CN112964423A - 一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置及其方法。装置包括光纤解调仪、可加热感温光纤、实验槽、进水管、多路增压泵、抽水管、溶液桶等部分；光纤热响应漏洞定位方法是将可加热感温光纤接入实验槽，利用多路增压泵控制流速，通过固定于实验槽下法兰盘的带漏洞土工膜模拟实际渗漏点，主动加热感温光纤，记录光纤沿程温度变化，可对不同漏洞条件及污染场地地质的温度响应进行模拟，实现污染场地防污衬垫渗流场‑温度场‑浓度场耦合实验分析。本发明相比于传统电火花法和双电极法实验装置，具有结构简单、移动方便、可自由组合、投资节省、适用性广等优点，在场地土壤和地下水污染日趋严重的背景下极具研究推广价值。

Description

一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置及其 方法

技术领域

本发明属于水利工程与岩土工程测量设施领域，特别是一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置及其方法。

背景技术

随着生产力的发展，人类产生的废弃物逐年增多，而填埋法是最早在我国各大中城市中应用和推广的垃圾处理方法，曾是城市垃圾的主流处理方法，在美国，约55％的城市生活垃圾采用填埋法处理。虽然填埋场的数量在减少，但整体填埋场的数量仍然在增长。在我国，约44％的城市生活垃圾采用这种填埋的方法进行处理。在垃圾的长期填埋过程中，由于压实、降雨和微生物的分解作用，以及其他生物化学反应等，将从垃圾填埋场中渗出一种高浓度的有机废水-渗滤液。由于填埋体上覆压力造成的堆体局部沉陷、不均匀沉降和边坡土工膜拉伸破坏等，易引发在役填埋场的深层大面积渗漏，污染土壤和地下水。

如何实现填埋场渗漏的精准定位是进行渗漏修补的关键。目前，对于衬垫施工期填埋场渗漏的探测主要采用电火花法和双电极法等，这些方法不能定位土工膜上覆垃圾体和覆盖层等情形，其探测方法主要采用高密度电阻率法和永久检测系统等，但这些监测方法准确度不高，或需施工期间预埋，费用昂贵且实施技术难度大。

因此，寻求精准高效的漏洞定位技术对于改善人类生存的水环境、土壤环境质量具有重要的意义，对经济社会的可持续发展有着巨大的实用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置及其方法。

本发明公开了一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其包括实验槽、光纤解调仪、可加热感温光纤、土工布、土工膜、进水管、增压泵、抽水管、抽水阀门和溶液桶；

所述实验槽为方形结构，其主体结构由金属框架构成，所述金属框架内部在不同高度设有上法兰盘和下法兰盘，所述的上法兰盘和下法兰盘将实验槽分隔为下舱室、中舱室和上舱室，其中，中舱室的四个侧面均部分或全部设置为带有检测接口的透明面板；上舱室的侧壁上设有若干排水孔；金属框架的底部设有进水口，进水口上安装进水阀门；

下舱室填充鹅卵石形成卵石层，土工膜固定在下法兰盘上，卵石层和土工膜之间铺设土工布；中舱室中填充待实验土壤，上法兰盘上固定有土工布；可加热感温光纤一端通过检测接口接入中舱室，另一端与光纤解调仪相连；未被可加热感温光纤使用的检测接口作为试验过程中的水样取样口；

进水口通过进水管与多路增压泵的其中一个出水口相连，带有抽水阀门的抽水管将溶液桶和多路增压泵的进水口相接。

进一步的，所述金属框架的底部设有若干万向轮；中舱室的透明面板内壁上设有竖向刻度标尺。所述的刻度标尺的正面刻度从下往上逐渐增大。

进一步的，单块透明面板上沿高度方向设有检测接口；所述可加热感温光纤通过检测接口接入中舱室实现不同高度和水平纵深的测温；未被可加热感温光纤使用的检测接口作为水样取样口用于获取试验过程中不同高度和水平纵深的水样。

进一步的，所述的上法兰盘和下法兰盘均呈阶梯状，达到牢固固定实验材料的目的。

进一步的，所述的实验槽有多个，各实验槽的进水口通过多个进水管与多路增压泵的不同出水口相连；所述光纤解调仪通过多路可加热感温光纤测定所述多个实验槽内的不同高度和水平纵深的温度数据。本发明的组合式光纤热响应漏洞定位装置可通过多个装置多种组合方式开展对照实验。

进一步的，根据实验需求，所述土工膜上具有人工设置的漏洞。

本发明还公开了一种所述装置的光纤热响应漏洞定位方法，其包括如下步骤：

在溶液桶中配置好实验所需浓度的溶液，打开抽水阀门及进水阀门，设定好多路增压泵中出水口水头值，通过抽水管将溶液桶中的溶液抽入多路增压泵后，加压过的溶液通过进水管进入实验槽的下舱室，经过卵石层及土工布后，从土工膜上人工设置的漏洞进入中舱室的试验土样中，通过排水孔采集排出来的液体并检测浓度及出流量，通过检测接口获取试验过程中不同高度和水平纵深的水样检测浓度，待出流量稳定后，打开光纤解调仪，主动加热可加热感温光纤，记录可加热感温光纤的沿程温度；

通过排水孔和检测接口所获水样的浓度数据，通过光纤解调仪获得的温度数据，通过排水孔获得的流量数据和增压泵的出水口水头值获得的渗流数据，得到试验工况下的温度-渗流-浓度耦合场数据；

通过改变温度-渗流-浓度耦合场的试验参数或试验条件，重复上述过程，实现不同工况下温度-渗流-浓度耦合场的实验研究。

进一步的，所述温度-渗流-浓度耦合场的实验参数或试验条件包括：试验土样特性、溶液桶中溶液浓度、环境温度、多路增压泵中设定的水头、土工膜上漏洞的大小及位置、土壤压实度、土壤含水率、土壤颗粒级配。

进一步的，根据不同工况下获得的温度-渗流-浓度耦合场数据构建漏洞定位数值模型，根据待测试验或待测真实工况获得的温度-渗流-浓度耦合场数据，根据漏洞定位数值模型确定漏洞位置和/或漏洞大小。

采用本发明的设备和方法，能够得到不同水头、漏洞大小及位置、污染物源浓度、土壤压实度、土壤含水率、土壤颗粒级配、环境温度等因素对渗流-温度-浓度耦合场的影响，相比于传统电火花法和双电极法实验装置，具有结构简单、体积小、移动方便、可自由组合、投资节省、适用性广、操作简便等优点，在场地污染及水污染日趋严重的背景下极具研究推广价值。

附图说明

图1是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置单体使用示意图；

图2是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置实验槽立体示意图；

图3是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置实验槽正面示意图；

图4是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置实验槽左侧示意图；

图5是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置实验槽俯视示意图；

图6是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置其中一种组合使用示意图。

图中附图标记分别为：金属框架1、透明面板2、上法兰盘3、刻度标尺4、检测接口5、排水孔6、固定孔位7、万向轮8、进水阀门9、进水口10、下法兰盘11、下舱室12、中舱室13、上舱室14、光纤解调仪15、可加热感温光纤16、固定螺栓17、土工布18、土工膜19、进水管20、增压泵21、抽水管22、抽水阀门23、溶液桶24、实验槽25。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置单体使用示意图，装置包括实验槽25、光纤解调仪15、可加热感温光纤16、土工布18、土工膜19、进水管20、增压泵21、抽水管22、抽水阀门23和溶液桶24；

如图2-5所示，所述实验槽25为方形结构，其主体结构由金属框架1构成，所述金属框架1内部在不同高度设有上法兰盘3和下法兰盘11，所述的上法兰盘3和下法兰盘11将实验槽25分隔为下舱室12、中舱室13和上舱室14，其中，中舱室13的四个侧面均部分或全部设置为带有检测接口5的透明面板2；上舱室14的侧壁上设有若干排水孔6；金属框架1的底部设有进水口10，进水口10上安装进水阀门9；

下舱室12填充鹅卵石形成卵石层，土工膜19固定在下法兰盘11上，卵石层和土工膜19之间铺设土工布18；中舱室13中填充待实验土壤，上法兰盘3上固定有土工布18；可加热感温光纤16一端通过检测接口5接入中舱室13，另一端与光纤解调仪15相连；未被可加热感温光纤16使用的检测接口5作为试验过程中的水样取样口；

进水口10通过进水管20与多路增压泵21的其中一个出水口相连，带有抽水阀门23的抽水管22将溶液桶24和多路增压泵21的进水口相接。

在本发明的一个具体实施例中，所述金属框架1的底部设有若干万向轮8；中舱室13的透明面板2内壁上设有竖向刻度标尺4。所述的刻度标尺4的正面刻度从下往上逐渐增大。

在本发明的一个具体实施例中，单块透明面板2上沿高度方向设有检测接口5；所述可加热感温光纤16通过检测接口5接入中舱室13实现不同高度和水平纵深的测温；未被可加热感温光纤16使用的检测接口5作为水样取样口用于获取试验过程中不同高度和水平纵深的水样。

所述的上法兰盘3和下法兰盘11均呈阶梯状。根据实验需求，所述土工膜19上具有人工设置的漏洞。

基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置单体使用漏洞定位方法是：在溶液桶24中配置好实验所需浓度的溶液，打开抽水阀门23及进水阀门9，设定好多路增压泵21中出水口水头值，通过抽水管22将溶液桶24中的溶液抽入多路增压泵21后，加压过的溶液通过进水管20进入下舱室12，经过鹅卵石及土工布18后，从土工膜19上人工设置的漏洞进入中舱室13的试验土样中，通过排水孔6采集排出来的液体并检测浓度及出流量，待出流量稳定后，打开光纤解调仪15，主动加热可加热感温光纤16使其温度上升以瞬时得到沿程不同区域温度差异，相比较传统被动检测方法精度高，扰动因素少(本实施例中上升温度是4℃)，记录可加热感温光纤16的沿程温度；改变试验土样特性、溶液桶24中溶液浓度、多路增压泵21中设定的水头或者土工膜19上漏洞的大小及位置，重复上述过程，得到温度的对应变化情况，实现温度-渗流-浓度耦合场的实验研究。

根据不同工况下获得的温度、流速、浓度数据与利用多物理场建模软件COMSOL构建的模型进行拟合并调整参数，实现漏洞位置和漏洞大小的定位，为进一步现场测试提供基础。

在本实施例中，通过排水孔6和检测接口5所获水样的浓度数据构建浓度场，通过光纤解调仪15获得的温度数据构建温度场，通过排水孔6获得的流量数据和增压泵21的出水口水头值获得的渗流数据构建渗流场，得到试验工况下的温度-渗流-浓度耦合场数据。

本发明的基于光纤热响应的填埋场漏洞定位装置可组合使用，组合使用时，所述的实验槽25有多个，各实验槽25的进水口10通过多个进水管20与多路增压泵21的不同出水口相连；所述光纤解调仪15通过多路可加热感温光纤16测定所述多个实验槽25内的不同高度和水平纵深的温度数据。

如图6所示，是基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置其中一种组合使用示意图，可加热感温光纤16一端通过检测接口5接入并列的四个实验槽25的中舱室13，另一端接入光纤解调仪15，所有实验槽25中：下舱室12填充鹅卵石，从而形成均匀地渗流，带有人为制造漏洞的土工膜19通过固定螺栓17及密封胶固定在下法兰盘11上，卵石层和土工膜19之间铺设土工布18，防止卵石造成土工膜破损以及通过土工膜漏洞进入中舱室13中，中舱室13中填充待实验土壤，土工布18通过固定螺栓17及密封胶固定在上法兰盘3上；进水口10通过进水管20与多路增压泵21的不同出水口分别相连，带有抽水阀门23的抽水管22将溶液桶24和多路增压泵21的进水口相接。

基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置其中一种组合使用漏洞定位方法是：在溶液桶24中配置好实验所需浓度的溶液，打开抽水阀门23及进水阀门9，设定好多路增压泵21中各出水口水头值，通过抽水管22将溶液桶24中的溶液抽入多路增压泵21后，加压过的溶液通过进水管20进入下舱室12，经过鹅卵石及土工布18后，从土工膜19上人工设置的漏洞进入中舱室13的试验土样中，通过排水孔6采集排出来的液体并检测浓度及出流量，待出流量稳定后，打开光纤解调仪15，主动加热可加热感温光纤16使其上升4℃，记录可加热感温光纤16的沿程温度；分别设置不同实验槽中的试验土样特性、溶液桶24中溶液浓度、多路增压泵21中设定的水头或者土工膜19上漏洞的大小及位置，得到不同实验槽内温度的对应变化情况，实现温度-渗流-浓度耦合场的对照实验研究。同样的，后续可根据不同工况下获得的温度-渗流-浓度耦合场数据构建漏洞定位数值模型，根据待测试验或待测真实工况获得的温度-渗流-浓度耦合场数据，根据漏洞定位数值模型确定漏洞位置和漏洞大小。

本发明适用于小型实验场地进行单次或多次实验，也适用于大型实验场地进行大型对照实验；本发明适用于高等院校和科研单位的科学研究，探究感温光纤在渗漏检测方面的应用，也适用于固结试验等其他岩土工程相关实验；运用该装置可以非常便利的实现温度-渗流-浓度耦合场的对照实验研究。

以上所述的实施方式只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于包括实验槽(25)、光纤解调仪(15)、可加热感温光纤(16)、土工布(18)、土工膜(19)、进水管(20)、增压泵(21)、抽水管(22)、抽水阀门(23)和溶液桶(24)；

所述实验槽(25)为方形结构，其主体结构由金属框架(1)构成，所述金属框架(1)内部在不同高度设有上法兰盘(3)和下法兰盘(11)，所述的上法兰盘(3)和下法兰盘(11)将实验槽(25)分隔为下舱室(12)、中舱室(13)和上舱室(14)，其中，中舱室(13)的四个侧面均部分或全部设置为带有检测接口(5)的透明面板(2)；上舱室(14)的侧壁上设有若干排水孔(6)；金属框架(1)的底部设有进水口(10)，进水口(10)上安装进水阀门(9)；

下舱室(12)填充鹅卵石形成卵石层，土工膜(19)固定在下法兰盘(11)上，卵石层和土工膜(19)之间铺设土工布(18)；中舱室(13)中填充待实验土壤，上法兰盘(3)上固定有土工布(18)；可加热感温光纤(16)一端通过检测接口(5)接入中舱室(13)，另一端与光纤解调仪(15)相连；未被可加热感温光纤(16)使用的检测接口(5)作为试验过程中的水样取样口；

进水口(10)通过进水管(20)与多路增压泵(21)的其中一个出水口相连，带有抽水阀门(23)的抽水管(22)将溶液桶(24)和多路增压泵(21)的进水口相接。

2.根据权利要求1所述的基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于，所述金属框架(1)的底部设有若干万向轮(8)；中舱室(13)的透明面板(2)内壁上设有竖向刻度标尺(4)。

3.根据权利要求2所述的基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于，所述的刻度标尺(4)的正面刻度从下往上逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于，单块透明面板(2)上沿高度方向设有检测接口(5)；所述可加热感温光纤(16)通过检测接口(5)接入中舱室(13)实现不同高度和水平纵深的测温；未被可加热感温光纤(16)使用的检测接口(5)作为水样取样口用于获取试验过程中不同高度和水平纵深的水样。

5.根据权利要求1所述的基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于，所述的上法兰盘(3)和下法兰盘(11)均呈阶梯状。

6.根据权利要求1所述的基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于，所述的实验槽(25)有多个，各实验槽(25)的进水口(10)通过多个进水管(20)与多路增压泵(21)的不同出水口相连；所述光纤解调仪(15)通过多路可加热感温光纤(16)测定所述多个实验槽(25)内的不同高度和水平纵深的温度数据。

7.根据权利要求1所述的基于可组合式光纤热响应的填埋场漏洞定位装置，其特征在于，根据实验需求，所述土工膜(19)上具有人工设置的漏洞。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述装置的光纤热响应漏洞定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

在溶液桶(24)中配置好实验所需浓度的溶液，打开抽水阀门(23)及进水阀门(9)，设定好多路增压泵(21)中出水口水头值，通过抽水管(22)将溶液桶(24)中的溶液抽入多路增压泵(21)后，加压过的溶液通过进水管(20)进入实验槽(25)的下舱室(12)，经过卵石层及土工布(18)后，从土工膜(19)上人工设置的漏洞进入中舱室(13)的试验土样中，通过排水孔(6)采集排出来的液体并检测浓度及出流量，通过检测接口(5)获取试验过程中不同高度和水平纵深的水样检测浓度，待出流量稳定后，打开光纤解调仪(15)，主动加热可加热感温光纤(16)，记录可加热感温光纤(16)的沿程温度；

通过排水孔(6)和检测接口(5)所获水样的浓度数据，通过光纤解调仪(15)获得的温度数据，通过排水孔(6)获得的流量数据和增压泵(21)的出水口水头值获得的渗流数据，得到试验工况下的温度-渗流-浓度耦合场数据；

通过改变温度-渗流-浓度耦合场的试验参数或试验条件，重复上述过程，实现不同工况下温度-渗流-浓度耦合场的实验研究。

9.根据权利要求8所述的光纤热响应漏洞定位方法，其特征在于，所述温度-渗流-浓度耦合场的实验参数或试验条件包括：试验土样特性、溶液桶(24)中溶液浓度、环境温度、多路增压泵(21)中设定的水头、土工膜(19)上漏洞的大小及位置、土壤压实度、土壤含水率、土壤颗粒级配。

10.根据权利要求8所述的光纤热响应漏洞定位方法，其特征在于，根据不同工况下获得的温度-渗流-浓度耦合场数据构建漏洞定位数值模型，根据待测试验或待测真实工况获得的温度-渗流-浓度耦合场数据，根据漏洞定位数值模型确定漏洞位置和/或漏洞大小。

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