CN108917879B - 基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置及其监测方法，监测装置包括控制箱、导水管、进水管、沉淀管、悬挂杆和用于接收背向散射光的光纤，控制箱底部设置第一出光纤孔，光纤的一端通过第一出光纤孔与控制箱相连，光纤的另一端弯曲螺旋在悬挂杆上，导水管与进水管紧密连接，进水管与沉淀管紧密连接，悬挂杆包含圆形顶盖和圆柱杆两部分，导水管和进水管分别与第一管接头螺纹连接，进水管和沉淀管分别与第二管接头螺纹连接，进水管上有透水孔，光纤为塑料光纤。监测方法包括：光时域反射模块接收塑料光纤的背向散射光，用公式计算水位。本发明有成本低、韧性好、抗腐蚀和抗电磁干扰强等优点，测量数据可靠。
Description
技术领域
本发明属于土石坝安全监测技术领域，具体为一种土石坝浸润线监测装置。
背景技术
浸润线是土石坝渗漏量计算及坝坡抗滑、抗震、抗渗能力复核的主要依据，是衡量土石坝安全程度的重要指标因此，确定浸润线位置是土石坝病害诊断和治理中必须解决的关键问题。根据《碾压土石坝设计规范》(SL274-2000)，《土石坝安全监测技术规范》(SL551-2012)等规范要求，水库管理人员须定期观测坝体浸润线，以评价工程运行是否安全。
传统浸润线监测方法是在土石坝横截面打孔设置测压管或多测点布置渗压计，根据测量某一深度水压力从而换算出水位。水压的测量通常采用渗压计测量，渗压计由弹性薄板、应变敏感元件、密封壳及引出电缆四部分组成。压力水使受压板产生挠曲，使应变敏感元件的方杆产生相对位移，引起电阻比变化，从而测得渗透压力的大小。但渗压计密封性要求较高，长期使用易发生锈蚀，零点漂移等问题，且连接电缆易发生松动变形，造成渗压计高程变化，测量数据准确性难以保障。另外，出现问题后现场校正或维修不方便，通常整体更换造成较大人力和物力的浪费。近年来，基于分布式光纤温度传感技术，通过通电加热光纤观测温度突变来定位浸润线的方法受到广泛关注，例如：专利申请号CN103353322A的中国发明专利“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”提出采用拉曼型DTS系统垂直埋设光纤进行测温，专利申请号CN105698897A的中国发明专利“一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统”提出利用布里渊或布里渊-瑞利合成系统和光电复合缆进行监测。但利用分布式光纤传感技术多存在干扰施工，铺设周期长，系统运行成本高且维修等问题，且多采用光纤光栅作为传感元件，其容易断裂，存活率低，且价格昂贵，实际应用中很难推广使用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种可实现实时在线和远程自动监测的土石坝浸润线监测装置，本发明的另一目的是提供利用该装置的监测方法。
技术方案：本发明所述的一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，包括控制箱、导水管、进水管、沉淀管、悬挂杆和用于接收背向散射光的光纤，悬挂杆放置于导水管内，控制箱底部设置第一出光纤孔，光纤的一端通过第一出光纤孔与控制箱相连，另一端弯曲螺旋在悬挂杆上，导水管与进水管连接，进水管与沉淀管连接，悬挂杆包含圆形顶盖和圆柱杆两部分，圆形顶盖预留兼作通风孔的第二出光纤孔，圆柱杆的外侧预留用于缠绕固定光纤的圆柱螺旋状沟槽，导水管和进水管分别与第一管接头螺纹连接，进水管和沉淀管分别与第二管接头螺纹连接，进水管上有透水孔，光纤为塑料光纤。
控制箱固定在立杆上，控制箱包括微处理器、蓄电池、控制器、无线通讯模块和用于向光光纤发射光脉冲并接收背向散射光的光时域反射模块，光时域反射模块与光纤相连，控制器与蓄电池相连，微处理器分别与蓄电池、无线通讯模块和光时域反射模块相连。控制器与太阳能板相连，太阳能板通过支架与立杆相连，无线通讯模块与天线相连，各测点通过GPRS网络连接通讯服务器，与主控制服务器终端连接，统一处理，可得到浸润线整体情况。
本发明所述的一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测方法：光时域反射模块向塑料光纤发射光脉冲，并接收塑料光纤的背向散射光，Z为水位，Z0塑料光纤顶高程，D为塑料光纤圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离，利用以下公式计算水位：
工作原理：本发明基于光纤光时域反射测量导水管中水位，通过光时域反射模块向光纤发射光脉冲，进而接收光纤探头的背向散射光，从而获取导水管中水位信息。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明采用塑料光纤探测导水管中水位，取代渗压计测量水压换算水位，具有成本低、韧性好、抗腐蚀和抗电磁干扰强等优势，精度和分辨率更高、量程更大，且克服了传统渗压计零点漂移，高程变化等问题，测量数据更可靠；本发明的各部分管件可统一生产，现场安装，保证质量，方便质检和运输；本发明当塑料光纤出现问题时，仅需取出悬挂杆替换塑料光纤，简单方便又避免浪费；本发明的各监测装置通过无线通讯系统与主控系统连接，经过数据处理可得到浸润线情况，可实现远程自动、实时在线监测；本发明通过太阳能板供电，有利于节能环保。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的控制箱的结构示意图。
图3是本发明的光时域反射测试曲线示意图。
具体实施方式
如图1，本发明的基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，包括控制箱1、太阳能板13、立杆7、悬挂杆5、光纤6、导水管2、进水管3、沉淀管4，沉淀管4、进水管3、导水管2为镀锌管，光纤6优选为塑料光纤，连接处通过外螺纹与管接头连接，沉淀管4底部封闭，用于沉淀进入进水管3的颗粒物，以免发生堵塞。进水管3外壁包裹土工布，进水管3的管壁梅花状均匀布置透水孔20，开孔率20％，孔径5mm，沉淀管4和进水管3统一规格为2m，导水管2设置10m、5m、2m、1m、0.5m等不同规格，各管材统一生产与运输，并在现场拼接。用风钻造观测孔，观测孔底部和沉淀管4及进水管3周围用于填入砂砾石。立杆7固定在观测孔一侧地面，太阳能板13通过支架14设置在立杆7的顶部，可通过支架14调整太阳能板13方位，控制箱1固定在立杆7上，为金属机箱，控制箱1的底部焊接三角支架14，顶部安装防水板，底部设置第一出光纤6孔。悬挂杆5包含圆形顶盖16和圆柱杆17两部分，焊接而成，圆柱杆17直径为塑料光纤设计宏弯曲直径，悬挂杆5的外侧预留圆柱螺旋状沟槽用于缠绕固定光纤6。圆形顶盖16通过螺钉与地面连接，预留第二出光纤6孔，用于光纤6出线，并作为通风孔用于保证内外气压平衡。导水管2和进水管3分别与第一管接头18螺纹连接，进水管3和沉淀管4分别与第二管接头19螺纹连接。
如图2，控制箱1包括微处理器8、蓄电池9、控制器10、无线通讯模块11和用于向塑料光纤发射光脉冲并接收背向散射光的光时域反射模块12，控制器10用于将太阳能板13接收的光能转换为电能，蓄电池9为铅酸蓄电池，用于储存电能并为控制系统供电，光时域反射模块12与光纤6相连，控制器10与蓄电池9相连，微处理器8分别与蓄电池9、无线通讯模块11和光时域反射模块12相连。控制器10与太阳能板13相连，太阳能板13通过支架14与立杆7相连，无线通讯模块11与天线15相连，各测点通过GPRS网络连接通讯服务器，与主控制服务器终端连接，统一处理，可得到浸润线整体情况。
本发明的塑料光纤优选POF型号，是日本三菱公司生产的SH2001-J，相关参数指标见表1：
表1 SH2001-J纤芯和涂覆层的相关参数表
| 部位 | 材料 | 外径/mm | 折射率 |
| 纤芯 | 聚甲基丙烯酸甲酯 | 0.5 | 1.492 |
| 涂覆层 | 聚乙烯 | 1.0 | 1.407 |
本发明的安装和监测方法包括：
(1)基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，安装须选择库水位较低时(枯水期)进行，以免造成管涌。采用风钻造孔，不宜采用泥浆固壁，以防孔壁坍塌。作为优选，可先下套管，待装置埋设后将套管拔出。观测孔深度比管底高程略深，以免局部坍塌造成埋设误差。观测孔方向与基础面垂直，钻孔结束后，相关装置埋设之前，用压力水冲洗观测孔，直到回水变清后送入压缩空气，并将积水排干。
(2)埋设前须检查管内壁及管接头等部位，对生产过程中形成的毛刺进行打光，导水管2外部包裹土工布，以防止土颗粒进入。下管前先在孔底填大于等于10cm厚的砂砾石反滤料，按照沉淀管4、第二管接头19、进水管3、第一管接头18、导水管2的顺序逐一拼装放入观测孔内，注意连接紧固，保持管身顺直，并防止渗漏。导水管2全部放入观测孔后，应再次校验管底高程。
(3)根据周围土石坝坝体土质状况回填砂砾石21反滤料，并逐层捣实直至进水管3顶高程。反滤料应符合级配和层间关系需要，既能防止细颗粒进入管中，又具有足够的透水性。套管可随反滤料回填逐段拔出，之后回填水泥砂浆22至导水管2管口高程进行封孔，以防降雨进入影响观测。
(4)本发明采用基于塑料光纤光时域反射的水位测量方法测量导水管2中水位，对于单个测点，微处理器控制光时域反射模块12发出经过脉冲调制的光脉冲并耦合进入塑料光纤，而后进入呈螺旋状的塑料光纤探头发生散射，背向散射光返回光纤入射端，在光时域模块中转变为电信号，而后转变为数字信号，经处理得到背向散射曲线，光线因不满足全反射条件而入射到外界环境形成辐射模，辐射模能量由外部环境折射率所调制。使用中，在重点观测断面选择若干测点布置本装置。如图3所示，由于空气和水具有不同折射率，不同水位下背向散射光光传输损耗水平不同，则背向散射曲线在水面两侧损耗速率不同，且由于水面处折射率突变，背向散射曲线在水面处发生一定程度突变，因此可利用背向散射曲线经过下列如下公式得到水位：
其中，Z为水位，Z0塑料光纤顶高程，D为塑料光纤圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离。各测点通过无线通讯模块GPRS网络将水位数据发送至监测中心，经监测系统处理可得到土石坝浸润线整体情况。
Claims (6)
1.一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，其特征在于：包括控制箱(1)、导水管(2)、进水管(3)、沉淀管(4)、悬挂杆(5)和用于接收背向散射光的光纤(6)，所述悬挂杆(5)放置于导水管(2)内，所述控制箱(1)底部设置第一出光纤孔，所述光纤(6)的一端通过第一出光纤孔与控制箱(1)相连，另一端弯曲螺旋在悬挂杆(5)上，所述导水管(2)与进水管(3)连接，所述进水管(3)与沉淀管(4)连接；
所述控制箱(1)包括微处理器(8)、蓄电池(9)、控制器(10)、无线通讯模块(11)和用于向光纤(6)发射光脉冲并接收背向散射光的光时域反射模块(12)，所述光时域反射模块(12)与光纤(6)相连，所述控制器(10)与蓄电池(9)相连，所述微处理器(8)分别与蓄电池(9)、无线通讯模块(11)和光时域反射模块(12)相连；
所述光纤(6)为塑料光纤；所述基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置的监测方法：光时域反射模块(12)向塑料光纤发射光脉冲，并接收塑料光纤的背向散射光，用以下公式计算水位：
Z为水位，Z0为塑料光纤顶高程，D为塑料光纤圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离。
2.根据权利要求1所述的基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，其特征在于：所述控制箱(1)固定在立杆(7)上。
3.根据权利要求1所述的基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，其特征在于：所述控制器(10)与太阳能板(13)相连，所述太阳能板(13)通过支架(14)与立杆(7)相连，所述无线通讯模块(11)与天线(15)相连。
4.根据权利要求1所述的基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，其特征在于：所述悬挂杆(5)包含圆形顶盖(16)和圆柱杆(17)两部分。
5.根据权利要求4所述的基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，其特征在于：所述圆形顶盖(16)预留兼作通风孔的第二出光纤孔，所述圆柱杆(17)的外侧预留用于缠绕固定光纤(6)的圆柱螺旋状沟槽。
6.根据权利要求1所述的基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，其特征在于：所述导水管(2)和进水管(3)分别与第一管接头(18)螺纹连接，所述进水管(3)和沉淀管(4)分别与第二管接头(19)螺纹连接，所述进水管(3)上有透水孔(20)。
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