初始锁纤端122侧处，Sapphire激光CF125型激光激发源106被固定于长方体结构的抗力边柱107下端侧，在靠近直径为0.01m的转柄104处布设有直径为0.02m的转轮槽102，其可以将直径为0.02m过渡转轮103安装在直径为0.02m的转轮槽102内，直径为0.02m的末端锁纤端115及Sapphire激光CF125型光源探测器114被固定于长方体形式布设的边柱体121中。

在本发明中，长度为1m、厚度为0.1m、宽度为0.5m的接漏卡槽101的顶端布设有倾角45°的三角尖坡100，长度为1m、厚度为0.1m、宽度为0.5m的接漏卡槽101的底端布置长方体结构的抗力边柱107，除了与长度为1m、厚度为0.1m、宽度为0.5m的接漏卡槽101接触连接的第一传力测桶109外，还同时布设有与第一传力测桶109结构形式及尺寸相类似的第二传力测桶110、第三传力测桶111、第四传力测桶112和第五传力测桶113，且与第二传力测桶110、第三传力测桶111、第四传力测桶112和第五传力测桶113对应分布有B点标示117、C点标示118、D点标示119和E点标示120。

选择黄河上游段的堤坝工程渗流流速的待测区域进行测试，首先需要确定待测区域的范围，将待监测设备进行组装，后将待监测设备埋设到该堤坝测渗区域，后进行数据的采集及处理分析，一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，具体包括以下实例步骤：

第一步，通过长度为1m、厚度为0.1m、宽度为0.5m的接漏卡槽101将第一传力测桶109、第二传力测桶110、第三传力测桶111、第四传力测桶112和第五传力测桶113安装到倾角为45°的三角尖坡100中，且在五个传力测桶底端安装上A点标示116、B点标示117、C点标示118、D点标示119和E点标示120，通过外通道框体108将五个传力测桶的底端固定于抗力边柱107中；

第二步，打开竖铆杆303上的螺槽309，旋动移动板300，带动长方体结构形式的轴向拉压柱310，将卡在传感通道313上弧形形式的手握式阻力体311移开，将ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105穿过传感通道313，后转动双侧的移动板300同步对传感通道313施加环向约束，转动移动板300使得横向主轴307上的轴向拉压柱310产生对传感通道313的周向约束，此时，通过竖铆杆303，利用螺槽309将移动板300固定；

第三步，牵引ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105通过直径为0.02m的过渡转轮103将其初始端引至激光激发源106处，后将传感光缆105通过外通道框体108引至末端锁纤端115上将其末端固定，最后将传感光缆105的末端引至CdS型光源探测器114中，打开Sapphire激光CF125型激光激发源106，传感光缆105将传输光源信息，在光源探测器114处会收集到激光激发源106发出的、经过传感光缆105后的光信息变化；

第四步，根据实际监测范围，确定需要安装4套上述装置，因此，不断地重复1～4步骤，完成水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统的组装工序，对待测堤防工程测试区域进行开挖，且埋设水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，开启控制CdS型光源探测器114的信息系统，基于不同的空间范围，利用监测系统的分布式特点，考虑时间变化的连续性，充分利用CdS型光源探测器114进行密集的时间间隔的信息采集，在三角尖坡100、引水倒斜孔202及导水底排孔204的作用下，该堤防工程待测区域内的渗流水体会通过聚水蜂孔200向助流传力体205进行汇集，且汇聚的渗流水体通过弹性容纳囊207对A点标示116、B点标示117、C点标示118、D点标示119和E点标示120处的传感光缆105进行水压力的荷载冲击，ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆105将在上述五个标示处发生光信息的改变，在不同渗流水体的作用下，五点标示处将受到不同程度渗流水体的水压力作用，此时通过CdS型光源探测器114可以获取五个标示处不同的光损耗值δ_t，在t＝10s时，δ₁₀分别为：0.781dB、1.541dB、3.621dB、4.298dB、5.605dB，由于某时刻水压力P_t计算公式为P_t＝ρghs＝ρgV，其中，ρ为水的密度，其数值为1.0×10³kg/m³，g为重力加速度，其数值为9.8kg/N，h为水位高度，单位为m，s为渗流水体的通过的截面面积，单位为m²，V为渗流水体的体积，单位为m³；且渗流水体的流速v_t＝V/ts，其中，t为时间，单位为s；则P_t＝ρghs＝ρgV＝ρgv_tts，且某时刻水压力P_t与该时刻下的光功率损耗有试验拟合的计算公式P_t＝f(δ_t)，因此，光损耗值与渗流水体的流速可以建立起直接的函数关系式f(δ_t)＝ρgv_tts，即f(δ_t)/(ρgts)＝v_t，通过监测光损耗值δ_t数值就可以计算出对应的渗流水体的流速v_t，通过本堤坝工程所监测获取的P_t＝f(δ_t)，具体为P_t＝f(δ_t)＝6×exp(0.15×δ_t)，则f(δ_t)＝ρgv_tts具体表达为6×exp(0.15×δ_t)＝ρgv_tts，即6×exp(0.15×δ_t)/ρgts＝v_t，s数值为25cm²，其中，当t为10s时，通过CdS型光源探测器114探测的δ_t为0.781dB、3.621dB、1.541dB、5.605dB、4.298dB,通过6×exp(0.15×δ_t)/ρgts＝v_t公式计算得出此时的渗流流速分别为0.0271m/s、0.0422m/s、0.0308m/s、0.0568m/s、0.0466m/s，最终完成该区域的渗流水体的监测，实现对水工程渗流流速分布式光纤的即时追踪。

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 (8)

1.一种水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：包括抗力边柱和边柱体，所述抗力边柱和边柱体之间连接有位于上端的接漏卡槽和位于下端的外通道框体，所述接漏卡槽上依次设有若干个漏斗状的接漏导槽，接漏导槽的下端连接有传力测桶，传力测桶内设有助流传力体，助流传力体的下端连接有弹性容纳囊，在助流传力体上设有一圈双侧弹力体；所述外通道框体一端设有初始锁纤端，初始锁纤端上设有过渡转轮，抗力边柱上设有激光激发源，激光激发源与传感光缆连接，外通道框体上设有光纤通道，传感光缆依次穿过过渡转轮、光纤通道、末端锁纤端与位于边柱体上的光源探测器连接，所述末端锁纤端位于边柱体上；所述弹性容纳囊通过双侧弹力体上下移动，弹性容纳囊下移过程中触压在传感光缆上。

2.根据权利要求1所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：所述接漏导槽中设有聚水蜂孔。

3.根据权利要求2所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：所述初始锁纤端上设有锁紧传感光缆的锁紧装置。

4.根据权利要求3所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：所述锁紧装置包含水平横板和沿水平横板对称分布的一对夹具体，所述水平横板位于左挡板和右挡板之间，左挡板和右挡板位于支撑台上，所述夹具体通过引导竖杆与移动板连接，水平横板上设有水平槽，引导竖杆沿水平槽移动，移动板上连接有穿过水平槽的竖铆杆，竖铆杆的两端均设有螺帽，通过移动移动板带动夹具体移动，夹具体从而夹紧传感光缆。

5.根据权利要求4所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：所述夹具体包含引导横杆、轴向拉压柱和手握式阻力体，所述引导横杆的一端与引导竖杆连接，引导横杆的另一端与轴向拉压柱连接，轴向拉压柱套在横向主轴上，横向主轴固定在左挡板或右挡板上，横向拉压柱与弧形状的手握式阻力体连接。

6.根据权利要求5所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：所述抗力边柱的顶端为三角尖坡。

7.根据权利要求1所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统，其特征在于：所述接漏导槽的侧面设有若干个引水倒斜孔和导水底排孔。

8.一种如权利要求6所述的水工程渗流流速分布式光纤即时追踪系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，通过接漏卡槽将一系列的传力测桶安装于三角尖坡中，且在传力测桶底端安装上标示，通过外通道框体将传力测桶的底端固定于抗力边柱中；

第二步，打开竖铆杆上的螺槽，旋动移动板，带动轴向拉压柱，将卡在传感通道上的手握式阻力体移开，将传感光缆穿过传感通道，后转动双侧的移动板同步对传感通道施加环向约束，转动移动板使得横向主轴上的轴向拉压柱产生对传感通道的周向约束，此时，通过竖铆杆，利用螺槽将移动板固定；

第三步，牵引传感光缆通过过渡转轮将其初始端引至激光激发源处，后将传感光缆通过外通道框体引至末端锁纤端上将其末端固定，最后将传感光缆的末端引至光源探测器中，打开激光激发源，传感光缆将传输光源信息，在光源探测器处会收集到激光激发源发出的、经过传感光缆后的光信息变化；

第四步，将周遭的渗流水体通过接漏导槽汇集到助流传力体中，渗流水体也将会通过聚水蜂孔向助流传力体中进行渗流水体的汇聚，且汇聚的渗流水体通过弹性容纳囊对标示处的传感光缆进行水压力的荷载冲击，传感光缆将在上述标示处发生光信息的改变，通过构建光信息改变程度与渗流水体的流速之间的关系来实现对水工程渗流流速分布式光纤的即时追踪。