CN105954171A - 一种堤坝渗流性状时空监控装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堤坝渗流性状时空监控装置及监测方法，该装置包括竖承力载纤柱、外缘通管和传感光纤，所述竖承力载纤柱两边分别设有左承力横梁和右承力横梁，所述外缘通管套在竖承力载纤柱上，第二过渡圆端上方设有集纤盒，集纤盒内的传感光纤穿过外缘通管与含有测温装置的元件承载体连接，然后以S型布设在竖承力载纤柱内，然后依次绕过第二过渡圆端、第一过渡圆端后穿过弹性装置，从第三过渡圆端引出。本发明融合构建了内嵌双向双S形传感光纤的堤坝渗流性态时空监控装置，将堤坝渗流性态监测技术向着智能化、数字化、集成化和小型化的趋势发展，可实现时间与空间上横向与纵向的定量与定性评估。

Description

一种堤坝渗流性状时空监控装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种堤坝渗流性状时空监控装置及监测方法，属于水工程健康监测与检测领域。

背景技术

我国筑堤历史悠久，据统计，我国现有堤防累计达29.41万km，全国约有一半的人口、1/3的耕地和70％的财产在堤防的保护范围，但是受到人力、财力、技术等多方面限制，加之很多堤防运行年代久远、管理养护不当，我国的堤防工程存在着较为突出的工程隐患，堤防的安全与否直接关系保护区内的千百万人民生命财产安全和经济建设成果，因而了解掌握堤防结构转异机制规律，实现堤防动态安全动态预判与实时监控，对保障堤防的安全运行，提升科学管理，减少灾后损失有着十分重要的意义。

堤防工程是一项规模庞大，结构复杂、外部荷载多变的系统工程，传统的研究多基于经典的数学和力学理论发展得到，多以定性、静态的角度分析堤防结构的安全特性，忽视了内部参数的变异性及动态性对堤防结构产生的长效性影响，另外研究过程中常将堤防与土石坝视作同一结构，忽视二者的差异性，难免对堤防特性研究与监控管理产生一定的偏差。

然而，渗流破坏和边坡失稳破坏是堤防工程占比最高的结构破坏形式，因而其破坏机理也一直是国内外研究的重点，要实现对堤坝变形机理的特性研究与安全监控管理的分析，那首先需要研发先进的监测技术，而常规的堤坝渗流性态监测手段过于陈旧，且极其容易受到外界电磁和潮湿等复杂环境的干扰，其监测低精度、抗干扰能力差，尤其在待测结构体结构形式不规则、需要长时间监测等情况下，常规监测手段严重缺乏工程适用性，急需要研发一类可适应多复杂环境、可完成长时间工作高精度运行的渗流性态监测技术。

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渗流性状时空监控装置及监测方法，融合构建了内嵌双向双S形传感光纤的堤坝渗流性态时空监控装置，将堤坝渗流性态监测技术向着智能化、数字化、集成化和小型化的趋势发展，可实现时间与空间上横向与纵向的定量与定性评估，为堤坝渗流性态实时健康监测提供了重要的保障。

技术方案：为实现上述目的，本发明的堤坝渗流性状时空监控装置，包括竖承力载纤柱、外缘通管和传感光纤，所述竖承力载纤柱两边分别设有左承力横梁和右承力横梁，所述外缘通管套在竖承力载纤柱上，竖承力载纤柱顶端设有第二过渡圆端，底端设有元件承载体，左承力横梁和右承力横梁两端分布设有第一过渡圆端和第三过渡圆端，在左承力横梁和右承力横梁下方均设有弹性装置，第二过渡圆端上方设有集纤盒，集纤盒内的传感光纤穿过外缘通管与含有测温装置的元件承载体连接，然后以S型布设在竖承力载纤柱内，然后依次绕过第二过渡圆端、第一过渡圆端后穿过左承力横梁和右承力横梁下方的弹性装置，从第三过渡圆端引出，传感光纤的配置结构在竖直方向上增加了传感光纤的监测范围和精度。

作为优选，所述弹性装置包括一个第一弹性伸缩件和若干个并排分布的第二弹性伸缩件，所述第一弹性伸缩件包含第一弹力管、第一伸缩弹簧、第一载纤连轴和与第一载纤连轴连接的第一载纤圆环，第一伸缩弹簧位于第一弹力管内，第一载纤连轴与第一伸缩弹簧连接；第二弹性伸缩件包含第二弹力管、第二伸缩弹簧、第二载纤连轴和与第二载纤连轴连接的第二载纤圆环，所述第二伸缩弹簧位于第二弹力管内，第二载纤连轴与第二伸缩弹簧连接，传感光纤依次穿过第一载纤圆环和第二载纤圆环。

作为优选，所述第二弹性伸缩件有四个，传感光纤依次穿过左承力横梁下方的第一载纤圆环、左承力横梁下方的四个第二载纤圆环、右承力横梁下方的四个第二载纤圆环、右承力横梁下方的第一载纤圆环，传感光纤呈S型分布。该种传感光纤的配置结构可以起到增大传感光纤的监测范围和有效提高监测精度，在受到外界荷载作用时，第一弹力管与第二弹力管内的第一伸缩弹簧和第二伸缩弹簧可以起到抵抗外界压力荷载和拉伸荷载的功能，保证传感光纤有效监测渗流性态。左承力横梁和右承力横梁中的横向S型传感光纤布设与竖承力载纤柱纵向S型传感光纤布设形式构成双向双S形布设结构，极大地保证了堤坝渗流性状时空监控装置监测渗流性态的能力。

作为优选，所述左承力横梁和右承力横梁沿竖承力载纤柱的中心对称分布，左承力横梁和右承力横梁与竖承力载纤柱垂直衔接。

作为优选，所述左承力横梁和右承力横梁上均设有装配模块，所述装配模块包含外紧固环、竖连轴和圆塞体，所述竖连轴穿过外紧固环，圆塞体与竖连轴连接并位于外紧固环内，竖连轴位于紧固环外的部分上设有锁紧螺母，证堤坝渗流性状时空监控装置监测的稳定性。

作为优选，所述外缘通管底端为尖角形，外缘通管底端的纵截面为梯形状，外缘通管底端的底面厚度大于其它侧面的厚度。在底端与待测结构体接触时，增加底端的底端面受力强度，更好地保护元件承载体和更好地安装堤坝渗流性状时空监控装置。

一种上述的堤坝渗流性状时空监控装置的监测方法，包括以下步骤：

第一步，备制一根普通传感光纤，通过集纤盒的引导，将该传感光纤沿着外缘通管垂直向下引至元件承载体，通过元件承载体后将传感光纤以S形的形式盘旋布设，直到将传感光纤引至第二过渡圆端处；

第二步，通过第一过渡圆端的过渡作用，将引至到第二过渡圆端处的传感光纤引至左承力横梁上的第一载纤圆环处，后将传感光纤以S形的形式盘旋布设在四个平行分布的第二载纤圆环中上；后将传感光纤以同样的S形布设在右承力横梁上的第一载纤圆环上的第一载纤连轴和第二载纤圆环上的第二载纤连轴；

第三步，选择好待测结构体的支点，通过左承力横梁和右承力横梁上的外紧固环将堤坝渗流性状时空监控装置放置于待测结构体上，通过旋转竖连轴，带动上下螺栓的运动，通过转紧圆塞体，将堤坝渗流性状时空监控装置紧固于待测结构体上；

第四步，通过右承力横梁侧的第一过渡圆端将传感光纤串联到下一个堤坝渗流性状时空监控装置中，直到待监测区域布置了满足要求的堤坝渗流性状时空监控装置，后当渗流水体通过该待测区域时，堤坝渗流性状时空监控装置中的传感光纤的光信息将会发生不断地变化，通过获取传感光纤光信息数值来动态反映待测结构体的渗流性态，绘制时程曲线，进而实现堤坝渗流性状时空动态监控和诊断。

在本发明中，外缘通管的主要功能是在竖向上保证传感光纤无干扰地被引至集纤盒中，与集纤盒配合使用，可以保证传感光纤自始至终始终为单根，这样不但可以节省不必要的信息采集设备，也可以保证单根传感光纤监测的连续与有效性。

有益效果：本发明的堤坝渗流性状时空监控装置，其结构完整，流程化和自动化强，外紧固环和圆塞体的配套使用，大大增加了堤坝渗流性状时空监控装置与待测结构体协同性，弹力管和伸缩弹簧的联合使用，极大地提高了堤坝渗流性状时空监控装置抵抗外界过大压力和拉力的能力，增加了其工程适用性，构建非等直径的第一载纤圆环和第二载纤圆环的搭配使用，内嵌了横向S形布设形式的传感光纤，通过搭建竖承力载纤柱，将竖纤双向双S形的堤坝渗流性状时空监控装置，并针对堤坝结构形式，融合电磁学、力学等原理，可实现时间与空间上横向与纵向的定量与定性评估，大大提高了渗流性态时空监测范围，极好地满足了实际动态诊断的需求，极大保证了该技术在实际工程中的应用和推广能力。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明中装配模块的细部结构示意图；

其中：100-竖连轴；101-外紧固环；102-左承力横梁；103-第一伸缩弹簧；104-第一弹力管；105-第一载纤连轴；106-第一载纤圆环；107-第二载纤连轴；108-第二载纤圆环；109-第二伸缩弹簧；110-第二弹力管；111-第一过渡圆端；112-圆塞体；113-上下螺栓；114-第二过渡圆端；115-集纤盒；116-传感光纤；117-外缘通管；118-尖突底端；119-元件承载体；120-竖承力载纤柱；121-右承力横梁；122第三过渡圆端。

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，本发明的堤坝渗流性状时空监控装置，包括横向载连模块、竖向框体模块、装配模块，横向载连模块内装配有长度为50cm的左承力横梁102和长度为50cm的右承力横梁121，且在宽度为10cm的左承力横梁102和宽度为10cm的右承力横梁121下底端均布设有直径为2cm的第一弹力管104和直径为2cm的第二弹力管110，长度为10cm的第一伸缩弹簧103和长度为10cm的第二伸缩弹簧109被安装在第一弹力管104和第二弹力管110内，第一弹力管104下底端连接有直径为4cm的第一载纤圆环106，直径为4cm的第一载纤圆环106内配置有直径为2cm的第一载纤连轴105，第二弹力管110下底端连接有直径为4cm的第二载纤圆环108，第二载纤圆环108内配置有直径为2cm的第二载纤连轴107，直径为3cm的第一过渡圆端111被安装在左承力横梁102，直径为3cm的第三过渡圆端122被安装在右承力横梁121两外缘端；

竖向框体模块内含有长度为100cm的竖承力载纤柱120和长度为100cm的外缘通管117，采用松套层绞式单细圆钢丝铠装光缆GYTA53+33型号的传感光纤116通过集纤盒115被引至长度为100cm的外缘通管117中，GYTA53+33型传感光纤116经过外缘通管117底端的尖突底端118，被引至尖突底端118内的元件承载体119中，且该处元件承载体119主要放置了一个迷你型的光纤测温装置，GYTA53+33型传感光纤116后通过尖突底端118上端的竖承力载纤柱120后被引至第二过渡圆端114，最后GYTA53+33型传感光纤116经过直径为3cm的第二过渡圆端114被引至到横向载连模块中；

装配模块中直径为2cm的竖连轴100通过上下两层布设的上下螺栓113与直径为3cm的圆塞体112相连接，直径为3cm的圆塞体112外缘与直径为4cm的外紧固环101内缘相接触，装配模块通过外紧固环101与横向载连模块相连接；

本发明中，长度为50cm的左承力横梁102和长度为50cm的右承力横梁121分别被固定于竖承力载纤柱120的左右两侧，且在左承力横梁102和右承力横梁121的底端面均布设有一根第一弹力管104和四根第二弹力管110，第一弹力管104与第二弹力管110是之间间隔为8cm，第一弹力管104与第二弹力管110的材质为PA12型号的硬质塑料的弹性材料体，GYTA53+33型传感光纤116以S形的布置形式通过第一载纤圆环106的第一载纤连轴105和第二载纤圆环108的第二载纤连轴107。

本发明中，竖向框体模块中的元件承载体119内配置的迷你型光纤测温装置计内的传感光纤116是固定不动的，其将作为位置标记处及传感光纤116的标定用位置，GYTA53+33型传感光纤116以竖向S型布设形式通过竖承力载纤柱120；

本发明中，为了保证堤坝渗流性状时空监控装置监测的稳定性，在左承力横梁102和右承力横梁121上端面分别布置有装配模块，将所选定的黄河堤防待测段的2个支点分别放置到两侧的外紧固环101内，装配模块中的直径为2cm的竖连轴100的转动带动了上下螺栓113的上下运行，进而可以带动直径为3cm的圆塞体112的上下移动，直径为3cm的圆塞体112可以将堤坝渗流性状时空监控装置固定到黄河堤防待测段结构体上。

本发明中，长度为100cm的外缘通管117的主要是保证GYTA53+33型传感光纤116在竖向引至外侧过程中保护GYTA53+33型传感光纤116的功能，且与集纤盒115配合使用，可以保证传感光纤116由从进入到穿出始终为单根传感光纤116；

本发明中，左承力横梁102和右承力横梁121与竖承力载纤柱120垂直衔接，左承力横梁102和右承力横梁121中的横向S型传感光纤116布设与竖承力载纤柱120纵向S型传感光纤116布设形式构成双向双S形布设形式；

本发明中，尖突底端118的底端面为与水平相交为45°的尖角形式；

一种如上述的基于分布式传感光纤116的堤坝渗流性状时空监控装置的监测方法，包括以下步骤：

(1)构建及配备横向载连模块、竖向框体模块、装配模块

首先备制一根GYTA53+33型普通传感光纤116，并通过集纤盒115将GYTA53+33型普通传感光纤116引至外缘通管117中，后连接到尖突底端118处的元件承载体119中，通过迷你型光纤测温装置后，将GYTA53+33型普通传感光纤116引至第二过渡圆端114处，通过第一过渡圆端111的过渡作用，将GYTA53+33型普通传感光纤116以S形的形式盘旋布设在五个平行分布的第二载纤圆环108中和第一载纤圆环106中；

(2)确定堤坝渗流性状时空监控装置的安装个数及位置并进行安装

基于该黄河堤防待测段中重点待监测区域的面积，初步确定堤坝渗流性状时空监控装置的个数为2个，按照串联的方式将2个堤坝渗流性状时空监控装置依次连接，后选择好待测结构体的支点，通过左承力横梁102和右承力横梁121上的外紧固环101将堤坝渗流性状时空监控装置放置于待测结构体上，旋转竖连轴100，带动上下螺栓113的运动，通过转紧圆塞体112，将堤坝渗流性状时空监控装置紧固于待测结构体上；

(3)初次进行运行与调试

在空载情况下，运行堤坝渗流性状时空监控装置，且记录迷你型光纤测温装置的数值，并基于GYTA53+33型普通传感光纤116的出厂时的参数对当前使用的传感光纤116进行标定，且记录初始时的传感光纤116各延程上的光信息数值；

(4)基于传感光纤116温度变化来监测与动态评价堤坝渗流性状

黄河堤防待测段中的渗流水体在通过待测区的多孔介质后，会直接作用到传感光纤116上，由于传感光纤116与周围介质之间已经存在较长的热量交换，其温度数值与周围介质之间会达到一个相对平衡的状态，渗流水体到达传感光纤116周围或者与传感光纤116直接接触时，会将原来传感光纤116与周围介质之间形成的具有稳定温度的热源体系打破，从而会形成一种新的较低热量或者更低热量的平衡体系，该种内部能量呈现阶梯变化的平衡体系所体现出的宏观现象即为温度数值的变化，同一时间不同位置处和不同时间同一位置处的传感光纤116温度数值会存在较大差别，为此绘制该待测区域内整个时间段不同位置处的传感光纤116温度变化图，在变化图中可以极为清楚的确定温度波动的位置及数值，从而实现定量与定性地评估本黄河堤防待测段上的时空渗流性态。

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 (7)

1.一种堤坝渗流性状时空监控装置，其特征在于：包括竖承力载纤柱、外缘通管和传感光纤，所述竖承力载纤柱两边分别设有左承力横梁和右承力横梁，所述外缘通管套在竖承力载纤柱上，竖承力载纤柱顶端设有第二过渡圆端，底端设有元件承载体，左承力横梁和右承力横梁两端分布设有第一过渡圆端和第三过渡圆端，在左承力横梁和右承力横梁下方均设有弹性装置，第二过渡圆端上方设有集纤盒，集纤盒内的传感光纤穿过外缘通管与含有测温装置的元件承载体连接，然后以S型布设在竖承力载纤柱内，然后依次绕过第二过渡圆端、第一过渡圆端后穿过左承力横梁和右承力横梁下方的弹性装置，从第三过渡圆端引出。

2.根据权利要求1所述的堤坝渗流性状时空监控装置，其特征在于：所述弹性装置包括一个第一弹性伸缩件和若干个并排分布的第二弹性伸缩件，所述第一弹性伸缩件包含第一弹力管、第一伸缩弹簧、第一载纤连轴和与第一载纤连轴连接的第一载纤圆环，第一伸缩弹簧位于第一弹力管内，第一载纤连轴与第一伸缩弹簧连接；第二弹性伸缩件包含第二弹力管、第二伸缩弹簧、第二载纤连轴和与第二载纤连轴连接的第二载纤圆环，所述第二伸缩弹簧位于第二弹力管内，第二载纤连轴与第二伸缩弹簧连接，传感光纤依次穿过第一载纤圆环和第二载纤圆环。

3.根据权利要求2所述的堤坝渗流性状时空监控装置，其特征在于：所述第二弹性伸缩件有四个，传感光纤依次穿过左承力横梁下方的第一载纤圆环、左承力横梁下方的四个第二载纤圆环、右承力横梁下方的四个第二载纤圆环、右承力横梁下方的第一载纤圆环，传感光纤呈S型分布。

4.根据权利要求3所述的堤坝渗流性状时空监控装置，其特征在于：所述左承力横梁和右承力横梁沿竖承力载纤柱的中心对称分布，左承力横梁和右承力横梁与竖承力载纤柱垂直衔接。

5.根据权利要求4所述的堤坝渗流性状时空监控装置，其特征在于：所述左承力横梁和右承力横梁上均设有装配模块，所述装配模块包含外紧固环、竖连轴和圆塞体，所述竖连轴穿过外紧固环，圆塞体与竖连轴连接并位于外紧固环内，竖连轴位于外紧固环外的部分上设有锁紧螺母。

6.根据权利要求5所述的堤坝渗流性状时空监控装置，其特征在于：所述外缘通管底端为尖角形，外缘通管底端的纵截面为梯形状，外缘通管底端的底面厚度大于其它侧面的厚度。

7.一种如权利要求6所述的堤坝渗流性状时空监控装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，备制一根普通传感光纤，通过集纤盒的引导，将该传感光纤沿着外缘通管垂直向下引至元件承载体，通过元件承载体后将传感光纤以S形的形式盘旋布设，直到将传感光纤引至第二过渡圆端处；

第二步，通过第一过渡圆端的过渡作用，将引至到第二过渡圆端处的传感光纤引至左承力横梁上的第一载纤圆环处，后将传感光纤以S形的形式盘旋布设在四个平行分布的第二载纤圆环中；后将传感光纤以同样的S形布设在右承力横梁上的第一载纤圆环上的第一载纤连轴和第二载纤圆环上的第二载纤连轴；

第三步，选择好待测结构体的支点，通过左承力横梁和右承力横梁上的外紧固环将堤坝渗流性状时空监控装置放置于待测结构体上，通过旋转竖连轴，带动上下螺栓的运动，通过转紧圆塞体，将堤坝渗流性状时空监控装置紧固于待测结构体上；

第四步，通过右承力横梁侧的第一过渡圆端将传感光纤串联到下一个堤坝渗流性状时空监控装置中，直到待监测区域布置了满足要求的堤坝渗流性状时空监控装置，后当渗流水体通过该待测区域时，堤坝渗流性状时空监控装置中的传感光纤的光信息将会发生不断地变化，通过获取传感光纤光信息数值来动态反映待测结构体的渗流性态，绘制时程曲线，进而实现堤坝渗流性状时空动态监控和诊断。