CN112129679B - 一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法，选定待测岩土体区域，确定待测岩土体区域的测点位置及数量，探测棒加热待测岩土体区域；光纳仪通过单模光纤监测待测岩土体区域加热前后温度变化值；输入待测区域各测点的温度变化值至含水率计算公式，输出待测区域含水率分布状态。利用分布式光纤对待测岩土体区间加热前后的温度变化进行测量，再利用含水率计算模型将温度变化数据换算为含水率，以此实现对待测区域含水率的实时、连续监测进而确定降雨时岩土体的入渗状态，为水工岩土结构含水率的空间分布测量和降雨实时入渗监测提供了技术支持。

Description

一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法
技术领域
本发明涉及一种监测设备及方法，尤其涉及一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法。
背景技术
边坡稳定对于土木工程稳定运行和人民安全生活十分重要。近年来，极端降雨在我国出现频繁，滑坡和泥石流等地质灾害因此多发。由于强降雨导致边坡土壤含水率改变，边坡出现失稳破坏。因此，对于强降雨地区的边坡土壤含水率实现实时、连续的空间性全面监控对于边坡的稳定十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法，为水工岩土结构含水率的空间分布测量和降雨实时入渗监测提供了技术支持。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供了一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备，包括：
探测棒，用于对待测区域进行加热；
单模光纤，缠绕于所述探测棒的外周侧；
光纳仪，与所述单模光纤的自由端相连，用于测量待测区域的温度变化量。
进一步地，所述单模光纤均匀缠绕在所述探测棒的外周侧。
进一步地，所述探测棒的底端具有尖锐部。
进一步地，所述尖锐部外形呈圆锥形。
本发明还提供了一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，包括：
选定待测岩土体区域，确定待测岩土体区域的测点位置及数量，探测棒加热待测岩土体区域；
光纳仪通过单模光纤监测待测岩土体区域加热前后温度变化值；
输入待测区域各测点的温度变化值至含水率计算公式，输出待测区域含水率分布状态。
进一步地，光纳仪通过单模光纤监测待测岩土体区域加热前后温度变化值包括：
将探测棒依次插入测试点，单模光纤测量测点温度，加热设定时间后，单模光纤再次测量温度，得到加热前后各测点的温度变化值。
进一步地，输入待测区域各测点的温度变化值至含水率计算模型，输出待测区域含水率分布状态具体包括：
准备具有一定含水率的土壤试块；
将探测棒插入土壤试块中，对土壤试块加热设定时间，测量加热前后土壤试块的温度变化值ΔT，并测量土壤试块的含水率；
将测量的土壤试块含水率和探测棒的加热功率，带入到土壤试块含水率与探测棒有效加热范围内土壤质量的函数关系式，得到探测棒有效加热范围内土壤质量；
将待测区域各测点的温度变化值以及确定的探测棒有效加热范围内土壤质量输入含水率计算公式，输出待测区域各测点的含水率，建立待测岩土体区域含水率分布三维模型。
进一步地，含水率计算公式如下：
Figure BDA0002614669300000021
其中，Q为探测棒加热设定时间释放的热量，cs为干燥土壤比热容，ΔT为加热前后单模光纤测量得到的温度变化值，cw为水的比热容，ms为探测棒有效加热范围内土壤质量，ω为含水率。
进一步地，利用MATLAB建立待测区域含水率三维模型。
进一步地，通过带有正方形的网格确定待测岩土体区域的测点位置及数量，所述网格的正方形边长为30cm。
本发明的有益效果如下：
利用分布式光纤对待测岩土体区间加热前后的温度变化进行测量，再利用含水率计算模型将温度变化数据换算为含水率，以此实现对待测区域含水率的实时、连续监测进而确定降雨时岩土体的入渗状态，为水工岩土结构含水率的空间分布测量和降雨实时入渗监测提供了技术支持。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备的结构示意图；
图2为根据本发明实施例提供的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备在监测岩土体含水率过程的示意图；
图3为根据本发明实施例提供的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法的流程示意图；
图4为根据本发明实施例提供的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法的实验室示意图；
图5为根据本发明实施例提供的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法的待测区域含水率三维分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种基于分布式光纤的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备，该设备包含光纳仪1、单模光纤2以及探测棒3；光纳仪1为PPP-BOTDA光纳仪；探测棒3为下端尖锐的圆管加热棒。
单模光纤2要均匀的布置于探测棒3表面，两者之间要无缝贴合。而且单模光纤2均匀缠绕在探测棒3上，每圈间隔5cm。
光纳仪1为PPP-BOTDA光纳仪，单模光纤2正向缠绕，即位于探测棒3上端的光纤接头与光纳仪1输出接口相连、探测棒3下端的光纤接头与光纳仪1输入接口相连。
探测棒3半径为2.5cm，长度为2m，下端尖锐部分为高度5cm的圆锥体。
如图3～5所示，本发明还提供了一种使用上述的基于分布式光纤的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，该方法包括：
步骤1，实验室制备含水率为ω的土壤试块9；
步骤2，对设备进行检查和调整，对光纳仪1进行标定并连接单模光纤2与光纳仪1；
步骤3，将探测棒3插入不同含水率的土壤试块9中，加热3分钟，测量加热前后土壤试块9的温度变化值ΔT，并通过烘干和电子秤测量土壤试块9的含水率ω。温度变化值ΔT和含水率ω可根据计算公式(2)和(3)得到；
ΔT＝T1-T0 (2)
Figure BDA0002614669300000031
其中，T0为加热前单模光纤测量温度，T1为加热后单模光纤测量温度，m为土壤试块起始重量，ms为探测棒有效加热范围内土壤质量；
步骤4，根据测量的土壤试块9的含水率ω和探测棒3的加热功率P，带入到含水率ω与探测棒3有效加热范围内土壤质量ms的函数关系式(1)，可以得到探测棒3有效加热范围内土壤质量ms；
Figure BDA0002614669300000032
其中，Q为探测棒加热3分钟释放的热量，cs为干燥土壤比热容，ΔT为加热前后单模光纤测量得到的温度变化值，cw为水的比热容，ms为探测棒有效加热范围内土壤质量，ω为含水率；
探测棒3释放的热量Q根据计算公式(4)
Q＝Pt (4)
其中，P为探测棒的加热功率，t为加热时长；
步骤5，现场监测岩土体含水率，选定待测区域，对设备进行检查和调整，对光纳仪1进行标定并连接单模光纤2与光纳仪1；
步骤6，确定待测区域的测点4位置及数量；
步骤7，将探测棒3依次插入测点4，测量测点温度，加热3min后，再次测量温度，得到加热前后各测点的温度变化值；
步骤8，监测完成后，收回设备并将根据计算公式(4)得到的探测棒3释放的热量Q、测点4各分布段的温度输入计算公式(2)得到温度变化值ΔT以及实验室确定的探测棒3有效加热范围内土壤质量ms输入计算公式(1)，输出待测岩土体区域各测点的含水率，并利用MATLAB建立待测区域含水率三维模型7。
实际操作中，利用待测区域测点的平面布置图4，以及测得的各测点不同深度的含水率，可以构建出该区域含水率的三维分布模型7，如图5所示。需要说明的是，图5只是示意性的，得到的区域含水率三维分布图可以根据实际需要决定区域大小和显示范围。
本发明提供的基于分布式光纤的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法，使用前需确定待测区域和测点分布。图3只是测点分布的示意图，在实际工程中，应当按照待测区域的实际情况确定测点分布以及数量。探测棒插入测点前，应当先使用普通的铁钎打入测点以便于探测棒的插入。
降雨时水工岩土结构含水率的实时、连续监测对于边坡安全、应急处理以及水利工程安全监控等方面有较大的帮助。作为岩土体含水率的监测手段之一，本发明提供的基于分布式光纤的水工岩土结构降雨实时入渗状态监测设备及方法，利用基于PPP-BOTDA技术的光纳仪作为监测手段，通过探测棒加热前后测点的温度变化值作为得出测点不同深度含水率的基础数据。可以实时监控待测区域含水率并得到待测区域含水率的三维分布情况。从而可以快速、准确的构建出待测区域含水率的空间分布模型，为含水率的空间分布测量和降雨后的水工岩土体安全评价和实时监控提供了技术支持。
以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，其特征在于，包括：
选定待测岩土体区域，确定待测岩土体区域的测点位置及数量，探测棒加热待测岩土体区域；
光纳仪通过单模光纤监测待测岩土体区域加热前后温度变化值；
输入待测区域各测点的温度变化值至含水率计算公式，输出待测区域含水率分布状态，具体包括：准备具有一定含水率的土壤试块；
将探测棒插入土壤试块中，对土壤试块加热设定时间，测量加热前后土壤试块的温度变化值ΔT，并测量土壤试块的含水率；
将测量的土壤试块含水率和探测棒的加热功率，带入到土壤试块含水率与探测棒有效加热范围内土壤质量的函数关系式，得到探测棒有效加热范围内土壤质量；
将待测区域各测点的温度变化值以及确定的探测棒有效加热范围内土壤质量输入含水率计算公式，输出待测区域各测点的含水率，建立待测岩土体区域含水率分布三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，其特征在于，光纳仪通过单模光纤监测待测岩土体区域加热前后温度变化值包括：
将探测棒依次插入测试点，单模光纤测量测点温度，加热设定时间后，单模光纤再次测量温度，得到加热前后各测点的温度变化值。
3.根据权利要求1或2所述的一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，其特征在于，含水率计算公式如下：
Figure FDA0003046442940000011
其中，Q为探测棒加热设定时间释放的热量，cs为干燥土壤比热容，ΔT为加热前后单模光纤测量得到的温度变化值，cw为水的比热容，ms为探测棒有效加热范围内土壤质量，ω为含水率。
4.根据权利要求1所述的一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，其特征在于，利用MATLAB建立待测区域含水率三维模型。
5.根据权利要求1所述的一种水工岩土结构降雨实时入渗状态监测方法，其特征在于，通过带有正方形的网格确定待测岩土体区域的测点位置及数量，所述网格的正方形边长为30cm。
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