CN106405760A - 一种测量水下冲淤深度的带状光缆 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种测量水下冲淤深度的带状光缆，包括绝热层以及与绝热层相结合的两条并行的柔性导热钢带；两条导热钢带之间由绝热层凸起的绝热材料隔离；在其中一条导热钢带与绝热层之间设置有发热导线一、和发热导线二，在另一条导热钢带与绝热层之间设置有测温光纤一以及测温光纤二；在所述带状光缆的末端，发热导线一与发热导线二熔接形成通电回路，测温光纤一与测温光纤二熔接形成测温回路。本发明可实现自动监测、测量精确高、具有耐久性且灵活简便。

Description

一种测量水下冲淤深度的带状光缆
技术领域
本发明涉及一种土木水利工程监测装置，具体涉及一种可以测量港口、海岸堤防等水工结构中淤泥冲刷和淤积深度的温度式传感带状光缆。
背景技术
水流对海河岸堤坝防护、桥梁、海洋平台等结构物桩基的冲刷使桩基附近的基础被逐渐冲蚀是结构物被破坏的重要原因之一。结构物通常对于水流起阻碍作用，进而导致在结构物附近水流流速过快并产生漩涡，冲蚀结构物附近基础，使结构处于不安全的状态。这种状态下的结构带着隐患工作，又很难被发现。一旦结构由于冲刷产生破坏，这种破坏属于脆性破坏，具有突然性，会引起严重后果。
目前我国建有各类堤防25万km，其中主要堤防6.75万km。我国堤防一般傍河而建堤线选择受到河势条件制约，地基多为第四纪松散沉积物，其物质组成、分布及厚度变化大，地质条件复杂。我国河流的堤岸冲刷和淤积现象十分普遍，如长江中下游的堤岸冲刷、北江大堤险段的堤脚淘刷等，堤岸冲刷严重威胁堤防安全。因此，冲刷和淤积对桥梁和堤岸造成的破坏已经成为研究的焦点。
目前的冲刷和淤积监测方法主要有人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(TDR)等，但是这些方法在实际工程应用中具有很大局限性，比如存在不能连续监测、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点，难于实时、准确监测桩基和堤岸的冲刷和淤积状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动监测、高精确性、高耐久性且灵活简便的温度式冲淤深度的带状光缆，用以监测水下由于冲刷、淤积等作用而造成的水土界面深度变化。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量水下冲淤深度的带状光缆，包括绝热层以及与绝热层相结合的两条并行的柔性导热钢带；两条导热钢带之间由绝热层凸起的绝热材料隔离；在其中一条导热钢带与绝热层之间设置有发热导线一、和发热导线二，在另一条导热钢带与绝热层之间设置有测温光纤一以及测温光纤二；在所述带状光缆的末端，发热导线一与发热导线二熔接形成通电回路，测温光纤一与测温光纤二熔接形成测温回路。
进一步，所述带状光缆截面为梯形。
进一步，所述带状光缆末端为斜坡口结构。
进一步，所述绝热层由704硅橡胶制作而成。
进一步，发热导线一、和发热导线二、测温光纤一以及测温光纤二均外包有保护套。
进一步，所述带状光缆通过卡扣固定在插入水土环境中的基桩上。
进一步，若干所述卡扣等间隔分布在基桩上。
两条柔性导热钢带正面与水体或土体等直接接触，发热导线产生的热量可通过导热钢带传递至水土界面，再传递给测温光纤。发热导线、测温光纤以及两条柔性钢带之间均由绝热材料隔离，防止热量从带状光缆内部传递。带状光缆的末端有一个斜坡口，方便随基桩入土并且防止损坏光缆。使用时，将带状光缆贴附在桥墩、人工岛等水工结构的基桩上即可。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明通过连续的发热导线发热，保证发热导线每个位置以恒定功率发热，利于对各个位置的温度差进行对比分析；通过同一环境中两根测温光纤在不同距离位置温度的测量值做对比，可排除其他因素的干扰。；(2)本发明易于安装，只需将带状光缆用卡扣固定在工程桩上随桩入土即可，在入土一端设计有斜坡口，方便入土；(3)本发明适宜长期监测，基于测温光纤测温特性，数据可靠，误差小；(4)本发明长度可自由定制，可根据实际情况制作任意长度的光缆，灵活简便；(5)本发明可对多个监测点同时进行冲刷监测，可按照监测需求，在多个监测点安装本发明的光缆，实现区域性整体冲刷监测；(6)由于采用了带状光缆，在存放、运输过程中可以将其盘起，存放、运输方便。
附图说明
图1为本发明带状光缆横截面结构示意图。
图2为带状光缆末端发热导线和测温光纤熔接方式示意图。
图3为带状光缆安装在工程桩上的示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明测量水下冲淤深度的带状光缆的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合附图，本发明带状光缆包括绝热层105以及与绝热层105相结合的两条并行的导热钢带106；两条导热钢带106之间由绝热层105凸起的绝热材料隔离；在其中一条导热钢带106与绝热层105之间设置有发热导线一101、和发热导线二102，在另一条导热钢带106与绝热层105之间设置有测温光纤一103以及测温光纤二104；在所述带状光缆的末端，发热导线一101与发热导线二102熔接形成通电回路，测温光纤一103与测温光纤二104熔接形成测温回路。
发热导线一101、发热导线二102、测温光纤一103以及测温光纤二104均被防腐蚀且导热的保护套保护，贴附在两段柔性导热钢带106的背面。两条柔性导热钢带106中间也用绝热材料隔开。该带状光缆截面为梯形，整体是柔性。绝热材料可以是704硅橡胶等绝热且柔性的材料。
该带状电缆在基桩上的安装方式为卡扣201固定，在带状电缆贴附在基桩上后，另外每隔50cm用一个卡扣，将其固定在基桩上。基桩202插入水土环境中，带状电缆105利用等间隔分布的卡扣201固定在基桩上，使带状光缆与水体、土体以及空气均有接触。
对发热导线回路通电使其发热，由于发热导线一101、发热导线二102与测温光纤一103以及测温光纤二104之间被绝热材隔开，发热导线的热量将通过柔性导热钢带106从水体或土体环境传到距离不同的两根测温光纤。随着加热时间的增加，当所处的环境为水体时，发热导线热量散失速度与水流速度呈正相关性，且明显大于土体环境。因此两根测温光纤在各个深度位置上会产生与所在环境不同而不同的温度曲线与环境特征值。热量散失速度越快，测温光纤感知的温度变化就越慢，温度变化幅度也越小；通过测温光纤在每个深度位置的加热过程中的温度变化速度和幅度变化，就可以区分测温光纤每个深度位置所处环境是水体或者土体。通过分析数据，可以精确分辨出水体环境与土体环境所在位置及其分界点，从而精确得到相应水工结构所在位置的冲淤深度数据。
具体分析过程为：分别记录下两根测温光纤相同深度h的两个点的温度初始值T10和T20，在对导线通电加热一段时间后，测量该深度下两根光纤变化后的温度T1和T2，根据公式λ＝ΔT1 2-ΔT2 2＝(T1-T10)2-(T2-T20)2，求解其环境系数λ。若0≤λ≤50，可认为该深度位置h的环境是水环境；若50≤λ≤200，可认为该深度位置h的环境是泥沙环境；若λ＞200，可认为该深度位置h的环境是空气环境。
本发明所述带状光缆的使用方法如下：
第一，将带状光缆每隔50cm用一个卡扣201固定在基桩202上。由于光纤的特性，该带状光缆在运输过程中盘起时，且弯曲半径不宜过小。在安装时候，应当注意卡扣的位置与密度，底部斜坡口应有一个卡扣，要保证带状光缆紧紧贴附在基桩上，不会在沉桩过程中受到损坏。
第二，将基桩202连同依附在上面的带状电缆201沉入水下，且使带状光缆与水体、土体以及空气均有接触。
第三，监测时，带状光缆在地上部分应与DTS解调仪和电源连接，其中DTS解调仪测量测温光纤在不同位置处的温度，电源对发热导线通电发热，并持续利用DTS解调仪测量测温光纤温度，通过分析数据，可以精确分辨出水体环境与土体环境所在位置及其分界点，从而精确得到相应水工结构所在位置的冲淤深度数据。由于发热导线与测温光缆均在尾端熔接形成回路，因此只需要在地上一个地点将其连通即可，不需要额外铺设辅助光缆和电缆。

Claims (7)

1.一种测量水下冲淤深度的带状光缆，其特征在于，包括绝热层(105)以及与绝热层(105)相结合的两条并行的柔性导热钢带(106)；
两条导热钢带(106)之间由绝热层(105)凸起的绝热材料隔离；
在其中一条导热钢带(106)与绝热层(105)之间设置有发热导线一(101)、和发热导线二(102)，在另一条导热钢带(106)与绝热层(105)之间设置有测温光纤一(103)以及测温光纤二(104)；
在所述带状光缆的末端，发热导线一(101)与发热导线二(102)熔接形成通电回路，测温光纤一(103)与测温光纤二(104)熔接形成测温回路。
2.如权利要求1所述带状光缆，其特征在于，所述带状光缆截面为梯形。
3.如权利要求1所述带状光缆，其特征在于，所述带状光缆末端为斜坡口结构。
4.如权利要求1所述带状光缆，其特征在于，所述绝热层(105)由704硅橡胶制作而成。
5.如权利要求1所述带状光缆，其特征在于，发热导线一(101)、和发热导线二(102)、测温光纤一(103)以及测温光纤二(104)均外包有保护套。
6.如权利要求1所述带状光缆，其特征在于，所述带状光缆通过卡扣固定在插入水土环境中的基桩(202)上。
7.如权利要求6所述带状光缆，其特征在于，若干所述卡扣等间隔分布在基桩(202)上。
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