CN108151908A - 一种建筑工程屋面渗漏探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种建筑工程屋面渗漏探测方法，利用分布式光纤测温原理设计光纤监测网格，在建筑工程屋面结构施工阶段完成分布式光纤回路的敷设，建筑工程屋面结构施工完成后进行光纤监测网络的连接、调制以及校准，通过测定光纤监测网格范围内温度梯度变化，利用渗漏形成的渗流场与温度场之间的耦合关系指示建筑物渗漏缺陷位置。本发明能在建筑物全寿命周期对屋面渗漏问题实现实时、连续监测，能准确确定渗漏部位。

Description

一种建筑工程屋面渗漏探测方法

技术领域

本发明属于渗漏探测技术领域，具体涉及一种建筑工程屋面渗漏探测方法。

背景技术

建筑物屋面渗漏问题一直是困扰用户的房屋建筑通病之一，由于屋面渗漏造成的建筑结构耐久性下降、热工性能降低、装饰构造霉变等直接影响了建筑物的使用功能。根据2014年住建部对全国100个大中城市的建筑抽样调查显示，在调查的2072幢建筑中，存在渗漏问题的有725幢，占调查建筑物总数的35％，而存在渗漏隐患的则更过，每年我国用于屋面维修方面的花费多达数百亿元。

由于屋面渗漏具有隐蔽性强、干扰因素多等特点，此外，屋面防水材料性能会随使用年限的增加逐渐下降，这些都给建筑屋面渗漏问题的维修和治理带来很大困难，很多建筑屋面虽经反复维修，屋面渗漏仍然无法根治。产生屋面渗漏的原因固然是多方面的，从渗漏维修的角度讲，准确、及时地发现渗漏隐患位置无疑是攻克渗漏问题的关键环节。

分布式光线温度传感器的工作原理是基于光纤内部的自发射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术，将较高功率的窄带光脉冲输入光纤，然后将返回的散射光强度随时间的变化探测并记录下来。分布式光纤温度传感器基于背向散射机理，光纤的背向散射光强变化具有温度测量的实际用途，解译背向散射光强，就可以得到相应的温度场的时空信息。

分布式光纤测温系统所使用的光纤既是温度感应探头，又是测温信号的传输载体，能够做到在空间上的连续测温。由于光纤信号传输速度为光速，从激光发射机发出的光信号极短时间内就能完成一次光纤回路的测温，因此可以做到时间方面对光纤所处环境温度的连续监测。

目前的研究主要涉及对分布式光纤在堤坝、挡水结构等水工建筑中的使用，且对渗漏位置分析方法主要为定性分析，如中国发明专利CN1301339A、CN101490522A以及中国实用新型专利CN201555671U所述。在建筑工程方面的应用较少，仅涉及被浇筑在建筑主体钢筋结构中用于检测主体结构变形、渗漏湿度、应变、压力、粘度等物理量，如中国发明专利CN105157753A所述，而针对建筑工程屋面渗漏开展的专题研究目前仍处于空白阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种建筑工程屋面渗漏检测方法，能在建筑物全寿命周期对屋面渗漏问题实现实时、连续监测，能准确确定渗漏部位。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种建筑工程屋面渗漏探测方法，利用分布式光纤测温原理设计光纤监测网格，在建筑工程屋面结构施工阶段完成分布式光纤回路的敷设，建筑工程屋面结构施工完成后进行光纤监测网络的连接、调制以及校准，通过测定光纤监测网格范围内温度梯度变化，利用渗漏形成的渗流场与温度场之间的耦合关系指示建筑物渗漏缺陷位置。

其中，所述建筑工程屋面结构包括从下往上依次设置的结构层、衬垫层和楼地面，所述光纤监测网格设于结构层和衬垫层之间。

优选的，所述分布式光纤回路包括光纤监测网格和监测主机。

其中，光纤监测网格范围内温度的测定方法为：

当频率为v₀的激光进入光纤，在其背向会产生喇曼散射，即频率不同于入射光的散射光，由于其光子量很少，所以喇曼散射与瑞利散射相比非常微弱，喇曼散射光子频率向低处运移为斯脱克斯频移，也可向高处运移产生反斯脱克斯频移；在频域中，喇曼散射光子分为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，其中，斯托克斯光子频率为v_s＝v₀-Δv，反斯托克斯光子频率为v_a＝v₀+Δv，式中，Δv为光纤分子的振动频率，Δv＝1.32×1013Hz；

在光纤L处的斯托克斯散射光子数为：

在光纤L处的反斯托克斯散射光子数为：

式中，K_s和K_a分别是与光纤斯脱克斯和反斯脱克斯散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射系数；v_s和v_a分别为斯脱克斯和反斯脱克斯散射光子频率；a₀,a_s,a_a分别为入射光、斯脱克斯散射光和反斯脱克斯散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测区域的长度；R_s(T),R_a(T)分别为光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，它们与光纤局部的温度相关，如果将其解调，就能够反映被测区域的温度情况；

R_s(T),R_a(T)分别为：

式中，Δv为喇曼声子频率，h为普朗克常量，k为玻耳兹曼常量；

由式(1)-(4)可得：

当为基线温度T₀时，有：

由式(5)、(6)得由斯脱克斯散射曲线解调反斯脱克斯的被测温度T的表达式：

式中，T₀为基线的绝对温度，h为普朗克常量，k为玻耳兹曼常量，Δv为喇曼光子频率；N_s(T),N_a(T)为温度为T时斯脱克斯及反斯脱克斯光的光子数，由信号电平测得；同样，N_s(T₀),N_a(T₀)为温度为T₀时的斯脱克斯和反斯脱克斯光的光子数，可由实测获得，实测中的基准温度T₀由测温主机恒温箱温度确定。

其中，建筑物渗漏缺陷位置的确定方法为：

对测量点的沿程空间定位也是通过光时域反射技术来实现的，利用入射光和后向散射光之间的时间差Δt_i和光纤内光速v＝c/n，可以计算不同测量点距离激光入射端的距离X_i，即：

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明的光纤监测网格和建筑物共同工作，全寿命监测。

2、本发明准确监测渗漏位置，为维修方案提供科学合理的决策数据和依据。

3、本发明利用前后比较数据，客观真实反应对维修效果。

4、本发明实时连续工作，能够客观评估建筑防渗系统性能随时间的变化情况。

5、本发明能为业主的维修改造提供防渗方面的针对性相关信息。

附图说明

图1为本发明中建筑工程屋面结构示意图。

附图标记说明：

1、结构层；2、衬垫层；3、楼地面；4、光纤监测网格；5、监测主机；6、建筑物渗漏缺陷位置。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种建筑工程屋面渗漏探测方法，建筑屋面渗漏形成的渗流场与干燥部位存在的温差效应，被本发明用作为天然示踪剂，利用分布式光纤测温原理设计光纤监测网格，在建筑工程屋面结构施工阶段完成分布式光纤回路的敷设，建筑工程屋面结构施工完成后进行光纤监测网络的连接、调制以及校准，通过测定光纤监测网格范围内温度梯度变化，利用渗漏形成的渗流场与温度场之间的耦合关系指示建筑物渗漏缺陷位置。所谓耦合关系是指：渗漏形成的渗流场的空间-时间关系和温度场的空间-时间关系是一致的，这样，捕捉到温度场的畸变，就可以捕捉到渗流场了。

如图1所示，所述建筑工程屋面结构包括从下往上依次设置的结构层1、衬垫层2和楼地面3，所述光纤监测网格4设于结构层1和衬垫层2之间。

所述分布式光纤回路包括相连接的光纤监测网格4和监测主机5。

其中，光纤监测网格范围内温度的测定方法为：

当频率为v₀的激光进入光纤，在其背向会产生喇曼散射，即频率不同于入射光的散射光，由于其光子量很少，所以喇曼散射与瑞利散射相比非常微弱，喇曼散射光子频率向低处运移为斯脱克斯(Stokes)频移，也可向高处运移产生反斯脱克斯(Anti－Stokes)频移。因此，喇曼散射在频谱上是由位于瑞利散射两旁的、对应的斯脱克斯和反斯脱克斯谱线组成。在频域中，喇曼散射光子分为斯托克斯光子和反斯托克斯光子。其中，斯托克斯光子频率为v_s＝v₀-Δv，反斯托克斯光子频率为v_a＝v₀+Δv，式中，Δv为光纤分子的振动频率，Δv＝1.32×1013Hz；

在光纤L处的斯托克斯散射光子数为：

在光纤L处的反斯托克斯散射光子数为：

式中，K_s和K_a分别是与光纤斯脱克斯和反斯脱克斯散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射系数；v_s和v_a分别为斯脱克斯和反斯脱克斯散射光子频率；a₀,a_s,a_a分别为入射光、斯脱克斯散射光和反斯脱克斯散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测区域的长度；R_s(T),R_a(T)分别为光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，它们与光纤局部的温度相关，如果将其解调，就能够反映被测区域的温度情况；

R_s(T),R_a(T)分别为：

式中，Δv为喇曼声子频率，h为普朗克常量，k为玻耳兹曼常量；

由式(1)-(4)可得：

当为基线温度T₀时，有：

由式(5)、(6)得由斯脱克斯散射曲线解调反斯脱克斯的被测温度T的表达式：

式中，T₀为基线的绝对温度，h为普朗克常量，k为玻耳兹曼常量，Δv为喇曼光子频率；N_s(T),N_a(T)为温度为T时斯脱克斯及反斯脱克斯光的光子数，由信号电平测得；同样，N_s(T₀),N_a(T₀)为温度为T₀时的斯脱克斯和反斯脱克斯光的光子数，可由实测获得，实测中的基准温度T₀由测温主机恒温箱温度确定。

建筑物渗漏缺陷位置6的确定方法为：

对测量点的沿程空间定位也是通过光时域反射(OTDR)技术来实现的，利用入射光和后向散射光之间的时间差Δt_i和光纤内光速v＝c/n，可以计算不同测量点距离激光入射端的距离X_i，即：

由于屋面渗漏形成的渗流场与温度场具有极强的相关性，捕捉到温度场的分布差异，就能够捕捉到渗流场的具体分布位置，即：根据公式(7)判断是否存在温度场异常，根据公式(8)确定出现异常温度场的空间位置。本发明基于不同季节屋面渗漏水的温度场和与本底温度场的差异，通过信号解调实现对渗漏情况监测，能在建筑物全寿命周期对屋面渗漏问题实现实时、连续监测，能准确确定渗漏部位。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种建筑工程屋面渗漏探测方法，其特征在于，利用分布式光纤测温原理设计光纤监测网格，在建筑工程屋面结构施工阶段完成分布式光纤回路的敷设，建筑工程屋面结构施工完成后进行光纤监测网络的连接、调制以及校准，通过测定光纤监测网格范围内温度梯度变化，利用渗漏形成的渗流场与温度场之间的耦合关系指示建筑物渗漏缺陷位置。

2.根据权利要求1所述的建筑工程屋面渗漏探测方法，其特征在于，所述建筑工程屋面结构包括从下往上依次设置的结构层、衬垫层和楼地面，所述光纤监测网格设于结构层和衬垫层之间。

3.根据权利要求1所述的建筑工程屋面渗漏探测方法，其特征在于，所述分布式光纤回路包括光纤监测网格和监测主机。

4.根据权利要求1所述的建筑工程屋面渗漏探测方法，其特征在于，光纤监测网格范围内温度的测定方法为：

当频率为v₀的激光进入光纤，在其背向会产生喇曼散射，即频率不同于入射光的散射光，由于其光子量很少，所以喇曼散射与瑞利散射相比非常微弱，喇曼散射光子频率向低处运移为斯脱克斯频移，也可向高处运移产生反斯脱克斯频移；在频域中，喇曼散射光子分为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，其中，斯托克斯光子频率为v_s＝v₀-Δv，反斯托克斯光子频率为v_a＝v₀+Δv，式中，Δv为光纤分子的振动频率，Δv＝1.32×1013Hz；

在光纤L处的斯托克斯散射光子数为：

在光纤L处的反斯托克斯散射光子数为：

式中，K_s和K_a分别是与光纤斯脱克斯和反斯脱克斯散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射系数；v_s和v_a分别为斯脱克斯和反斯脱克斯散射光子频率；a₀,a_s,a_a分别为入射光、斯脱克斯散射光和反斯脱克斯散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测区域的长度；R_s(T),R_a(T)分别为光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，它们与光纤局部的温度相关，如果将其解调，就能够反映被测区域的温度情况；

R_s(T),R_a(T)分别为：

式中，Δv为喇曼声子频率，h为普朗克常量，k为玻耳兹曼常量；

由式(1)-(4)可得：

当为基线温度T₀时，有：

由式(5)、(6)得由斯脱克斯散射曲线解调反斯脱克斯的被测温度T的表达式：

式中，T₀为基线的绝对温度，h为普朗克常量，k为玻耳兹曼常量，Δv为喇曼光子频率；N_s(T),N_a(T)为温度为T时斯脱克斯及反斯脱克斯光的光子数，由信号电平测得；同样，N_s(T₀),N_a(T₀)为温度为T₀时的斯脱克斯和反斯脱克斯光的光子数，可由实测获得，实测中的基准温度T₀由测温主机恒温箱温度确定。

5.根据权利要求1所述的建筑工程屋面渗漏探测方法，其特征在于，建筑物渗漏缺陷位置的确定方法为：

对测量点的沿程空间定位也是通过光时域反射技术来实现的，利用入射光和后向散射光之间的时间差Δt_i和光纤内光速v＝c/n，可以计算不同测量点距离激光入射端的距离X_i，即：