CN112227303A - 一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，防渗面板之间的面板缝上覆盖有防渗盖片，所述光纤检测系统包括内部光纤、电加热器、内部光纤测温测压装置和数据监测站，其中电加热器和内部光纤测温测压装置均与数据监测站连接；内部光纤按照一定形状布设在面板缝内；内部光纤两端接入内部光纤测温测压装置；电加热器用于加热内部光纤；内部光纤测温测压装置用于对内部光纤沿长度方向进行测温测压；数据监测站用于控制电加热器工作，对内部光纤测温测压装置测得的温度和应力数据进行计算处理以确定渗漏位置。本发明能够精准确定接缝渗漏的具体位置和范围，操作简单、使用方便，无需繁琐的人力物力支撑。

Description

一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统
技术领域
本发明属于水库防渗面板渗漏检测技术领域，具体涉及一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统。
背景技术
水库渗漏是广泛存在于世界各地各类型水库的问题，为水库正常运行埋下了严重的安全隐患，尤其是抽水蓄能电站上水库。多年以来，为了确定渗漏位置，解决水库渗漏问题，专家们提出了众多解决办法。目前流行的技术主要有：一、在潜在渗漏区坝顶钻孔，对温度、水化学、流速流向等进行监测；二、在潜在渗漏区库前投放液体示踪剂，包括投放食盐或荧光粉、连通试验。上述技术在圈定较大范围的渗漏区内使用有一定的功效，但存在明显不足：(1)需要钻孔和测船，要求较大的财力支持；(2)需要较多的人员协作，浪费了大量人力；(3)需要定期监测，占用较多的时间；(4)需要多种仪器设备配合使用，步骤繁琐；(5)需要测试多个项目与模型分析，数据处理比较繁琐；(6)只能给出较大尺度的渗漏范围，精度较差。为了防范水库内存在的潜在风险，需要精准确定渗漏位置，并及时封堵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，以解决现有技术中存在的检测需要耗费大量人力物力、操作繁琐、检测精度不高等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，所述防渗面板之间的面板缝上覆盖有防渗盖片，所述光纤检测系统包括内部光纤、电加热器、内部光纤测温测压装置和数据监测站，其中电加热器和内部光纤测温测压装置均与数据监测站连接；
内部光纤埋设在面板缝内，内部光纤由两段第一纵向长边、2n段纵向短边、2(n-1)段第一横向短边、两段第二横向短边和一段第三横向短边组成，n为大于0的偶数，其中，两段第一纵向长边分别设置在防渗盖片与面板缝的两侧接缝处；内部光纤两端接入内部光纤测温测压装置；
电加热器具有加热导体，加热导体设置在所述内部光纤下方；
内部光纤测温测压装置，配置为对内部光纤沿长度方向进行测温测压；
数据监测站，配置为控制电加热器工作，对内部光纤测温测压装置测得的温度和应力数据进行计算处理获得温度、压力异常点，确定异常点在内部光纤中的位置。
进一步地，所述确定异常点在内部光纤中的位置，具体包括：
根据公式X1＝Ct2/2计算异常点到发射端的距离X1，其中C为光速，t2为内部光纤激光反射时间，结合内部光纤的布置形式进行确定：
如X1≤L1，L1为第一纵向长边长度，则异常点位于第一纵向长边，距发射端距离为X1；
如L1≤X1≤L1+d，d为第二横向短边长度，则异常点位于第二横向短边，距第一拐点距离为X1-L1；
如L1+d+mb+ma≤X1≤L1+d+mb+(m+1)a，m为整数，0≤m≤n，则异常点位于第m+1个纵向短边处；
如L1+d+mb+(m+1)a≤X1≤L1+d+(m+1)b+(m+1)a，则异常点位于第m+1个第一横向短边处；
当X1≤L0/2时，L0为内部光纤总长，则异常点位于左半侧，右半侧计算同理。
进一步地，所述光纤检测系统还包括外部光纤和外部光纤测温装置，
外部光纤由两段第二纵向长边和一段第四横向短边组成，两段第二纵向长边分别设置在防渗盖片左右两侧边缘与防渗面板的接缝处，第四横向短边设置在防渗盖片的底部；所述外部光纤的两端接入外部光纤测温装置；
外部光纤测温装置用于对外部光纤沿长度方向进行测温，外部光纤测温装置与所述数据监测站连接；
数据监测站，还配置为对外部光纤测温装置测得的温度数据进行计算处理获得温度异常点，确定异常点在外部光纤中的位置。
进一步地，所述确定异常点在外部光纤中的位置，具体包括：
根据公式X2＝Ct3/2计算异常点到发射端的距离X2，其中C为光速，t3为外部光纤激光反射时间，结合外部光纤的布置形式进行确定：
如X2≤L2，L2为第二纵向长边长度，则异常点位于第二纵向长边上，距发射端距离为X2；
如L2≤X2≤L2+D，D为第四横向短边长度，则异常点位于第四横向短边上，距拐点距离为X2-L2。
进一步地，所述内部光纤由填充在面板缝内的塑性材料固定在面板缝内。
进一步地，所述防渗盖片通过两个L型钢固定在防渗面板上，每个L型钢上焊接有多个钢条，每个钢条上开设有半圆形固定孔，两段第二纵向长边通过所述半圆形固定孔固定在防渗盖片左右两侧边缘与防渗面板的接缝处。
进一步地，所述每个L型钢底端设置有小孔，所述第四横向短边从两个小孔穿过。
进一步地，所述内部光纤测温测压装置、外部光纤测温装置经组合装配为光纤测温测压系统。
与现有技术相比，本发明提供的一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，通过内部光纤实时检测水库正常蓄水后接缝处渗漏情况和水库水位快速下降后在面板内产生的反向水压力发生的反向渗流情况，通过外部光纤检测水库水位快速下降后水自内向外的外流情况，能够精准确定接缝渗漏的具体位置和范围；此外，该检测系统设计一体化，操作简单、使用方便，无需繁琐的人力物力支撑。
附图说明
图1为本发明实施例的一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统的整体结构示意图；
图2为图1中沿着A-A'方向的其中一个面板缝的剖面结构示意图；
图3为内部光纤和外部光纤的平面分布形式图；
图4为防渗盖片的结构示意图；
图5为内部光纤测温测压装置的结构原理示意图。
其中，1内部光纤；2外部光纤；3光纤测温测压系统；4数据监测站；5面板缝；6防渗盖片；7 L型钢；11第一纵向长边；12纵向短边；13第一横向短边；14第二横向短边；15第三横向短边；16第一拐点；17第二拐点；18第三拐点；21第二纵向长边；22第四横向短边；71钢条；72固定孔；73小孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至4所示，一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，包括内部光纤1、外部光纤2、光纤测温测压系统3、电加热器和数据监测站4，其中光纤测温测压系统3通过连接导线与数据监测站4连接，电加热器与数据监测站4电连接。
防渗面板之间的面板缝5上覆盖有防渗盖片6，内部光纤1埋设在面板缝5内，外部光纤2固定在防渗盖片6外边缘与防渗面板接触处。
内部光纤1由两段第一纵向长边11、2n段纵向短边12、2(n-1)段第一横向短边13、两段第二横向短边14和一段第三横向短边15组成，n为大于0的偶数。其中，两段第一纵向长边11分别设置在防渗盖片6与面板缝5的两侧接缝处。
外部光纤2由两段第二纵向长边21和一段第四横向短边22组成，两段第二纵向长边21分别设置在防渗盖片6左右两侧边缘与防渗面板的接缝处，第四横向短边22设置在防渗盖片6的底部，如图4所示。
其中，内部光纤1可以通过填充在面板缝5内的塑性材料固定在面板缝5内。
如图4所示，防渗盖片6通常通过两个L型钢7固定在防渗面板上，基于此，在每个L型钢7上焊接多个钢条71，每个钢条71上开设有曲率半径为R的半圆形固定孔72。两段第二纵向长边21通过半圆形固定孔72固定在防渗盖片6左右两侧边缘与防渗面板的接缝处。每个L型钢7底端还设置有小孔73，第四横向短边22从两个小孔73穿过。
此外，光纤宜采用铠装光纤，保护光纤免收水体侵蚀、化学腐蚀和机械磨损等，防止面板缝内塑性材料形变时对光纤产生应力造成光纤的破坏。
光纤测温测压系统3包括两部分，分别为内部光纤测温测压装置和外部光纤测温装置。内部光纤测温测压装置用于对内部光纤1沿长度方向进行测温、测压。外部光纤测温装置用于对外部光纤2沿长度方向进行测温。内部光纤测温测压装置和外部光纤测温装置均采用现有技术。其中，内部光纤测温测压装置基于BOTDR(布里渊光时域反射)技术，其结构原理如图5所示，它可以对温度和应力一起进行测量。外部光纤测温装置采用现有的分布式光纤测温技术。
内部光纤1接入光纤测温测压系统3中的内部光纤测温测压装置，外部光纤2接入光纤测温测压系统3中的外部光纤测温装置。
电加热器具有加热导体，加热导体设置在内部光纤1下方，用于对内部光纤1进行加热。
数据监测站4，配置为控制电加热器工作、对光纤测温测压系统测得的温度和应力数据进行计算处理获得温度、压力异常点，确定异常点在内部光纤和外部光纤中的位置。数据监测站4内设置有主机控制台。
利用本发明实施例的光纤检测系统进行测量的具体过程如下：
一、测量前的准备工作
用导线将光纤测温测压系统3、数据监测站4连接，内部光纤1、外部光纤2按照图3所示进行安装，并将接口接入光纤测温测压系统3。
检查光纤存活情况和光纤测温测压系统3的运行状态，确保各个部件安装到位。检查无误之后可以进行测量。
二、测量数据
进行数据测量前对水位进行观察，水位过低时需要蓄水将水位提升至正常蓄水位。水位正常且稳定时，使用数据监测站4内的主机控制台启动本系统，加载系统各项参数，并对内部光纤1进行加热，加热完成后启动光纤测温测压系统3，对内部光纤1进行测温和测压。库内面板缝某处发生渗漏时，渗流水的流动会引起其渗流路径沿线的温度变化，由于光纤对温度的敏感性，这种变化将被光纤感知。而光纤沿线某点受到应力后，后向散射光会发生布里渊频移，频移量与应力大小成正比，通过测得频移量可得出应力值。操作数据监测站4内主机控制台，获得内部光纤1沿长度方向的温压数据，数据监测站4对数据进行计算处理为温度和应力曲线，曲线大幅度变化的位置便为渗漏位置。待数据稳定后记录并确定异常点在光纤中的位置。测量完成后关闭光纤测温测压系统3。
完成上述记录后，在库水位段时间内快速下降后(尤其适用于抽水蓄能电站上水库和下水库)，对反向渗流时面板缝5处的应力和温度进行数据测量，库水位发生下降后，防渗面板后产生反向水压力，造成水反向渗流，对埋在面板缝5内光纤形成反向水压力，并且自防渗盖片6边缘处溢出的水引起了面板缝5外由于水位的下降而置于空气中的外部光纤2的温度变化。待水位不再变化时对内部光纤1进行加热，加热完成后再次启动光纤测温测压系统3，对内部光纤1进行测温测压，并对外部光纤2进行测温。操作数据监测站4内主机控制台，分别获得内部光纤1沿长度方向的温压数据和外部光纤2的温度数据，数据监测站4对数据进行计算处理为温度和应力曲线，曲线大幅度变化的位置便为渗漏位置。待数据稳定后记录并确定异常点位置。测量完成之后关闭本系统。
其中，加热时长参考如下关系公式得到：
Figure BDA0002646075500000091
式(1)中，c为水体比热容，ρ为水体密度，F(r,θ,t)为热源强度，(r,θ)表示在某一截面S内某点的极坐标位置，t表示加热时间；u为某半径为r的圆柱薄面围成的范围内热量的变化规律，k是和r,θ有关的一个函数。
温度T由斯托克斯光与反斯托克斯光光子数比值而得，其公式为：
T＝hΔf{ln(Is/Ias)+4ln[(f0+Δf)/(f0-Δf)]-1}/k1 (2)
式(2)中，h为普朗克常数，k1为波尔兹曼常数，Is为斯托克斯光强，Ias为反斯托克斯光强，f0为伴随光频率，△f为拉曼光频率增加量，所有光强数据均由光纤测温测压系统测得，由光纤测温测压系统计算输出为温度数据。
布里渊频移Vb与应力存在以下关系：
Vb＝B(0)(1+G)，且有Vb(t1)＝Vbo(1-αt1) (3)
式(3)中，B(0)为受到的应力，G为应力比例系数，Vb(t1)为应变在t1时刻的频移，Vbo为无应变时的频移，α为常数。频移与所采用的材料有关。
其中，确定异常点在光纤中的位置，具体方法如下：
(1)确定异常点在内部光纤中的位置
根据公式X1＝Ct2/2，计算异常点到发射端的距离X1，其中C为光速，t2为内部光纤激光反射时间；然后结合内部光纤的布置形式来确定：
如X1≤L1，L1为第一纵向长边11长度，则异常点位于第一纵向长边11，距发射端距离为X1；
如L1≤X1≤L1+d，d为第二横向短边14长度，则异常点位于第二段横向14短边，距第一拐点16距离为X1-L1；
如L1+d≤X1≤L1+d+a，a为纵向短边12长度，则异常点位于第一段纵向短边12处，距第二拐点17距离为X1-L1-d；
如L1+d+a≤X1≤L1+d+a+b，b为第一横向短边13长度，则异常点位于第一个第一横向短边13处，距第三拐点18距离为X1-L1-d-a；
……
以此推论，
如L1+d+mb+ma≤X1≤L1+d+mb+(m+1)a，m为整数，0≤m≤n，则异常点位于第m+1个纵向短边12处；
如L1+d+mb+(m+1)a≤X1≤L1+d+(m+1)b+(m+1)a，则异常点位于第m+1个第一横向短边13处；
当X1≤L0/2时，L0为内部光纤总长，则异常点位于左半侧，右半侧计算同理。
(2)确定异常点在外部光纤中的位置
根据公式X2＝Ct3/2计算异常点到发射端的距离X2，其中C为光速，t3为外部光纤中激光反射时间；然后结合外部光纤的布置形式来确定：
如X2≤L2，L2为第二纵向长边21长度，则异常点位于第二纵向长边21上，距发射端距离为X2；
如L2≤X2≤L2+D，D为第四横向短边22长度，则异常点位于第四横向短边22上，距拐点距离为X2-L2。
三、图像处理
结束以上步骤，得到光纤沿线的温度、应力数据在光纤长度上的分布情况，结合两股光纤各自的平面分布形式，使用数据监测站内的主机控制台将数据依次对应在光纤沿线各点位上，得到内部光纤测得的缝隙内部渗流及外部光纤测得的水自内向外反渗的情况，从而得到防渗面板接缝处各种情况下的温度、应力分布图像，以此对缝隙内部渗漏和外流路径进行判断。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，所述防渗面板之间的面板缝上覆盖有防渗盖片，其特征在于，所述光纤检测系统包括内部光纤、电加热器、内部光纤测温测压装置和数据监测站，其中电加热器和内部光纤测温测压装置均与数据监测站连接；
内部光纤埋设在面板缝内，内部光纤由两段第一纵向长边、2n段纵向短边、2（n-1）段第一横向短边、两段第二横向短边和一段第三横向短边组成，n为大于0的偶数，其中，两段第一纵向长边分别设置在防渗盖片与面板缝的两侧接缝处；内部光纤两端接入内部光纤测温测压装置；
电加热器具有加热导体，加热导体设置在所述内部光纤下方；
内部光纤测温测压装置，配置为对内部光纤沿长度方向进行测温测压；
数据监测站，配置为控制电加热器工作，对内部光纤测温测压装置测得的温度和应力数据进行计算处理获得温度、压力异常点，确定异常点在内部光纤中的位置。
2.根据权利要求1所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述确定异常点在内部光纤中的位置，具体包括：
根据公式X1=Ct2/2计算异常点到发射端的距离X1，其中C为光速，t2为内部光纤激光反射时间，结合内部光纤的布置形式进行确定：
如X1≤L1，L1为第一纵向长边长度，则异常点位于第一纵向长边，距发射端距离为X1；
如L1≤X1≤L1+d，d为第二横向短边长度，则异常点位于第二横向短边，距第一拐点距离为X1-L1；
如L1+d+mb+ma≤X1≤L1+d+mb+(m+1)a，m为整数，0≤m≤n，则异常点位于第m+1个纵向短边处；
如L1+d+mb+(m+1)a≤X1≤L1+d+(m+1)b+(m+1)a，则异常点位于第m+1个第一横向短边处；
当X1≤L0/2时，L0为内部光纤总长，则异常点位于左半侧，右半侧计算同理。
3.根据权利要求1所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述光纤检测系统还包括外部光纤和外部光纤测温装置，
外部光纤由两段第二纵向长边和一段第四横向短边组成，两段第二纵向长边分别设置在防渗盖片左右两侧边缘与防渗面板的接缝处，第四横向短边设置在防渗盖片的底部；所述外部光纤的两端接入外部光纤测温装置；
外部光纤测温装置用于对外部光纤沿长度方向进行测温，外部光纤测温装置与所述数据监测站连接；
数据监测站，还配置为对外部光纤测温装置测得的温度数据进行计算处理获得温度异常点，确定异常点在外部光纤中的位置。
4.根据权利要求3所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述确定异常点在外部光纤中的位置，具体包括：
根据公式X2=Ct3/2计算异常点到发射端的距离X2，其中C为光速，t3为外部光纤激光反射时间，结合外部光纤的布置形式进行确定：
如X2≤L2，L2为第二纵向长边长度，则异常点位于第二纵向长边上，距发射端距离为X2；
如L2≤X2≤L2+D，D为第四横向短边长度，则异常点位于第四横向短边上，距拐点距离为X2-L2。
5.根据权利要求1所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述内部光纤由填充在面板缝内的塑性材料固定在面板缝内。
6.根据权利要求3所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述防渗盖片通过两个L型钢固定在防渗面板上，每个L型钢上焊接有多个钢条，每个钢条上开设有半圆形固定孔，两段第二纵向长边通过所述半圆形固定孔固定在防渗盖片左右两侧边缘与防渗面板的接缝处。
7.根据权利要求6所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述每个L型钢底端设置有小孔，所述第四横向短边从两个小孔穿过。
8.根据权利要求3所述的用于确定水库防渗面板渗漏位置的光纤检测系统，其特征在于，所述内部光纤测温测压装置、外部光纤测温装置经组合装配为光纤测温测压系统。
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