CN110485388B - 基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构及方法，结构包括静水压力传感器、总水压力传感器、高速光纤光栅解调仪，静水压力传感器、总水压力传感器分别通过光纤尾缆与高速光纤光栅解调仪连接；静水压力传感器安装在隧洞空腔内，安装方向垂直于水流方向，静水压力传感器通过卡箍和紧固件固定在空腔底部，空腔顶部自内向外设置有土工布和网状钢罩；总水压力传感器安装在支架上，位于静水压力传感器上方，总水压力传感器透水石正对上游水流方向。本发明使用2支不同朝向，不同高度布置的FBG水压传感器，对总水头进行流速水头校正，消除了边界层、平板扰流等因素的影响，提高了传感器的监测精度。
Description
技术领域
本发明属于水利工程安全监测技术领域，涉及基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构和方法。
背景技术
目前国内修建了大量的水工隧洞，随着隧洞建设朝着长距离，大埋深，高水头等方向发展，隧道的结构安全监测也显得更加重要。内水压力是隧洞运行期隧洞结构所受的重要载荷之一，尤其是隧洞运行过程中由于闸门、泵阀操作引起的管路水击，是最常见的一种隧洞破坏现象。由于水击是隧洞管路内水压急剧升高和降低的往复交替周期性变化，因此要求对内水压力进行持续的高频动态监测。
目前国内外，现有的脉动压力监测技术在石油输油管道、压力输水管道等领域有较为成熟的理论和监测设备，而在大型水工隧洞工程中，尚未形成完善、可靠的监测系统。部分动态压力监测设备造价昂贵，安装难度大，在实际工程中运用较少。
根据流体力学中伯努利方程
式中，C为系统总水头，z为位置水头，
为压力水头，
为流速水头。现有的水压监测设备主要为渗压计，其监测成果只能体现位置水头和压力水头，而无法反映系统的流速水头。系统总水头中流速水头的缺失，将无法体现隧洞运行过程中的真实水压荷载，其监测成果对隧洞的运行管理指导也会产生偏差。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构和方法，适用于大型水工隧洞，能正确体现包括流速水头在内的隧洞总水压，安装方便、运行可靠。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构，包括静水压力传感器、总水压力传感器、高速光纤光栅解调仪，静水压力传感器、总水压力传感器分别通过光纤尾缆与高速光纤光栅解调仪连接；所述静水压力传感器安装在隧洞空腔内，安装方向垂直于水流方向，静水压力传感器通过卡箍和紧固件固定在空腔底部，空腔顶部自内向外设置有土工布和网状钢罩；所述总水压力传感器安装在支架上，位于静水压力传感器上方，总水压力传感器透水石正对上游水流方向。
进一步的，所述总水压力传感器位于静水压力传感器上方50cm处。
进一步的，所述总水压力传感器透水石一端伸出支架边缘2～3cm。
进一步的，所述光纤尾缆穿入水位测管后与高速光纤光栅解调仪连接。
进一步的，所述光纤尾缆通过FC/APC接头接入光纤光栅解调仪。
进一步的，所述水压力传感器为FBG水压力传感器。
进一步的，所述隧洞空腔位于集渣坑下游。
进一步的，所述网状钢罩为密目网钢罩。
进一步的，所述支架的侧面及顶面具有通孔。
本发明还提供了基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，包括如下步骤：
1.根据引水隧洞阀井高度，选取适当长度的光纤尾缆接入FBG水压传感器；
2.将2支FBG水压传感器通过水位测管放入隧洞阀井中，静水压力传感器安装在集渣坑下游预留或临时开凿的空腔内，安装方向垂直于水流方向，并用卡箍、膨胀螺丝固定；
3.空腔上方使用密目网钢罩覆盖保护，在空腔和密目网钢罩中间铺盖土工布，钢罩使用膨胀螺丝固定在隧道底板；
4.总水压力传感器安装在钢支架上，钢支架高出静水压力传感器50cm，传感器使用卡箍和螺栓螺母固定；
5.为使总水压力传感器获得隧洞内的真实流速水头，传感器透水石一端伸出支架边缘 2～3cm，正对上游水流方向，并在钢支架的侧面及顶面镂空开孔；
6.将光纤尾缆观测端的FC/APC接头接入光纤光栅解调仪，自动进行波长解调和物理量换算；
7.解调仪内置的GPRS/CDMA模块将数据通过无线的方式上传至服务器，移动端或PC 端访问服务器获取实时监测数据和成果；
8.采用以下公式对系统总水压中流速水头进行校正：
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明使用2支不同朝向，不同高度布置的FBG水压传感器，对总水头进行流速水头校正，传感器的安装结构消除了边界层、平板扰流等因素的影响，提高了传感器的监测精度，空腔上方覆盖密目网钢罩和土工布，保证监测设备安全的同时，使水压能正常传递至传感器探头；总水压力传感器的钢支架采用侧面、顶面镂空开孔结构，保证支架强度的同时，减小水流压力，能实现监测数据和成果的实时上传，移动端和PC端的远程访问。
2.使用FBG传感器，动态响应快，采集频率1～100Hz可调，能获取捕捉到最完整的动态水压变化数据；
3.本发明结构整体安装方便、运行可靠，且便于拆卸维护，随装随用，随拆随走，便于推广和应用，在水工隧洞的运行安全监测中具有举足轻重的作用。
附图说明
图1为本发明提供的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构整体示意图。
图2为两支压力传感器的安装结构示意图。
图3为图2的侧视图。
图4为图2的俯视图。
图5为空腔内安装俯视图。
图6为密目网钢罩俯视图。
图7为密目网钢罩剖视图。
图8为FBG水压传感器剖视图。
图9为光纤光栅仪器原理图。
图10为边界层示意图。
图11为总水压力传感器安装钢支架流场模拟-速度分布云图1。
图12为总水压力传感器安装钢支架流场模拟-速度分布云图2。
图13为总水压力传感器安装钢支架流场模拟-压力分布云图1。
图14为总水压力传感器安装钢支架流场模拟-压力分布云图2。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1、图2所示，本发明提供的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构，包括静水压力传感器1、总水压力传感器14、高速光纤光栅解调仪2，静水压力传感器1以及总水压力传感器14分别通过光纤尾缆3与高速光纤光栅解调仪连接。静水压力传感器1安装在隧洞空腔4内，如图2、图3、图4所示，静水压力传感器1通过卡箍5和膨胀螺丝6固定在空腔底部，其中卡箍覆盖在静水压力传感器上，其两端通过膨胀螺丝6固定在空腔底部。膨胀螺丝6也可被替换为其他便于连接的紧固件。静水压力传感器1顶部采用密目网钢罩7、土工布8进行保护。土工布8、密目网钢罩7自内向外(以靠近空腔内部的方向为内，远离空腔内部的方向为外)固定在空腔顶部。密目网钢罩能够过滤固体杂质，保护监测设备，钢罩和空腔之间铺盖的土工布能够在避免空腔被堵塞的同时，保证水压同步传递至传感器。
安装空腔位于集渣坑12下游，仪器安装方向垂直于水流方向，因此静水压力传感器不受水流冲刷，其监测成果仅为传感器所受的静水压力水头。此外，水体携带的固体杂质会在集渣坑沉淀，避免了固体杂质对监测设备的冲击破坏。水压传感器安装空腔可以预留或者临时开凿。
如图2-图7所示，总水压力传感器14安装在钢支架15顶部，通过螺栓螺母16和卡箍5进行固定。根据流体力学边界层理论，流动液体在壁面附近受液体粘性影响，会形成具有速度梯度的薄层，使壁面边界上的液体速度为零，如图10所示，δ为边界层厚度。根据边界层相关特性，在高雷诺数下，边界层的厚度远小于被绕流物体的特征长度，由于隧洞运行过程中水流为高雷诺数的湍流状态，因此，将总水压力传感器安装于静水压力传感器上方50cm处，即可完全消除边界层带来的流速误差。
总水压力传感器安装时，使透水石正对上游水流方向，上游水流的动能在冲刷传感器时，转化为传感器内膜片的机械能，使压力光栅的光栅周期发生变化。总水压力传感器用钢支架安装固定，安装时，将传感器透水石一端伸出支架边缘2～3cm，避免水流在经过支架时形成边界层及扰流，使传感器无法获得真实流速。在钢支架的侧面及顶面镂空开通孔17，减少水流压力。
使用Solidworks构建总水压力传感器安装钢支架三维模型，通过FlowSimulation模块进行流场模拟分析，获得速度、压力分布云图，如图11、图12、图13、图14所示。根据流场模拟结果，该结构能保证总水压力传感器获得隧洞内真实水流速和水流压力。
本发明选用FBG水压力传感器作为水锤压力感知仪器，通过光纤尾缆接入高速光纤光栅解调仪。目前FBG水压传感器量程可达1MPa，分辨率可达0.05％F.S，精度可达0.5％F.S，满足水工隧洞水锤监测的技术要求。光纤尾缆穿入水位测管9内，得到有效保护。高速光纤光栅解调仪按照40Hz的频率对监测数据进行采集、计算，得到水压力，并通过内置的无线数据模块(GPRS/CDMA模块)，将水压力数据实时上传至移动端或PC端，反馈用户。目前光纤光栅解调仪的解调频率1～100Hz可调，快速高频的数据采集和解调，对水锤的脉动压力监测十分重要。只有足够高的数据采集频率，才能最可靠地获得水锤传播、衰减的完整过程。
FBG水压传感器是一种运用广泛的监测仪器，精度高，响应快，能实现高频监测。如图 8所示，其由传感器、光纤尾缆3、光缆接头101、FC/APC端子组成。传感器部分由透水石109、膜片107、压盖108、光纤座106、压力光栅105、护管104、温补光栅103、毛细管102 等组成。传感器内部封装结构如图5所示，由于该传感器为市面上能够购买到的产品，其中各部件的连接关系不在本发明中详细阐述。
FBG水压力传感器工作原理如图9所示。入射光谱光经过布拉格光栅，其中一部分光透射成为透射光，还有一部分满足公式(2)经过布拉格光栅反射：
λB＝2 neffΛ (2)
其中λB是反射波长，neff是光纤光栅的有效折射率，与光纤自身材质有关，Λ为人工写入的光栅栅距，也称为光栅周期。当传感器发生应变时，光栅周期变化，导致反射波长λB漂移，在光纤的弹性范围内，反射波长的漂移量△λB与所受压力呈线性相关，只要根据波长的漂移量即可得到所受压力的变化量。
被测水体透过透水石，经过压力腔，将水压传递到感压膜片上。感压膜片与压力光栅相连，水压变化导致压力光栅的光栅周期Λ变化，反射波长λB同步发生变化，光纤光栅解调仪对反射波长进行解调，得到压力波长。
光纤光栅解调仪对FBG水压传感器的反射波长进行解调读取，并通过公式(3)、公式(4) 将波长转化为水压及水温数据。
P＝((λ1测试—λ1初始)—(λ2测试—λ2初始)×KT2/KT1)×KP(MPa) (3)
T＝(λ2测试—λ2初始)×KT2(℃) (4)
其中，λ1初始为测压光栅初始波长(nm)，λ2初始为温补光栅初始波长(nm)，λ1测试为测压光栅测试波长(nm)，λ2测试为温补光栅测试波长(nm)，KT1为测压光栅温度系数(℃/nm)， KT2为温补光栅温度系数(℃/nm)，KP为测压光栅压力系数(MPa/nm)。
光纤光栅解调仪内置GPRS/CDMA无线数据传输模块，将数据实时传输至移动端或者PC 端，实现动态水压监测数据的实时远程查看。
本发明对系统总水压中流速水头进行校正如下：
根据伯努利方程，C1为静水压力传感器监测得到的水头
由于静水压力传感器安装于隧洞底板，因此位置水头z1＝0，所以
总水压力传感器安装于底板上方0.5m处，因此，总水压力传感器所测水头
由于
综合公式(6)、公式(7)、公式(8)，得到流速水头
基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构和方法安装过程
基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，包括如下步骤：
1.根据引水隧洞阀井高度，选取适当长度的光纤尾缆接入FBG水压传感器；
2.将2支FBG水压传感器通过水位测管放入隧洞阀井中，静水压力传感器安装在集渣坑下游预留或临时开凿的空腔内，安装方向垂直于水流方向，并用卡箍、膨胀螺丝固定；
3.空腔上方使用密目网钢罩覆盖保护，在空腔和密目网钢罩中间铺盖土工布，钢罩使用膨胀螺丝固定在隧道底板；
4.总水压力传感器安装在钢支架上，钢支架高出静水压力传感器50cm，传感器使用卡箍和螺栓螺母固定；
5.为使总水压力传感器获得隧洞内的真实流速水头，传感器透水石一端伸出支架边缘 2～3cm，正对上游水流方向，避免水流在经过支架时形成边界层及扰流，并在钢支架的侧面及顶面镂空开孔，减少水流压力；
6.将光纤尾缆观测端的FC/APC接头接入光纤光栅解调仪，自动进行波长解调和物理量换算；
7.解调仪内置的GPRS/CDMA模块将数据通过无线的方式上传至服务器，移动端或PC 端访问服务器获取实时监测数据和成果。
8.采用公式(9)对系统总水压中流速水头进行校正。
以上水锤监测结构，能够实时反映隧洞内水锤的发生、衰减、消逝等过程，能对隧洞运行管理、闸门泵阀操作提出指导依据。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）.根据引水隧洞阀井高度，选取适当长度的光纤尾缆接入FBG水压传感器；
（2）.将2支FBG水压传感器通过水位测管放入隧洞阀井中，静水压力传感器安装在集渣坑下游预留或临时开凿的空腔内，安装方向垂直于水流方向，并用卡箍、膨胀螺丝固定；
（3）.空腔上方使用密目网钢罩覆盖保护，在空腔和密目网钢罩中间铺盖土工布，钢罩使用膨胀螺丝固定在隧道底板；
（4）.总水压力传感器安装在钢支架上，钢支架高出静水压力传感器50cm，传感器使用卡箍和螺栓螺母固定；
（5）.为使总水压力传感器获得隧洞内的真实流速水头，传感器透水石一端伸出支架边缘2~3cm，正对上游水流方向，并在钢支架的侧面及顶面镂空开孔；
（6）.将光纤尾缆观测端的FC/APC接头接入光纤光栅解调仪，自动进行波长解调和物理量换算；
（7）.解调仪内置的GPRS/CDMA模块将数据通过无线的方式上传至服务器，移动端或PC端访问服务器获取实时监测数据和成果；
（8）.采用以下公式对系统总水压中流速水头进行校正：
2.根据权利要求1所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构实现，所述基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测结构包括静水压力传感器、总水压力传感器、高速光纤光栅解调仪，静水压力传感器、总水压力传感器分别通过光纤尾缆与高速光纤光栅解调仪连接；所述静水压力传感器安装在隧洞空腔内，安装方向垂直于水流方向，静水压力传感器通过卡箍和紧固件固定在空腔底部，卡箍覆盖在静水压力传感器上，其两端通过紧固件固定在空腔底部；空腔顶部自内向外设置有土工布和网状钢罩；所述总水压力传感器安装在支架上，位于静水压力传感器上方，总水压力传感器透水石正对上游水流方向。
3.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述总水压力传感器位于静水压力传感器上方50cm处。
4.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述总水压力传感器透水石一端伸出支架边缘2~3cm。
5.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述光纤尾缆穿入水位测管后与高速光纤光栅解调仪连接。
6.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述光纤尾缆通过FC/APC接头接入光纤光栅解调仪。
7.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述水压力传感器为FBG水压力传感器。
8.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述隧洞空腔位于集渣坑下游。
9.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述网状钢罩为密目网钢罩。
10.根据权利要求2所述的基于流速水头校正的水工隧洞动态水压监测方法，其特征在于：所述支架的侧面及顶面具有通孔。
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