CN108562267A - 坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统及其方法：坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，该系统设置在面板堆石坝坝体内的监测沟中，特征是监测沟中设有与监测沟等长的型钢，型钢上下平行地固定有两条应变传感光纤；两条应变传感光纤通过连接光缆接入光纤检测仪器。型钢采用H形型钢或C形型钢，焊接成一整条放在监测沟里面。光纤为直径4‑6mm的柔性护套光纤。本发明的系统与方法采用分布式光纤测量面板堆石坝内部沉降的测量方法具有很高测量精度，是面板堆石坝内部沉降监测技术的有益补充，且可解决高面板堆石坝内部沉降变形难题。
Description
技术领域
本发明属于面板堆石坝监测技术领域；具体涉及一种坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统。本发明还涉及这种坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统的实施方法。
背景技术
目前国内外面板堆石坝内部沉降变形监测通常采用“水管式”沉降计测量沉降变形的方法。这种方法是在大坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在大坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测管路，在这条管路中安装埋设“水管式”沉降计来测量垂直变形。这种安装“水管式”沉降计测量面板堆石坝内部沉降变形变化的情况，只能是一个点，一个点的测量，无法达到分布式的测量。而且随坝高增大，“水管式”沉降计的管路以近3倍的坝高同步增大，将严重影响其沉降包、水管管路及其测量系统中水位平衡，导致“水管式”沉降计测量高面板堆石坝内部沉降变形出现技术困难。
近年来兴起的分布式光纤传感技术具有防水、抗腐蚀和耐久性长等特点，其传感元件体积小、重量轻，测量范围广，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小；光纤本身既是传感元件又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测。将分布式传感光纤直接粘贴在H型钢或C型钢的上下翼缘，面板堆石坝内部沉降变形发生时，埋设在堆石体内部的H型钢或C型钢随面板堆石坝堆石体同步发生沉降变形，沿H型钢或C型钢长度方向的差异沉降变形将导致H型钢或C型钢上下翼缘分别被拉伸和压缩，从而带动粘贴于H型钢或C型钢上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩，现有分布式光纤技术的应变测量精度可达1µε（微应变），且空间分辨率可达到1cm，其高应变测量精度和高空间分辨率可以准确测量出粘贴于H型钢或C型钢上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩形成的应变变形，根据测得粘贴于H型钢或C型钢上下翼缘的传感光纤拉伸和压缩变形的差值即可计算得各单位长度范围内坝体内部差异沉降，采用的差值计算方法可以直接消除温度变化和坝体内部水平位移对传感光纤的测值影响，以埋设安装在面板堆石坝内部的H型钢或C型钢在下游坝坡引出点为参考点，逐个单位测量长度差异沉降累加即可计算得到面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布，且可测量面板堆石坝纵、横断面的内部沉降变形。以高度为20cm的H型钢或C型钢为例，采用该技术其1m单位长度的沉降测量精度为0.01mm/m，300m级面板堆石坝其纵断面最大测量长度约为1000m，采用该方法测量长度1000m纵断面的内部分布式沉降变形，其理论综合误差为mm级。因此采用分布式光纤测量面板堆石坝内部沉降的测量方法具有很高测量精度，是面板堆石坝内部沉降监测技术的有益补充，且可解决高面板堆石坝内部沉降变形难题。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题在于，解决高面板堆石坝内部沉降变形难题，提供一种坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，本发明还提供这种坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统的实施方法。该系统与方法简单易行，成本很低，适应于任何面板堆石坝沉降位移测量，特别是高长面板堆石坝，且可以实现自动化测量。
为达成上述目的，本发明提出了一种坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，该系统设置在面板堆石坝坝体内的监测沟中，其特征在于，该监测沟中设有与监测沟等长的型钢，该型钢上下平行地固定有两条应变传感光纤；该两条应变传感光纤通过连接光缆接入光纤检测仪器。
所述的型钢可以采用H形型钢或C形型钢；该H形型钢或C形型钢是焊接成一整条放在监测沟里面。
所述的光纤为直径4-6mm的柔性护套光纤。
两条应变传感光纤与型钢之间的固定方式是：用环氧树脂作为粘合剂以胶结方式将传感光纤牢固胶结于H形型钢或C形型钢的上下内翼缘上，使之成为一整体，保证传感光纤与H形型钢或C形型钢上下内翼缘的变形协调一致。
所述的型钢在监测沟内的设置方式是：监测沟沟底按要求整平，并填上一层细料；将整条H形型钢或C形型钢用细料埋设好，用人工碾压密实，填筑1米以上才可以用机械碾压密实。
以埋设安装在面板堆石坝内部的H形型钢或C形型钢在下游坝坡引出点为参考点。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统的实施方法，包括以下步骤：
1）面板堆石坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在面板堆石坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测沟，监测沟按要求整平并填上一层细料。
2）在监测沟里面安装H形型钢或C形型钢，该H形型钢或C形型钢安装好后用满焊的方式把H形型钢或C形型钢焊接成一整条放在监测沟里面；当面板堆石坝内部发生沉降位移时，带动H形型钢或C形型钢发生变形从而带动H形型钢或C形型钢上下翼缘位置传感光纤的应变发生变化。
3）将整条H形型钢或C形型钢表面进行清洁处理，在整条H形型钢或C形型钢上下内翼缘平行布设两条应变传感光纤，并用环氧树脂作为粘合剂以胶结方式将传感光纤牢固胶结于H形型钢或C形型钢的上下内翼缘上，使之成为一整体，保证传感光纤与H型钢或C型钢上下内翼缘的变形协调一致。
4）将H形型钢或C形型钢平放在监测沟细料表面。
5）安装完成后，将整条H形型钢或C形型钢用细料埋设好，用人工碾压密实，填筑1米以上才可以用机械碾压密实。
6）传感光纤与连接光缆对接并接入观测房中的光纤检测仪器，采用目前最先进的分布式光纤传感技术测量与面板堆石坝同步变形的H形型钢或C形型钢的应变、变形数据，分布式光纤传感技术可实现自动化测量。采用积分方法计算分析测量的应变数据，从而计算得到被测面板堆石坝内部沉降变形特性。
本发明所述的测量方法是在H形型钢或C形型钢的上下翼缘布设两条平行的应变传感光纤来测量面板堆石坝内部沉降位移。通过高精度分布式光纤测量技术准确测量出粘贴于H形型钢或C形型钢上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩形成的应变变形，采用的差值计算方法可以直接消除温度变化和坝体内部水平位移对传感光纤的测值影响，根据测得粘贴于H形型钢或C形型钢上下翼缘的传感光纤拉伸和压缩变形的差值即可计算得各单位长度范围内坝体内部差异沉降，以埋设安装在面板堆石坝内部的H形型钢或C形型钢在下游坝坡引出点为参考点，采用积分方法计算分析测量的应变数据，来计算面板堆石坝内部沉降，可计算得到面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布。
本发明所述型钢为H形型钢或C形型钢，利用H形型钢或C形型钢的刚度以及其接头焊接后形成的整体性以实现其与周围堆石体的同步沉降变形，利用其翼板宽度和刚度对粘贴在其上下翼缘的传感光纤进行保护；所述传感光纤为4～6mm直径的柔性传感光纤。
换言之，本发明的方法和装置的工作原理是：
利用当前先进的分布式光纤测量技术的测量精度高（测量精度最高可达1με），分布式测量（最小1cm一个测点），测量抗干扰能力强，测量距离长，实现对面板堆石坝沉降位移的迅速准确测量，是面板堆石坝沉降位移测量的一种革新测量方法。本发明是采用H型钢或C型钢上下翼缘各布设一条应变传感光纤，两条应变传感光纤相互平行布置，通过计算单位长度H型钢或C型钢上下翼缘传感光纤的应变差值计算其单位长度的差异沉降，以埋设安装在面板堆石坝内部的H型钢或C型钢在下游坝坡引出点为参考点，采用积分方法计算分析测量的应变数据，来计算面板堆石坝内部沉降，从而测得面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布。以高度为20cm的H型钢或C型钢为例，采用该技术其1m单位长度的沉降测量精度为0.01mm/m，300m级面板堆石坝其纵断面最大测量长度约为1000m，采用该方法测量长度1000m纵断面的内部分布式沉降变形，其理论综合误差为mm级。
将测量面板堆石坝内部沉降变形的H型钢或C型钢表面进行清洁处理，在整条H型钢或C型钢的内翼缘的中心位置上下内翼缘表面平行布设应变传感光纤，并用环氧树脂作为粘合剂以胶结方式将传感光纤牢固胶结于H型钢或C型钢的内翼缘上，使之成一整体，保证传感光纤与H型钢或C型钢的翼缘的变形协调一致，安装好应变传感光纤的H型钢或C型钢采用合理的保护措施处理后埋设于被监测面板堆石坝中。安装完成后，将整条H型钢或C型钢用细料埋设好，用人工碾压密实，填筑1米以上才可以用机械碾压密实。将传感光纤接入光纤检测仪器，采用目前最先进的分布式光纤传感技术测量与面板堆石坝同步变形的H型钢或C型钢的应变、变形数据，分布式光纤传感技术可实现自动化测量，采用积分方法计算分析测量的应变数据。面板堆石坝堆石体内部发生沉降时，埋设其中的H型钢或C型钢与之同步沉降变形，导致H型钢或C型钢上下翼缘分别被拉伸和压缩，用环氧树脂粘贴于相应位置的应变传感光纤将同步被拉伸和压缩，计算单位长度上下翼缘处应变传感光纤的应变差值即可计算出单位长度H型钢或C型钢弯曲的变化，通过计算单位长度H型钢或C型钢上下翼缘传感光纤的应变差值计算其单位长度的差异沉降，以埋设安装在面板堆石坝内部的H型钢或C型钢在下游坝坡引出点为参考点，采用积分方法计算分析测量的应变数据，来计算面板堆石坝内部沉降，从而测得面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布。
由以上本发明的技术方案可知，本发明的监测方法和监测系统采用分布式光纤测量面板堆石坝内部沉降变形的装置及其方法，通过在表面处理干净的H型钢或C型钢的上下翼缘内表面胶结好传感光纤，环氧树脂和H型钢或C型钢翼板对应变传感光纤起保护作用，整条H型钢或C型钢安装在被测面板堆石坝监测沟中，并填筑细料埋设好H型钢或C型钢，用人工碾压密实，采用光纤检测仪器对安装埋设的传感光纤进行测量以实现监控测量与面板堆石坝同步变形的H型钢或C型钢的应变、变形数据，分布式光纤传感技术可实现自动化测量，采用积分方法计算分析测量的应变数据，从而计算得到面板堆石坝沉降位移变形特性。
本发明具有以下效果：
1、坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统和方法，该方法结构加工简单，方便安装，简便易行、成本低，其测量精度满足工程实际测量需要；
2、采用H型钢或C型钢上下翼缘内表面胶结传感光纤来测量H型钢或C型钢的上下表面应变，通过计算H型钢或C型钢上下表面应变差值可计算出单位长度范围内H型钢或C型钢的弯曲量，从而计算出单位长度范围内H型钢或C型钢两端差异沉降值，利用差值算法消除温度变化和H型钢或C型钢拉伸对应变传感光纤测值的影响，采用积分方法计算面板堆石坝内部沉降位移，从而测得面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布。
3、扩展了分布式光纤光栅传感技术测量的应用领域。
附图说明
图1是本发明采用分布式光纤测量面板堆石坝内部沉降监测系统的结构示意图；
图2是本发明的H型钢光纤布置结构示意图；
图3是本发明的C型钢光纤布置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施案例，对本发明方法作进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统和方法，是用于监测面板堆石坝内部变形情况。总体来说，本发明通过在表面处理干净的H型钢或C型钢上下翼缘内表面胶结好应变传感光纤，整条H型钢或C型钢安装在被测面板堆石坝监测沟中，并填筑细料埋设好H型钢或C型钢，用人工碾压密实，采用光纤检测仪器对安装埋设的传感光纤进行测量以实现监控测量与面板堆石坝同步变形的H型钢或C型钢的应变、变形数据，分布式光纤传感技术可实现自动化测量，采用积分方法计算分析测量的应变数据，从而计算得到被测面板堆石坝内部变形特性。面板堆石坝堆石体内部发生沉降时，埋设其中的H型钢或C型钢与之同步沉降变形，导致H型钢或C型钢上下翼缘分别被拉伸和压缩，用环氧树脂粘贴于相应位置的应变传感光纤将同步被拉伸和压缩，计算单位长度上下翼缘处应变传感光纤的应变差值即可计算出单位长度H型钢或C型钢弯曲的变化，通过计算单位长度H型钢或C型钢上下翼缘传感光纤的应变差值计算其单位长度的差异沉降，以埋设安装在面板堆石坝内部的H型钢或C型钢在下游坝坡引出点为参考点，采用积分方法计算分析测量的应变数据，来计算面板堆石坝内部沉降，从而测得面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布。
实施例1：坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统和方法，参照图1, 图2，面板堆石坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在大坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测沟，监测沟按要求整平并填一层细料。在监测沟里面安装H型钢1，该H型钢1放在监测沟里面，所有的H型钢1用满焊的方式焊接成一整条；当面板堆石坝内部发生沉降时，带动H型钢1发生变形从而带动两翼缘内表面中心位置传感光纤2的应变发生变化。将整条H型钢1表面进行清洁处理，在整条H型钢1的上下翼缘内表面中心位置平行布设两条应变传感光纤2，并用环氧树脂胶5作为粘合剂以胶结方式将传感光纤2牢固胶结于H型钢1的上下翼缘内表面上，使之成一整体，保证传感光纤2与H型钢1的翼缘的变形协调一致。将胶结好传感光纤2的H型钢1安装于被监测面板堆石坝监测沟中。安装完成后，将整条H型钢1用细料埋设好，用人工碾压密实，填筑1米以上才可以用机械碾压密实。传感光纤2与连接光缆对接并接入观测房4的光纤检测仪器3，采用目前最先进的分布式光纤传感技术通过测量传感光纤应变以测量与面板堆石坝同步变形的H型钢1上下翼缘的应变、变形数据，分布式光纤传感技术可实现自动化测量，采用积分方法计算分析测量的应变数据，从而计算得到被测面板堆石坝内部沉降变形特性。本发明是采用H型钢1上下翼缘内表面各布设一条应变传感光纤2，两条应变传感光纤2相互平行布置，通过计算单位长度H型钢1上下翼缘传感光纤2的应变差值计算其单位长度的差异沉降，以埋设安装在面板堆石坝内部的H型钢1在下游坝坡引出点为参考点，采用积分方法计算分析测量的应变数据，来计算面板堆石坝内部沉降，从而测得面板堆石坝内部全长范围内以1cm为最小单位测量长度的沉降变形分布。
实施例2：坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统和方法，参照图3，坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统和方法，与实施例1基本相同，不同之处在于传感光纤2牢固胶结于C型钢6上。所述的光纤为直径4-6mm的柔性护套光纤。
Claims (9)
1.一种坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，该系统设置在面板堆石坝坝体内的监测沟中，其特征在于，该监测沟中设有与监测沟等长的型钢，该型钢上下平行地固定有两条应变传感光纤；该两条应变传感光纤通过连接光缆接入光纤检测仪器。
2.根据权利要求1所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述的型钢采用H形型钢或C形型钢；该H形型钢或C形型钢是焊接成一整条放在监测沟里面。
3.根据权利要求1所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述的光纤为直径4-6mm的柔性护套光纤。
4.根据权利要求1所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，两条应变传感光纤与型钢之间的固定方式是：用环氧树脂作为粘合剂以胶结方式将传感光纤牢固胶结于型钢的上下内翼缘上，使之成为一整体，保证传感光纤与型钢上下内翼缘的变形协调一致。
5.根据权利要求1所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述的型钢在监测沟内的设置方式是：监测沟沟底按要求整平，并填上一层细料；将整条型钢用细料埋设好，用人工碾压密实，填筑1米以上才可以用机械碾压密实。
6.根据权利要求1-5之一所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，以埋设安装在面板堆石坝内部的型钢在下游坝坡引出点为参考点。
7.权利要求1所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）面板堆石坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在面板堆石坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测沟，监测沟按要求整平并填上一层细料；
2）在监测沟里面安装型钢，该型钢安装好后用满焊的方式把型钢焊接成一整条放在监测沟里面；当面板堆石坝内部发生沉降位移时，带动型钢发生变形从而带动型钢上下翼缘位置传感光纤的应变发生变化；
3）将整条型钢表面进行清洁处理，在整条型钢上下内翼缘平行布设两条应变传感光纤，并用环氧树脂作为粘合剂以胶结方式将传感光纤牢固胶结于型钢的上下内翼缘上，使之成为一整体，保证传感光纤与型钢上下内翼缘的变形协调一致；
4）将型钢平放在监测沟细料表面；
5）安装完成后，将整条型钢用细料埋设好，用人工碾压密实，填筑1米以上才可以用机械碾压密实；
6）传感光纤与连接光缆对接并接入观测房中的光纤检测仪器，采用目前最先进的分布式光纤传感技术测量与面板堆石坝同步变形的型钢的应变、变形数据，分布式光纤传感技术可实现自动化测量。
8.根据权利要求6所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统的实施方法，其特征在于，步骤2）、3）、4）、5）中所述的型钢采用H形型钢或C形型钢。
9.根据权利要求7或8所述的坝体全断面沉降监测的分布式光纤测量系统的实施方法，其特征在于，步骤6）是采用积分方法计算分析测量的应变数据，从而计算得到被测面板堆石坝内部沉降变形特性。
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