CN110397054B - 一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，包括钢板桩、第一分布式传感光纤、第二分布式传感光纤、光纤接头以及分布式传感光纤解调仪；钢板桩的腹板的内侧形成U型的第一光纤安装槽，腹板的外侧形成有U型的第二光纤安装槽；第一分布式传感光纤设置于第一光纤安装槽内，第二分布式传感光纤设置于第二光纤安装槽内；第一分布式传感光纤的两端从第一光纤安装槽的两个开口延伸出，第二分布式传感光纤的两端从第二光纤安装槽的两个开口延伸出；第一分布式传感光纤以及第二分布式传感光纤延伸出的两端分别通过光纤接头连接至分布式传感光纤解调仪。本发明具有受环境因素影响小，监测范围大、耐久性、耐腐蚀和长期稳定性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及围堰监测领域，尤其涉及一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统及方法。
背景技术
围堰是指在水利工程建设中，为建造永久性水利设施而修建的临时性围护结构(通常采用钢材)。其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置，以便在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑物。一般主要用于水工建筑中，除作为正式建筑物的一部分外，围堰一般在用完后拆除。
在使用围堰技术的过程中，由于河床的错综复杂且多变，导致无法对河床进行准确的测量，因此很容易造成围堰的坍塌，这不仅仅会延误工期，还会造成巨大的人员财产损失。
为了防止围堰出现一些不良的突发事故，通常的手段是进行围堰安全监控，通过全程动态监控，实时对钢围堰承受能力进行评估，用以确定钢围堰是否安全。
现有的围堰监测通常采用的是点式或准分布式监测，其存在布置困难、漏检、成本高、监测不稳定、容易受环境因素影响，监测范围小和耐久性能不足的缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统及方法，其具有受环境温度等因素影响小，监测范围大、耐久性、耐腐蚀和长期稳定性好的优点，从而为工程的动态风险评估提供精确、可靠的监测数据，保证基坑开挖安全和可靠性。
本发明实施例提供了一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，包括用于构建形成围堰结构的钢板桩、第一分布式传感光纤、第二分布式传感光纤、光纤接头以及分布式传感光纤解调仪；其中，所述钢板桩的腹板的内侧形成有U型的第一光纤安装槽，所述钢板桩的腹板的外侧形成有U型的第二光纤安装槽；所述第一分布式传感光纤设置于所述第一光纤安装槽内，所述第二分布式传感光纤设置于所述第二光纤安装槽内；所述第一分布式传感光纤的两端从所述第一光纤安装槽的两个开口延伸出，所述第二分布式传感光纤的两端从所述第二光纤安装槽的两个开口延伸出；所述第一分布式传感光纤以及所述第二分布式传感光纤延伸出的两端分别通过所述光纤接头连接至所述分布式传感光纤解调仪。
优选地，所述第一光纤安装槽以及第二光纤安装槽均由呈U型的两根钢筋形成；其中，两根钢筋具有预定的间距，以形成凹槽结构。
优选地，所述钢筋之间的间距为10mm，所述钢筋的直径为6mm。
优选地，所述钢筋设置于所述腹板的内侧和外侧的中轴线附近。
优选地，所述第一分布式传感光纤通过环氧树脂胶水固定于所述第一光纤安装槽内；所述第二分布式传感光纤通过环氧树脂胶水固定于所述第二光纤安装槽内。
优选地，所述光纤接头为APC接头。
优选地，所述第一分布式传感光纤从所述第一光纤安装槽的两个开口延伸出的两部分长度相等；所述第二分布式传感光纤从所述第二光纤安装槽的两个开口延伸出的两部分长度相等。
本发明实施例还提供了一种基于如上述的分布式光纤围堰监测系统的围堰监测方法，包括：
接收由第一分布式传感光纤和第二分布式传感光纤传输的光信号；
根据所述光信号计算第一分布式传感光纤在预定截面处的第一应变以及第二分布式传感光纤在所述预定截面处的第二应变；
获取第一分布式传感光纤相对于钢板桩的中性面的第一距离以及第二分布式传感光纤相对于钢板桩的中性面的第二距离；
根据所述第一应变、第二应变、第一距离、第二距离、钢板桩的桩身截面惯性矩以及桩身材料弹性模量计算得到在所述预定截面处的桩身弯矩；
根据所述桩身弯矩分布计算桩身挠度分布，从而实现对钢板桩的监测。
优选地，所述桩身弯矩的计算公式为：
其中，M(x)为在预定截面处的桩身弯矩；Iz为桩身截面惯性矩；E为桩身材料弹性模量；ε1(x)为第一应变；ε1′(x)为第二应变；Y(x)＝y1(x)-y1′(x)；其中， y1(x)为第一距离，y1′(x)为第二距离；Y(x)＝Y，Y为所述腹板的厚度。
优选地，所述桩身挠度分布的公式为：
IzEyD(x)＝-∫[∫M(x)dx]dx+Cx+D；
其中，式中yD(x)为在所述预定截面处的挠度；C和D为根据边界条件所确定的参数。
本发明实施例提供的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统及方法具有如下优点：
1、分布式传感光纤的埋设工艺采用两根钢筋进行保护，而不直接对钢板桩进行加工，可保证不削弱钢板桩截面性能；
2、两根钢筋均具有半圆形的连接部，有利于光纤形成回路；
3、分布式传感光纤具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性；
4、通过布设具有分布式特点的分布式传感光纤，光纤即作为传感体又作为传输介质，可以比较容易实现长距离、分布式监测；
5、光纤本身轻细纤柔、体积较小、重量较轻，便于布设安装。
6、本实施例获得的桩身弯矩以及桩身挠度均是消除了温度应变影响的，能保证指标的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统的腹板内侧的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统的一个截面示意图。
图3是本发明实施例提供的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统沉桩后的示意简图。
图4是本发明实施例提供的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统沉桩后的截面简图。
图5是本发明实施例提供的围堰监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1及图2，本发明实施例提供了一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其包括用于构建形成围堰结构的钢板桩10、第一分布式传感光纤20、第二分布式传感光纤30、多个光纤接头40以及分布式传感光纤解调仪(BOTDA)50。其中，所述钢板桩10的腹板11的内侧形成有U型的第一光纤安装槽12，所述钢板桩10的腹板11的外侧形成有U型的第二光纤安装槽13；所述第一分布式传感光纤20设置于所述第一光纤安装槽12内，所述第二分布式传感光纤30设置于所述第二光纤安装槽13内；所述第一分布式传感光纤20 的两端从所述第一光纤安装槽12的两个开口延伸出，所述第二分布式传感光纤 30的两端从所述第二光纤安装槽13的两个开口延伸出；所述第一分布式传感光纤20以及所述第二分布式传感光纤30延伸出的两端分别通过所述光纤接头40 连接至所述分布式传感光纤解调仪50。
在本实施例中，所述第一光纤安装槽12由呈U型的第一钢筋121和第二钢筋122形成；其中，所述第一钢筋121以及第二钢筋122均固定于所述钢板桩 10的腹板11上，且所述第一钢筋121和第二钢筋122具有预定的间距，以形成用于容纳所述第一分布式传感光纤20的凹槽结构。
具体地，在本实施例中，所述第一钢筋121以及所述第二钢筋122均由两个直线部以及连接两个直线段的半圆形连接部形成。在施工时，可在钢板桩10 的腹板11的中轴线上下位置附近焊接上四个直线部，然后在钢板桩10的桩底焊接所述两个半圆形连接部，分别连接中轴线上下的四个直线部，使钢筋之间的凹槽成U形连通，从而形成所述第一光纤安装槽。待所述第一钢筋121以及所述第二钢筋122焊接完成后，用打磨机对第一光纤安装槽12进行打磨，打磨完成后把第一光纤安装槽12内的灰尘清扫干净，将所述第一分布式传感光纤20 放入第一光纤安装槽12内，在第一光纤安装槽12的两个端口预留出一定长度的光纤，且保证两端预留的光纤的长度一致。接着采用胶水(如环氧树脂胶水) 涂抹在第一光纤安装槽12，使胶水充满U形的第一光纤安装槽12，待胶水凝固后，用光纤熔接机把两端预留的光纤分别与光纤接头40进行连接，连接完成后用密封袋对所述第一分布式传感光纤20进行封装，使之贴在钢板桩10的腹板 11的内侧上。
在本实施例中，基于类似的操作，可以在所述腹板11的外侧形成所述第二光纤安装槽13以及将所述第二分布式传感光纤30安装到所述第二光纤安装槽 13内，本发明在此不做赘述。
在本实施例中，优选地，所述第一钢筋121以及第二钢筋122的间距为10mm，所述第一钢筋121以及第二钢筋122的直径为6mm，所述光纤接头40可为APC 接头。
其中，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述第一钢筋121以及第二钢筋122也可以是一体成型的，如通过将一段钢筋进行弯折形成，这些方案也在本发明的保护范围之内。
此外，所述第一钢筋121以及第二钢筋122之间的间距以及第一钢筋121 以及第二钢筋122的直径可根据实际的需要进行选择，而不仅限于上述提及的数值。
如图3和图4所示，在本实施例中，在将所述第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30设置到所述钢板桩10后，可利用振动沉桩的方法把贴有第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30的钢板桩10打入河床地下，待沉桩完成后，用激光发射笔从第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤 30的一端发射信号，在另一端监测光信号，检测到光信号则说明施工质量良好，施工时没有破坏第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30的完整性，可以进行下一步的围堰施工监测。
在监测时，可将所述第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30的两端通过对应的光纤接头40连接至分布式传感光纤解调仪50上，通过所述分布式传感光纤解调仪50采集第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30 的数据，根据采集的数据即可获得桩身应变值，进而计算出桩身的弯矩值及水平挠度值等。
具体地，如图5所示，可通过如下方法进行测量：
S201，所述分布式传感光纤解调仪50接收由第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30传输的光信号。
S202，所述分布式传感光纤解调仪50根据所述光信号计算第一分布式传感光纤20在预定截面处的第一应变ε1(x)以及第二分布式传感光纤30在所述预定截面处的第二应变ε1′(x)。
S203，获取第一分布式传感光纤20相对于钢板桩10的中性面的第一距离 y1(x)以及第二分布式传感光纤30相对于钢板桩10的中性面的第二距离y1′(x)；
S204，根据所述第一应变ε1(x)、第二应变ε1′(x)、第一距离y1(x)、第二距离 y1′(x)、钢板桩的桩身截面惯性矩Iz以及桩身材料弹性模量E计算得到在所述预定截面处的桩身弯矩M(x)。其中：
Y(x)＝Y，Y为所述腹板11的厚度。
S205，根据所述桩身弯矩分布计算桩身挠度分布，从而实现对钢板桩的监测。
其中，所述桩身挠度分布的公式为：
IzEyD(x)＝-∫[∫M(x)dx]dx+Cx+D； (2)
其中，式中yD(x)为在所述预定截面处的挠度；C和D为根据边界条件所确定的参数。
更进一步的，基于本实施例还可以实现温度补偿功能。
具体地，所述分布式传感光纤解调仪50测量得到的应变包含了温度应变和光纤受结构变形而产生的真实应变的共同影响，即所述第一应变和第二应变由两个部分组成：
ε1(x)＝ε1ε(x)+ε1t(x) (3)
ε1′(x)＝ε1′ε(x)+ε1′t(x) (4)
其中，ε1(x)和ε1′(x)是分布式传感光纤解调仪50测量得到的第一应变和第二应变；ε1ε(x)和ε1′ε(x)是第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30因受结构变形而产生的真实应变；ε1t(x)和ε1′t(x)是环境温度变化造成的第一分布式传感光纤20和第二分布式传感光纤30的温度应变。
因此，式(1)可以改写为：
M(x)=I z E{[ε 1ε (x)+ε 1t (x)]-[ε 1’ε (x)+ε 1’t (x)]}/Y (5)
在同一个温度场环境内的不同光纤，虽然由于结构变形的差异而在真实应变上有所不同，但它们的温度应变是相同或者接近的。因此，式(5)可改写为
M(x)=I z E[ε 1ε (x) -ε 1’ε (x)]/Y (6)
因此，在计算桩身弯矩时可以直接通过腹板11两侧上的光纤应变测量值的差值来进行温度补偿，而不需要另外铺设专用的温度补偿光纤，从而实现了钢板桩的温度自补偿功能。
综上所述，本发明实施例提供的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统及方法具有如下优点：
1、分布式传感光纤的埋设工艺采用两根钢筋进行保护，而不直接对钢板桩进行加工，可保证不削弱钢板桩截面性能；
2、两根钢筋均具有半圆形的连接部，有利于光纤形成回路；
3、分布式传感光纤具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性；
4、通过布设具有分布式特点的分布式传感光纤，光纤即作为传感体又作为传输介质，可以比较容易实现长距离、分布式监测；
5、光纤本身轻细纤柔、体积较小、重量较轻，便于布设安装。
6、本实施例获得的桩身弯矩以及桩身挠度均是消除了温度应变影响的，能保证指标的准确性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，包括用于构建形成围堰结构的钢板桩、第一分布式传感光纤、第二分布式传感光纤、光纤接头以及分布式传感光纤解调仪；其中，所述钢板桩的腹板的内侧形成有U型的第一光纤安装槽，所述钢板桩的腹板的外侧形成有U型的第二光纤安装槽；所述第一分布式传感光纤设置于所述第一光纤安装槽内，所述第二分布式传感光纤设置于所述第二光纤安装槽内；所述第一分布式传感光纤的两端从所述第一光纤安装槽的两个开口延伸出，所述第二分布式传感光纤的两端从所述第二光纤安装槽的两个开口延伸出；所述第一分布式传感光纤以及所述第二分布式传感光纤延伸出的两端分别通过所述光纤接头连接至所述分布式传感光纤解调仪；其中，所述第一分布式传感光纤和第二分布式传感光纤均能够测量因受结构变形而产生的真实应变和环境温度变化造成的温度应变。
2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，所述第一光纤安装槽以及第二光纤安装槽均由呈U型的两根钢筋形成；其中，两根钢筋具有预定的间距，以形成凹槽结构。
3.根据权利要求2所述的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，所述钢筋之间的间距为10mm，所述钢筋的直径为6mm。
4.根据权利要求2所述的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，所述钢筋设置于所述腹板的内侧和外侧的中轴线附近。
5.根据权利要求4所述的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，所述第一分布式传感光纤通过环氧树脂胶水固定于所述第一光纤安装槽内；所述第二分布式传感光纤通过环氧树脂胶水固定于所述第二光纤安装槽内。
6.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，所述光纤接头为APC接头。
7.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的分布式光纤围堰监测系统，其特征在于，所述第一分布式传感光纤从所述第一光纤安装槽的两个开口延伸出的两部分长度相等；所述第二分布式传感光纤从所述第二光纤安装槽的两个开口延伸出的两部分长度相等。
8.一种基于如权利要求1至7任意一项的分布式光纤围堰监测系统的围堰监测方法，其特征在于，包括：
接收由第一分布式传感光纤和第二分布式传感光纤传输的光信号；
根据所述光信号计算第一分布式传感光纤在预定截面处的第一应变以及第二分布式传感光纤在所述预定截面处的第二应变；
根据所述第一应变、第二应变、钢板桩的腹板的厚度、钢板桩的桩身截面惯性矩以及桩身材料弹性模量计算得到在所述预定截面处的桩身弯矩；
根据所述桩身弯矩分布计算桩身挠度分布，从而实现对钢板桩的监测。
9.根据权利要求8所述的围堰监测方法，其特征在于，所述桩身弯矩的计算公式为：
其中，M(x)为在预定截面处的桩身弯矩；Iz为桩身截面惯性矩；E为桩身材料弹性模量；ε1(x)为第一应变；ε1′(x)为第二应变；Y(x)＝Y，Y为所述腹板的厚度。
10.根据权利要求8所述的围堰监测方法，其特征在于，所述桩身挠度分布的公式为：
IzEyD(x)＝-∫[∫M(x)dx]dx+Cx+D；
其中，式中yD(x)为在所述预定截面处的挠度；C和D为根据边界条件所确定的参数。
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- 2019-07-30 CN CN201910697476.8A patent/CN110397054B/zh active Active
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