CN108151832A - 一种感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置及方法，该装置包括沿堤坝高度方向上分层布设有至少5层光纤，沿堤坝高度方向上分层布设的光纤按照形状与形状交替布设，光纤的一端与脉冲发射装置连接，光纤的另一端通过光纤连接器与计算机连接。本发明通过分层埋设分布式光纤获得不同断面浸润线上的点，对该区域内的重心进行插值配点，迭代计算形成浸润线，再连接不同断面上的点生成完整浸润面，为实现堤坝渗流性态的全区域实时监测具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置及方法，属于水工结构安全监测与探测领域。
背景技术
堤坝服役过程中浸润线高低通常是表征堤坝运行安全的一项重要指标，浸润线过高容易引起堤脚渗透压力过大，引发渗透破坏，同时也容易造成堤坝筑土抗剪强度降低，诱发滑坡失稳破坏，因此监测辨识堤坝浸润线高低，是监控堤坝运行性态的一项重要内容。
目前监测堤坝浸润线的手段主要是在堤坝上选取若干标准断面，在该标准断面埋设几根测压管，观测该断面堤坝内水头，近似获取该断面的浸润线。但当堤坝过长时该方法存在明显的缺陷：若要比较全面地掌握堤坝的整体渗流性态，意味着需要选取大量的标准断面，一方面会造成埋设监测仪器的费用增加，另一方面也会造成监测工作量的增大。
采用光纤作为媒介，以光信号作为载体，相较于传统的监测手段，该方法操作更为简便，成本费用也更低，但目前该技术方法尚只能实现一次对一个标准断面的浸润线监测，本发明通过光纤层状布设与无网格重心插值法相结合手段，实现了堤坝浸润面全域性、实时性监测，对全面掌握堤坝的渗流性态意义重大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置及方法，通过光纤层状布设与无网格重心插值法相结合手段，实现了堤坝浸润面全域性、实时性监测。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置，包括沿堤坝高度方向上分层布设有至少5层光纤，光纤的一端与脉冲发射装置连接，光纤的另一端通过光纤连接器与计算机连接。
作为优选，沿堤坝高度方向上在竖直平面上分层布设的光纤按照侧凸中凹即形状与侧凹中凸即形状交替布设,，可实现一次对多个层面的浸润线监测。
作为优选，所述光纤螺旋形缠绕在钢筋支架上，钢筋支架安装在堤坝上。光纤不能单独存在，需要依附于钢筋支架后，再按照凹凸形状交替布设。
作为优选，所述钢筋支架外层涂覆了多层具有极高弹性和高导热性的柔性涂覆物。其在充分保障传感光纤与钢筋支架之间的柔性连接的同时，也极大地保证了外部结构体遭遇渗流时，可快速将能量感应传递到传感光纤中，实现有效地增敏和柔性过渡的效果。
一种上述的感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置的方法，包括以下步骤：
(1)在堤坝填筑过程中分层布设光纤；
(2)记录堤坝填筑完毕后尚未蓄水时光纤的布里渊频移和瑞利散射数值分布，设为初始状态；
(3)记录堤坝蓄水稳定后光纤的布里渊频移和瑞利散射数值分布，设为观测状态；
(4)对比观测状态与初始状态，布里渊频移和瑞利散射数值折点的位置即为浸润线上的位置；
(5)以光纤布里渊频移和瑞利散射数值折点作为浸润线上的初始点，对该区域内的重心进行插值配点，迭代计算形成完整的浸润线；
(6)顺河向连接不同断面浸润线上的点，生成完整的浸润面位置。
在本发明中，堤坝坝体内部两个区域具体指：土石堤坝挡水后，在上下游水位差的影响作用下，水流将通过坝体和坝基自高水位侧向低水位侧运动，在坝体和坝基内形成渗流，渗流稳定后，浸润线以下部位形成饱和水区、浸润线以上为自然含水区。
堤坝工程中的渗流场和温度场是相互作用、相互影响的。当布设于多孔介质中的金属铠装光纤能量发生变化时，可以将其视作处于无限大介质中的有一定直径的稳定线热源。利用此假设，可以求解出稳定渗流场影响下的温度场的控制方程为
式中：Ω为模型区域(见图5)；Γ1为模型内边界oabc；Γ0为模型外边界OABC；λ为介质导热系数；n代表边界面某处的外法线方向。基于上述原理，采用加热方法达到对土石堤坝的浸润线定位和监测的目的是可行的。
初始状态为土石堤坝未蓄水状态，该状态下光纤的整体性态平稳，当堤坝蓄水发生渗流后，浸润线以下区域发生饱和渗流，此时光纤会随着土体含水量增加和渗流作用而发生明显的变化，此时转折点会发生在浸润线上，找到该转折点便能定位浸润线上的点。
对于均质堤坝工程，取堤坝土体各向同性，根据Darcy定律，二维稳态渗流的基本控制方程为
假设初始自由面WS为直线，渗流自由面问题的求解区域AWSD(Ω)是不规则区域，将区域Ω嵌入一个正则的矩形区域ABCD(Ω0)，将渗流控制方程扩展至矩形区域，如图6所示，在区域Ω0的区域内沿x和y向分别布置m、n个离散点xi(i＝1,2,…,m)、yj(j＝1,2,…,n)，离散点对应为埋设在堤坝内部分布式光纤感知获得的浸润线上的点，构成堤防计算区域内的张量积型计算节点(xi,yj)，i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n，未知函数u(x,y)在上述节点上的函数值记为uij＝u(xi,yj)。利用重心Lagrange插值公式的张量积型插值公式，未知函数u(x,y)可以近似为
式中：Li(x)、Mj(y)分别为重心Lagrange插值在节点xi(i＝1,2,…,m)和yj(j＝1,2,…,n)上的插值基函数。将式(3)代入式(2)可得：
式(4)在所有节点(xi,yj)，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n上均成立，则
此时迭代生成的所有节点便是浸润线上的点。
在本发明中，光纤为线性多模感温光纤，基于不同堤坝的尺寸，依据具体光纤设计的布设形式，伴随堤坝填筑过程，将光纤分层布置于堤坝内，不同层光纤垂直于河道光纤须保持在同一垂直断面内，且贯穿堤坝饱和含水区和自然含水区两个内部区域。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过分层埋设分布式光纤获得不同断面浸润线上的点，对该区域内的重心进行插值配点，迭代计算形成浸润线，再连接不同断面上的点生成完整浸润面，为实现堤坝渗流性态的全区域实时监测具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明光纤埋设方式与监测装置示意图；
图2为垂直河向光纤螺旋布设示意图；
图3为一个堤坝断面浸润线与压力水头等势线；
图4为实施例8m水头下堤防浸润面；
图5为模型区域示意图；
图6为正则区域示意图。
具体实施方式
以某一段堤防为例，堤防高10m，迎水侧坡比1:2.5，背水侧坡比1:2；下游无水，水平向采用堤前堤后分别取为一倍堤高作为计算区域，竖直向堤基向下取2倍堤高作为计算区域，顺河向堤防长度取为100m。
具体实施方式包括如下步骤：
(1)在堤防中分5层布设光纤1，按形状和形状来交替布设埋设，如图1所示，垂直河道向光纤11螺旋形固定在钢筋支架4上，如图2所示，钢筋支架外层涂覆了多层具有极高弹性和高导热性的柔性树脂涂层，优选为聚醚砜材质PSF-F-51，具体监测光纤1用铠装光缆ZTT-GYXTW-4Ala，其为50/125um多模四芯，且内置钢丝加强筋；
(2)本实施例脉冲发射装置2为脉冲激光设备，同50/125多模光纤1相连并输出一种10纳秒的光脉冲，其尾部同E2000光纤连接器相连，光纤1与计算机3连接；
(3)记录未蓄水时待测光纤1处于稳定状态时的布里渊频移和瑞利散射数值分布；
(4)记录蓄水8m时待测光纤1处于稳定状态时的布里渊频移和瑞利散射数值分布：标记光纤1布里渊频移和瑞利散射数值出现骤降转折点，将其标记为观测状态；
(5)将不同断面温度骤降位置点作为浸润线的初始计算点，对该区域内的重心进行插值配点，在整个区域内采用50×50个离散点进行计算，结合渗流控制方程以及边界条件离散理论，对堤防整体进行求解，迭代三次即可得到一个标准断面下的堤防浸润线，如图3所示，迭代计算计算生成不同断面的浸润线形状；
(6)当堤防内部产生渗流破坏或因渗流而产生集中渗流通道导致局部浸润线发生了变化，光纤能及时感测出，并且反馈在整体堤防段浸润面内，如图4所示，顺河向连接不同断面浸润线上的点，生成完整的浸润面位置。
Claims (5)
1.一种感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置，其特征在于：包括沿堤坝高度方向上分层布设有至少5层光纤，光纤的一端与脉冲发射装置连接，光纤的另一端通过光纤连接器与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置，其特征在于：沿堤坝高度方向上分层布设的光纤按照侧凸中凹形状与侧凹中凸形状交替布设。
3.根据权利要求1所述的感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置，其特征在于：所述光纤螺旋形缠绕在钢筋支架上，钢筋支架安装在堤坝上。
4.根据权利要求3所述的感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置，其特征在于：所述钢筋支架外层涂覆了多层具有极高弹性和高导热性的柔性涂覆物。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的感测堤坝浸润面的光纤铺设与成像装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在堤坝填筑过程中分层布设光纤；
(2)记录堤坝填筑完毕后尚未蓄水时光纤的布里渊频移和瑞利散射数值分布，设为初始状态；
(3)记录堤坝蓄水稳定后光纤的布里渊频移和瑞利散射数值分布，设为观测状态；
(4)对比观测状态与初始状态，布里渊频移和瑞利散射数值折点的位置即为浸润线上的位置；
(5)以光纤布里渊频移和瑞利散射数值折点作为浸润线上的初始点，对该区域内的重心进行插值配点，迭代计算形成完整的浸润线；
(6)顺河向连接不同断面浸润线上的点，生成完整的浸润面位置。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108917879A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-30 | 河海大学 | 基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置及其监测方法 |
| CN110095201A (zh) * | 2019-04-10 | 2019-08-06 | 三峡大学 | 实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103353322A (zh) * | 2013-07-19 | 2013-10-16 | 河海大学 | 一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法 |
| CN105606315A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-05-25 | 四川大学 | 一种砼面板坝渗漏监测的分布式光纤传感技术方案与系统 |
| CN105698897A (zh) * | 2016-02-01 | 2016-06-22 | 四川大学 | 一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统 |
| CN105910545A (zh) * | 2016-03-09 | 2016-08-31 | 四川大学 | 高土石坝变形监测的光纤传感技术与系统 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103353322A (zh) * | 2013-07-19 | 2013-10-16 | 河海大学 | 一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法 |
| CN105698897A (zh) * | 2016-02-01 | 2016-06-22 | 四川大学 | 一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统 |
| CN105910545A (zh) * | 2016-03-09 | 2016-08-31 | 四川大学 | 高土石坝变形监测的光纤传感技术与系统 |
| CN105606315A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-05-25 | 四川大学 | 一种砼面板坝渗漏监测的分布式光纤传感技术方案与系统 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108917879A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-30 | 河海大学 | 基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置及其监测方法 |
| CN110095201A (zh) * | 2019-04-10 | 2019-08-06 | 三峡大学 | 实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180612 |
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