CN111157178A - 基于botda温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统及方法，包括若干片防渗墙、加热测温光纤、BOTDA光纳仪和控电装置；加热测温光纤包括传感光纤和导电防水线；控电装置包括UPS不间断移动电源、变压器和稳压器。本发明采用可以通电的加热测温光纤，并将其呈竖向的U型布设在航电枢纽的防渗墙内，利用通电后的加热测温光纤对温度变化的高灵敏度，在一定范围内对防渗墙进行渗漏监测，以及分析某一区域内的渗流速度，该系统及方法大大提高了防渗墙渗漏监测及分析的效率，避免了传统点式监测方法中漏检的可能性，且具有分布式、精度高、准确可靠等优点。

Description

基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤温度技术及防渗墙的渗漏监测技术领域，尤其涉及一种基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统及方法。

背景技术

我国是名副其实的航运航电枢纽工程大国，据水利部《第一次全国水利普查公报》显示截至2011年12月31日我国现有水库98002座，水电站46758座，过闸流量1立方米每秒及以上水闸268476座。航电枢纽工程在我国现代化建设和社会经济效益中发挥着重要的作用，其中防渗墙的墙体质量及渗漏情况监测是重中之重，其安全状况对于保证航电枢纽的运营以及人民财产安全和国家稳定更是至关重要的。随着现代化施工、设计、机械应用等各条件的提升，防渗墙的质量控制有了长足的进步，但随着其运营及诸多环境因素影响，不可避免的会出现裂缝等问题，若不能及时发现合理处置，持续的带病运行，势必会存在严重的安全隐患和失事风险。

从监测方法的选择上来说，以往监测基本上都是采用点式的测量工具，获取的都是离散点的数据信息，一般监测也是受限于成本和监测设备的结构效应等，只能选取一些典型剖面进行，对于防渗墙整体信息的了解也只能通过数学方法进行差值处理，这在一定程度上会漏掉重要信息，尤其对于防渗墙混凝土的开裂，局部小点渗漏等会存在较大的盲区。而光纤传感技术的发展在一定程度上为上述问题提供了一个解决途经，其分布式、高精度、长距离、低成本、高效率、不易受电磁干扰、能适应高温、高压等优点可以为防渗墙的安全监测提供保障。其中BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)技术在分布式光纤传感监测技术中具有更突出的优势，其空间分别率可达厘米级，温度监测精度可达0.35℃，50米的测量范围最短用时为5秒等。

采用BOTDA温度技术监测防渗墙混凝土温度的方法可以方便的获得混凝土内更加密集的温度点信息，进而表征出防渗墙整体混凝土的温度场变化信息，可以预见这种温度场的变化严格遵循某种热力学方程，其一定存在相应的解析解。通过这种更加精细化的监测手段结合混凝土的热力学参数，设定相应的边界条件，可以建立求解防渗墙温度场的方程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统及方法，用于监测其墙体质量及渗漏情况。

本发明采用的技术方案是：基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，包括：若干片防渗墙、加热测温光纤、BOTDA光纳仪和控电装置，所述若干片防渗墙相邻设置，所述加热测温光纤竖向布设在所述防渗墙内，所述加热测温光纤包括传感光纤和导电防水线，所述传感光纤与所述BOTDA光纳仪连接，所述导电防水线与所述控电装置电连接。

进一步地，所述控电装置包括UPS不间断移动电源、变压器和稳压器，所述变压器分别和UPS不间断移动电源、稳压器电连接，所述UPS不间断移动电源用于给所述导电防水线提供持续的电源，所述变压器用于将所述UPS不间断移动电源的电压变为安全的工作电压，所述稳压器用于保持变压器输出的电压稳定。

进一步地，所述传感光纤用于接收和传递所述BOTDA光纳仪产生的光信号，所述导电防水线的接头涂抹防水胶并通过插头与所述控电装置电连接。

上述基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下实施步骤：

S1：利用上述监测系统进行室内试验，在已知某位置发生渗漏且渗流速度不同的条件下，对加热测温光纤进行同功率加热，可得到不同渗流速度v₁、v₂……v_n下相应的稳定温度值t₁、t₂……t_n，利用最小二乘法处理数据，得到渗流速度与稳定温度的关系式；

S2：将加热测温光纤中传感光纤接到BOTDA光纳仪上，将导电防水线接到控电装置中，调节控电装置，使其向加热测温光纤持续稳定供电，且功率合适，以此对加热测温光纤加热；

S3：在步骤S2中的加热开始之后，每5分钟对加热测温光纤进行一次数据采集，当加热测量光纤温度恒定后，再采集5-10组，完成数据采集；

S4：在步骤S3完成之后，将得到的所有加热测温光纤数据绘制成数据统计图，并将数据统计图中在同一位置不同时间下的异常温度数据摘取出来，将这些异常数据单独绘制成数据统计图后，计算出这些异常温度数据的平均值，根据步骤S1中渗流速度与稳定温度的关系式，计算得到相应的渗流速度。

进一步地，步骤S1中渗流速度与稳定温度的关系式为：

t＝av+b

其中，v表示渗流速度；t表示不同渗流速度下的稳定温度值；a和b表示常系数。

本发明实施所提供的技术方案带来的有益效果是：

1.本发明提供的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，采用可以加热的温度测量光纤，通电加热后，若某位置发生渗漏，则在该位置采集的温度数据将有异常变化，即通电加热增加了温差效应，有利于数据的识别和计算。

2.本发明提供的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，采用BOTDA温度技术，利用光纤的全分布式特点，能够有效的避免点式监测中漏检的可能性，一条光纤上任何部位都可以采集到温度数据，相比传统点式监测方法，其数据更多更精确。

3.本发明提供的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，使用该监测方法，设置合适的光纤路线，既可以对防渗墙墙体质量进行检验，也可以对裂缝发展情况和渗流速度进行监测，相对于传统点式监测更方便更经济。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统的控电装置示意图。

图中标记：1-防渗墙；2-加热测温光纤、21-传感光纤、22-导电防水线；3-BOTDA光纳仪；4-控电装置、41-稳压器、42-变压器、43-UPS不间断电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

参考图1和图2，本实施例提供了一种基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，包括：若干片防渗墙1、加热测温光纤2、BOTDA光纳仪3和控电装置4，若干片防渗墙1相邻设置，加热测温光纤2竖向布设在防渗墙1内，且呈U型分布加热测温光纤2包括传感光纤21和导电防水线22，传感光纤21与BOTDA光纳仪3连接，导电防水线22与控电装置4电连接。

所述的控电装置4包括UPS不间断移动电源43、变压器42和稳压器41，变压器42分别和UPS不间断移动电源43、稳压器41电连接，UPS不间断移动电源43用于给导电防水线22提供持续的电源，变压器42用于将UPS不间断移动电源43的电源电压变为安全的工作电压，稳压器41用于将变压器42输出后的工作电压保持稳定，控电装置4通过上述连接配合可持续性供电，其功率可调且稳定。

在本实施例中，所述的若干片防渗墙1是分段施工的，且防渗墙1的施工并不会对墙槽产生扰动、不会影响所述加热测温光纤2的布设、也不会破坏所述加热测温光纤2的完整性；所述的传感光纤21用于接收和传递BOTDA光纳仪3产生的光信号，BOTDA光纳仪3利用传感光纤21作为传感器就可以测量防渗墙1的温度；所述的导电防水线22具有良好的导电性，导电防水线22的接头涂抹一定量的防水胶后，并接上插头后与控电装置4连接，控电装置4通电之后开始对导电防水线22加热；所述的加热测温光纤2可直接布设在防渗墙1内，也可以绑扎在支架上，然后放置在防渗墙1内，加热测温光纤2布设时可连续布设在两片防渗墙1或两片以上的防渗墙1内，但必须满足传感光纤21和导电防水线22中的一条设在相邻防渗墙1的接缝中。

本发明实施例提供的一种基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，采用可以通电的加热测温光纤2，并将其呈竖向的U型布设在航电枢纽的防渗墙1内，利用通电后的传感光纤21对温度变化的高灵敏度，在一定范围内对防渗墙1进行渗漏监测，并分析某一区域内的渗流速度。使用上述监测系统进行航电枢纽防渗墙渗漏监测的方法，包括以下步骤：

S1：在进行施工现场的防渗墙1渗漏监测前，利用相同的监测系统进行室内小模型的严格可控试验，在已知某位置发生渗漏，且在不同的渗流速度条件下，分别对加热测温光纤进行同功率加热试验，可得到不同渗流速度v₁、v₂……v_n条件下相应的稳定温度值t₁、t₂……t_n，通过最小二乘法处理数据，可得到：

t＝av+b

其中，v表示渗流速度；t表示不同渗流速度下的的稳定温度值；a和b表示与渗流速度和温度值都无关的常系数。

S2：将步骤S1的推算结果应用于防渗墙1的现场施工中，将加热测温光纤2呈U型布设在防渗墙1中，防渗墙施工完成后，将加热测温光纤2中的传感光纤21接到BOTDA光纳仪3上，将导电防水线22接到控电装置中，调节控电装置，使其向导电防水线22持续稳定供电，且功率合适，以此对导电防水线22加热。

S3：在步骤S2之后，每5分钟对加热测温光纤2进行一次数据采集，待加热测温光纤2数据稳定，即加热测量光纤2的温度恒定后，再采集5-10组，完成数据采集。

S4：在步骤S3完成后，进行数据摘取，将监测所得的所有加热测温光纤2的数据绘制成图，将其中在同一位置不同时间下温度变化大的数据摘取出来，单独绘制成图后，可观测到稳定后的温度数据，计算得到温度的算数平均值为T，将T带入步骤S1的公式中，得相应的渗流速度V。

在本实施例中，在监测数据分析时，若某一位置的温度数据在不同时间下发生了较大的变化且一定时间趋于稳定，则可判断此位置发生了渗漏，则根据公式可计算出此时的渗流速度；本实施例提供的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统的方法，利用MATLAB语言程序建立图形模型及公式模型，在防渗墙1渗漏监测中导入各期温度数据，即可统一成数据统计图以及推算公式，从而从图形中观测到渗漏位置以及根据公式算出该位置的渗流速度。

在本文中，所涉及的内、外和接缝等词是以附图中各装置及系统位于图中的位置以及各装置及系统相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便，应当理解，所述用词的使用不应限制本申请请求保护的范围。在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，其特征在于，包括：若干片防渗墙、加热测温光纤、BOTDA光纳仪和控电装置，所述若干片防渗墙相邻设置，所述加热测温光纤竖向布设在所述防渗墙内，所述加热测温光纤包括传感光纤和导电防水线，所述传感光纤与所述BOTDA光纳仪连接，所述导电防水线与所述控电装置电连接。

2.根据权利要求1所述的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，其特征在于，所述控电装置包括UPS不间断移动电源、变压器和稳压器，所述变压器分别和UPS不间断移动电源、稳压器电连接，所述UPS不间断移动电源用于给所述导电防水线提供持续的电源，所述变压器用于将所述UPS不间断移动电源的电压变为安全的工作电压，所述稳压器用于保持变压器输出的电压稳定。

3.根据权利要求1所述的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统，其特征在于，所述传感光纤用于接收和传递所述BOTDA光纳仪产生的光信号，所述导电防水线的接头涂抹防水胶并通过插头与所述控电装置电连接。

4.使用如权利要求1所述的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下实施步骤：

S1：利用上述监测系统进行室内试验，在已知某位置发生渗漏且渗流速度不同的条件下，对加热测温光纤进行同功率加热，可得到不同渗流速度v₁、v₂……v_n下相应的稳定温度值t₁、t₂……t_n，利用最小二乘法处理数据，得到渗流速度与稳定温度的关系式；

S2：将加热测温光纤中传感光纤接到BOTDA光纳仪上，将导电防水线接到控电装置中，调节控电装置，使其向加热测温光纤持续稳定供电，以此对加热测温光纤加热；

S3：在步骤S2中的加热开始之后，每5分钟对加热测温光纤进行一次数据采集，当加热测量光纤温度恒定后，再采集5-10组，完成数据采集；

S4：在步骤S3完成之后，将得到的所有加热测温光纤数据绘制成数据统计图，并将数据统计图中在同一位置不同时间下的异常温度数据摘取出来，将这些异常数据单独绘制成数据统计图后，计算出这些异常温度数据的平均值，根据步骤S1中渗流速度与稳定温度的关系式，计算得到相应的渗流速度。

5.根据权利要求4所述的基于BOTDA温度技术的航电枢纽防渗墙渗漏监测系统的监测方法，其特征在于，步骤S1中渗流速度与稳定温度的关系式为：

t＝av+b

其中，v表示渗流速度；t表示不同渗流速度下的稳定温度值；a和b表示常系数。

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