CN105785068B - 水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法 - Google Patents

水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法，该系统包括传感光缆、主构架、第一构架和第二构架，第一构架与主构架之间和第二构架与主构架之间分别交替填充有混凝土和第一介质，在混凝土和第一介质的下方设有流速信号前置放大器，流速信号前置放大器下方依次设有光纤载台网和流速感应杆，流速感应杆通过导流细管与渗水暂容池连接，渗水暂容池通过溢水通管与外界连通，传感光缆沿着第一构架内壁进入到光纤载台网绕过主构架再一次进入到光纤载台网中，从第二构架的内壁穿出。本发明的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法，具有快速、简单、高效、精确等特点，有力提高了监测水工结构体渗流流速的效果。

Description

水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法，属于水工结构体安全隐患的监测技术。
背景技术
水工结构体渗流是影响工程安全的重要因素，借鉴可靠的监测技术及时发现和获知其渗流部位和状况，越来越引起工程领域的关注和重视，随着分布式光纤传感理论的日臻完善、各类传感器的不断研制，在小型工程上的应用，再到如今水利土木工程中的应用，分布式光纤传感技术的优越性越来越得到体现，工程应用前景越来越广泛，但对于水工结构体渗流监测探索研究阶段，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，急切地需要研发一种水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统及其配套的测试方法。
随着大型水利工程的建设和水利现代化的要求，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，从传统的电容、电位、电磁等探测到地质雷达探测、GPS红外线成像技术探测，以及光纤光栅监测技术、分布式光纤实时监测技术；渗流监测技术从粗略走向精确，从点式监测走向线性与立体监测，新方法和新技术的应用使渗流监测更趋科学化、标准化和智能化。
电法探测、电容式传感器和光纤光栅温度传感技术属于点式检测，但是点式检测方法对渗漏信息反映不全面，经常发生漏检；电磁法探测和弹性波检测技术属于整体式检测，一旦整体式检测面临地质条件、环境条件、堤身堤基条件稍微复杂，该类方法将有可能失效，难以发挥作用；分布式光纤温度传感技术则属于分布式检测，分布式检测具有分布式测量、抗电磁和高压、长距离、实时监测等诸多优点，但是由于其布设及保护困难，实际工程的应用性不高。
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结构体渗流流速分布式光纤监测系统及监测方法，具有快速、简单、高效、精确等特点，有力提高了监测水工结构体渗流流速的效果。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，包括传感光缆、主构架和位于主构架两侧的第一构架和第二构架，第一构架与主构架之间和第二构架与主构架之间分别交替填充有混凝土和第一介质，在混凝土和第一介质的下方设有流速信号前置放大器，流速信号前置放大器下方依次设有光纤载台网和流速感应杆，流速感应杆通过导流细管与渗水暂容池连接，渗水暂容池通过溢水通管与外界连通，传感光缆沿着第一构架内壁进入到光纤载台网绕过主构架再一次进入到光纤载台网中，从第二构架的内壁穿出。
作为优选，所述主构架、第一构架和第二构架下方均设有水工结构体渗流构架模块，水工结构体渗流构架模块包含上椎体和内尖锥钢体，所述上椎体上设有底缘螺杆，底缘螺杆通过螺纹与主构架、第一构架和第二构架上的框柱底缘连接。
作为优选，所述上椎体内安装有电机，电机与电转杆连接，电转杆与转轴圆饼连接，转轴圆饼带动旋转连轴转动，旋转连轴与内尖锥钢体固定连接，转轴圆饼与锥台状的外削切护体连接，外削切护体位于内尖锥钢体外。
作为优选，第一构架和第二构架的顶端均设有轴接，轴接通过连杆轴安装在第一构架和第二构架上，轴接上安装有传感光缆通过的圆形接端，主构架的顶端为弧形接端。
一种上述的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统的监测方法，包括以下步骤：
第一步，控制上椎体的方向，打开电机，带动电转杆的高速转动，进而旋转连轴带动了内尖锥钢体的高速转动，与此同时，处于内尖锥钢体周向的外削切护体利用其较高刚度的外缘将内尖锥钢体周向上的土体剥离，内尖锥钢体沿着竖直走向上不断的向下运动；
第二步，依据规定的距离，按照第一步的方法，将水工结构体渗流构架模块安置于第一构架、主构架和第二构架所对应处的地下部分，通过第一构架、主构架和第二构架各自下端面的框柱底缘，将第一构架、主构架和第二构架固定于对应的底缘螺杆上；
第三步，按照从低到高依次顺序配备溢水通管、渗水暂容池、导流细管、流速感应杆、光纤载台网、流速信号前置放大器，将传感光缆沿着光纤载台网进行布置，在轴接上焊接圆形接端，将引出的传感光缆通过圆形接端上的轴接引至外侧，在流速信号前置放大器上端面，且在第一构架与主构架之间交替循环备制混凝土介质与第一介质；
第四步，将传感光缆通过弧形接端引至到光纤载台网中，按照与前一步骤同样的方法，将另一侧的溢水通管、渗水暂容池、导流细管、流速感应杆、光纤载台网、流速信号前置放大器进行布置；
第五步，连接传感光缆，打开信息收集系统，标定传感光缆，进行通水渗流测试，监测流速信号前置放大器和流速感应杆的信号变化，时时记录整个系统信息采集系统的变化情况，基于热源测风速原理，通过半理论半经验的方法，利用流速与加热功率所对应的试验数据，绘出不同介质下对应温升关系图，后建立分布式光纤监测渗流流速半经验半理论的数学模型lgk＝-nlgu+lgA，其中，lgu为x轴，lgk为y轴，-n为直线斜率，lgA为截距，Aa为光纤和水流间的交热面积，D为比热容、导热系数、光缆外径、运动粘滞系数、导温系数所确定的一个常数值，n为流体外掠单管的常数，u为渗流流速，ΔT为光纤表面的温度与水流温度的差值，q为功率值，最终实现对水工结构体渗流流速的监测与监控。常数值D是由一个固定的计算公式来获得的，其中，C为比热容，λw为导热系数，d为光缆外径，u为运动粘滞系数，a为导温系数。n为外掠单管特征数之间特征关联式中的一个常数，该常数可以根据雷诺数判断是层流、蠕流、过渡流还是紊流，进而通过参数表查表获取。
本发明基于水工结构体的材料及力学特性，设计研发了一种实际工程中可很好地回避上述弊端的一种新型的技术方案，不但保留了传统的监测技术，也融合了最新的分布式光纤传感技术，新旧技术联合使用，在同一系统中同步运行，互相校正，极大的增加了实际工程的应用能力，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。
本发明中，导流细管是引导水流的作用，将导流细管上部的水体引导入渗水暂容池，渗水暂容池是暂时储蓄渗流水体的，后经过溢水通管排出。混凝土和第一介质是我们所研究的水工结构体，是由混凝土和其他介质组成的结构，其是待测体。
有益效果：本发明的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，依靠独特设计的水工结构体渗流构架模块，无需配备大型开挖设备及配套测试装置，在任意地形任意位置处随时可进行测试，第一水工结构体渗流测试模块和第二水工结构体渗流测试模块的对称布置，大大增加了测试的对照性及可信性，高效保证了测试结果，其灵活可变的内填介质极大地扩充了其实际应用领域，创新性设计的分布式传感光纤监测模块，极大地保证了其与待监测区域的接触面积，具有分布式、多向性、同步性等特点，本发明创造性地构建了一种快速、简单、高效、精确的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，结合其测试方法，在有力提高监测水工结构体渗流流速的效果及降低实际工程监测成本方面具有重大优势。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为图1的左视图；
图3为第一构架底端的细部结构图；
图4为第一构架底端的1-1剖面图；
其中：100-传感光缆，101-第一轴接，102-第一圆形接端，103-第一连杆轴，104-第一连杆端，105-第二连杆端，106-第二连杆轴，107-第二轴接，108-第二圆形接端，109-弧形接端，110-主浇筑构架，111-第一浇筑构架，112-第二浇筑构架，113-混凝土介质，114-第一介质，200-第一流速信号前置放大器，201-第二流速型号前置放大器，202-第一光纤载台网，203-第二光纤载台网，204-第一流速感应杆，205-第二流速感应杆，206-导流细管，207-第一溢水通管，208-第二溢水通管，209-第一渗水暂容池，210-第二渗水暂容池，300-框柱底缘，301-电机，302-旋转连轴，303-外削切护体，304-内尖锥钢体，305-底缘螺杆，306-上椎体，307-转轴圆饼，308-电转杆。
具体实施方式
如图1至图4所示，如图1至图4所示，本发明的一种水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，具体包括了第一土石结合部渗流测试模块、第二土石结合部渗流测试模块、分布式传感光纤监测模块、土石结合部渗流构架模块；分布式传感光纤监测模块内置于第一土石结合部渗流测试模块和第二土石结合部渗流测试模块，第一土石结合部渗流测试模块和第二土石结合部渗流测试模块通过主构架相连接，土石结合部渗流构架模块分布于土石结合部渗流测试模块的底端。
在本发明中，第一土石结合部渗流测试模块包含构建第一土石结合部渗流测试模块框架结构的2m高的第一构架111，第二土石结合部渗流测试模块包含构建第二土石结合部渗流测试模块框架结构的2m高的第二构架112，分布式传感光纤监测模块包括了直径为10cm的第一圆形接端102和第二圆形接端108，土石结合部渗流构架模块包含了高度为15cm的上椎体306。
在本发明中，第一构架111的下部配备有用于提高渗流流速信号的HGDF-8型第一流速信号前置放大器200，用于连同分布式传感光纤监测模块的第一光纤载台网202的长度为5m，且被布设在HGDF-8型第一流速信号前置放大器200的底端，与HGDF-8型第一流速信号前置放大器200配套使用的第一流速感应杆204对称布置在第一光纤载台网202的另一侧，紧贴第一流速感应杆204的部件为孔径1cm的导流细管206，与导流细管206联合协同发生作用为5m长的第一渗水暂容池209与孔径5cm的第一溢水通管207，其紧临导流细管206。
在本发明中，第一构架111和主构架110之间布设有交错循环的C25强度的混凝土介质113与堤坝内含混合杂质的土体第一介质114，在交错循环的混凝土介质113与堤坝内含混合杂质的土体的第一介质114的下部与HGDF-8型第一流速信号前置放大器200连接。
在本发明中，第二构架112和主构架110之间布设有交错循环的混凝土介质113与第一介质114，在交错循环的混凝土介质113与第一介质114的下部配备有用于提高渗流流速信号的HGDF-8型第二流速信号前置放大器201，用于连同分布式传感光纤监测模块的5m长的第二光纤载台网203被布设在HGDF-8型第二流速信号前置放大器201的底端，与HGDF-8型第二流速信号前置放大器201配套使用的第二流速感应杆205对称布置在第二光纤载台网203的另一侧，紧贴第二流速感应杆205的部件为孔径1cm的导流细管206，与导流细管206联合协同发生作用为5m长的第二渗水暂容池210与孔径5cm的第二溢水通管208，其紧临导流细管206；
在本发明中，分布式传感光纤监测模块中的第一圆形接端102内槽中布设有ZTT-GYXTW-4A1a型的传感光缆100，第一圆形接端102底面安装有第一轴接101，第一圆形接端102通过第一连杆轴103被固定于第一连杆端104上；第二圆形接端108的内槽中布设有ZTT-GYXTW-4A1a型的传感光缆100，在第二圆形接端108底面安装有第二轴接107，第二圆形接端108通过第二连杆轴106被固定于第二连杆端105上。
在本发明中，土石结合部渗流构架模块包括位于第一土石结合部渗流测试模块和第二土石结合部渗流测试模块的底端的框柱底缘300，底缘螺杆305将框柱底缘300与上椎体306连接，M3BP-71-MA/3GBP-071-321-ASB型号的电机301处于上椎体306的底端，M3BP-71-MA/3GBP-071-321-ASB型号的电机301通过控制电转杆308的转动来控制旋转连轴302，旋转连轴302的转动同时同步带动了内尖锥钢体304和外削切护体303的360°轴向转动。
在本发明中，第一土石结合部渗流测试模块的第一构架111的顶端与分布式传感光纤监测模块的第一连杆端104连接，第一土石结合部渗流测试模块的第一构架111的底端与土石结合部渗流构架模块的框柱底缘300连接。
在本发明中，土石结合部渗流构架模块在第一连杆端104、主构架110、第二构架112的最底端均有布置。
一种水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，包括以下步骤：
第一步，选择某堤坝工程中土石结合部的待测区域进行测试，首先在该区域控制好上椎体306竖直向下，打开M3BP-71-MA/3GBP-071-321-ASB型电机301，带动电转杆308的高速转动，进而旋转连轴302带动内尖锥钢体304的高速转动，处于内尖锥钢体304周向的外削切护体303利用其极高硬度的外缘面将内尖锥钢体304周向上的土石结合部下的土体进行剥离，内尖锥钢体304沿着竖直走向上不断的向下运动；
第二步，规定间距为5m，按照上一步骤的方法，将土石结合部渗流构架模块安置于第一构架111、主构架110和第二构架112所对应处的地下部分，通过高度均为2m的第一构架111、主构架110和第二构架112各自下端面的框柱底缘300，将第一构架111、主构架110和第二构架112固定于对应的底缘螺杆305上；
第三步，按照该堤坝工程中土石结合部从低到高的顺序，配备第一溢水通管207、第一渗水暂容池209、导流细管206、第一流速感应杆204、第一光纤载台网202、第一流速信号前置放大器200，将ZTT-GYXTW-4A1a型的传感光缆100沿着第一光纤载台网202进行布置，将引出的传感光缆100通过第一圆形接端102上的第一轴接101引至外侧，在HGDF-8型第一流速信号前置放大器200上端面，且在第一构架111与主构架110之间交替循环备制混凝土介质113与堤坝内含混合杂质土体的第一介质114；
第四步，通过主构架110将第一土石结合部渗流测试模块和第二土石结合部渗流测试模块进行连接，将ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆100通过直径10cm的弧形接端109引至到第二土石结合部渗流测试模块，按照前一步骤同样的方法，将对称分布的第二土石结合部渗流测试模块进行布置；
第五步，连接ZTT-GYXTW-4A1a型传感光缆100，打开信息收集系统SentinelDTS-LR，标定传感光缆100，进行通水渗流测试，监测HGDF-8型第一流速信号前置放大器200和第一流速感应杆204的信号变化，时时记录整个系统信息采集系统的变化情况，基于热源测风速原理，通过半理论半经验的方法，通过HGDF-8流速信号前置放大器获得断面各点流速，在同一流速下对光纤加载4W/m、8W/m、12W/m等一系列加热功率，对应加载电压分别为30.6V、50.0V、60.0V，得到稳定温升，依据上述思路，可以得到表1。
表1各流速在不同加热功率下光纤稳定温升ΔT表(单位：℃)
通过表1可以绘制lgk＝-nlgu+lgA的关系曲线，进而可以得到-n＝-0.467，Aa＝0.15m2，D＝42，ΔT数值见表1，lgA＝-0.801，最终确定了lgk＝-0.467lgu-0.801的渗流流速的半经验半理论的数学监控模型，进而实现对土石结合部渗流流速的监测与监控。
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)

1.一种水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，其特征在于：包括传感光缆、主构架和位于主构架两侧的第一构架和第二构架，第一构架与主构架之间和第二构架与主构架之间分别交替填充有混凝土和第一介质，在混凝土和第一介质的下方设有流速信号前置放大器，流速信号前置放大器下方依次设有光纤载台网和流速感应杆，流速感应杆通过导流细管与渗水暂容池连接，渗水暂容池通过溢水通管与外界连通，传感光缆沿着第一构架内壁进入到光纤载台网绕过主构架再一次进入到光纤载台网中，从第二构架的内壁穿出。
2.根据权利要求1所述的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，其特征在于：所述主构架、第一构架和第二构架下方均设有水工结构体渗流构架模块，水工结构体渗流构架模块包含上椎体和内尖锥钢体，所述上椎体上设有底缘螺杆，底缘螺杆通过螺纹与主构架、第一构架和第二构架上的框柱底缘连接。
3.根据权利要求2所述的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，其特征在于：所述上椎体内安装有电机，电机与电转杆连接，电转杆与转轴圆饼连接，转轴圆饼带动旋转连轴转动，旋转连轴与内尖锥钢体固定连接，转轴圆饼与锥台状的外削切护体连接，外削切护体位于内尖锥钢体外。
4.根据权利要求3所述的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统，其特征在于：第一构架和第二构架的顶端均设有轴接，轴接通过连杆轴安装在第一构架和第二构架上，轴接上安装有传感光缆通过的圆形接端，主构架的顶端为弧形接端。
5.一种如权利要求4所述的水工结构体渗流流速分布式光纤监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，控制上椎体的方向，打开电机，带动电转杆的高速转动，进而旋转连轴带动了内尖锥钢体的高速转动，与此同时，处于内尖锥钢体周向的外削切护体利用其较高刚度的外缘将内尖锥钢体周向上的土体剥离，内尖锥钢体沿着竖直走向上不断的向下运动；
第二步，依据规定的距离，按照第一步的方法，将水工结构体渗流构架模块安置于第一构架、主构架和第二构架所对应处的地下部分，通过第一构架、主构架和第二构架各自下端面的框柱底缘，将第一构架、主构架和第二构架固定于对应的底缘螺杆上；
第三步，按照从低到高依次顺序配备溢水通管、渗水暂容池、导流细管、流速感应杆、光纤载台网、流速信号前置放大器，将传感光缆沿着光纤载台网进行布置，在轴接上焊接圆形接端，将引出的传感光缆通过圆形接端上的轴接引至外侧，在流速信号前置放大器上端面，且在第一构架与主构架之间交替循环备制混凝土介质与第一介质；
第四步，将传感光缆通过弧形接端引至到光纤载台网中，按照与前一步骤同样的方法，将另一侧的溢水通管、渗水暂容池、导流细管、流速感应杆、光纤载台网、流速信号前置放大器进行布置；
第五步，连接传感光缆，打开信息收集系统，标定传感光缆，进行通水渗流测试，监测流速信号前置放大器和流速感应杆的信号变化，时时记录整个系统信息采集系统的变化情况，基于热源测风速原理，通过半理论半经验的方法，利用流速与加热功率所对应的试验数据，绘出不同介质下对应温升关系图，后建立分布式光纤监测渗流流速半经验半理论的数学模型lgk＝-nlgu+lgA，其中，lgu为x轴，lgk为y轴，-n为直线斜率，lgA为截距，Aa为光纤和水流间的交热面积，D为比热容、导热系数、光缆外径、运动粘滞系数、导温系数所确定的一个常数值n为流体外掠单管的常数，u为流速感应杆所测得的渗流流速，ΔT为光纤表面的温度与水流温度的差值，q为传感光缆的功率值，最终实现对水工结构体渗流流速的监测与监控。
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