CN203732033U - 坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统 - Google Patents

Abstract

坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，在大坝内部埋设有一条垂直于大坝轴线的变形监测管道，由若干节连接组成，每节上安装有伸缩管接头，伸缩管接头的锚固板固定在坝体内部；变形监测管道内部中间安装有传感光纤，特征是传感光纤由光纤紧固固定和预拉装置固定和拉紧；采用一根传感光纤里面设置有两种不同类型的光纤，一种紧套受力的应变光纤直接护套保护，用于测量坝体的位移变化，另一种松套不受力的温度光纤，用塑料外壳保护，用于测量光纤所处位置温度变化，做温度补偿；应变光纤与温度光纤均连接于分布式光纤采集仪器。本实用新型测量精度为0.2%F.S，测量精度高，保证了监测系统精确性，满足土石坝内部水平位移监测要求。

Description

坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统

技术领域

本实用新型属于土石坝监测技术领域；具体涉及一种坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统。 

背景技术

水库大坝内部变形包括坝体内部的垂直沉降和水平位移，这种变形超过正常范围时，直接影响大坝的安全性。根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012)，在坝体内部选择要监测变形的断面，布置观测仪器进行监测。目前国内外土石坝内部变形监测通常采用“水管式”沉降计测量垂直变形，和采用“引张线式”水平位移计测量水平变形的方法。这两种方法都是在大坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在大坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测管道，在这条管路中同时安装埋设“水管式”沉降计和“引张线式”水平位移计。 

然而目前使用的水管式沉降计和引张线位移计对于坝高超过200m、管路长度超过500m时，由于管线太长使得仪器的测量时间大量加长，灵敏度降低，误差大大增加。 

坝高增加，引张线式水平位移计和水管式沉降计的引张线和水管管路长度以近3倍于坝高的增加而增加，导致引张线和水管管路长度大大增加。其中引张线铟钢丝长度的大量增加，为保证测量过程中铟钢丝引张线处于绷直状态以准确传递测点水平位移，必须大量增加引张线用配重，使得铟钢丝因强度不足被拉断；水管管路长度的大量增加，导致水管式沉降计通过管路充水至沉降计的难度大大增加，而且由于水管管路的大量增加，其测量装置和沉降计溢流水杯的水位平衡过程和时间将成倍增加，从而影响水管式沉降计的测量准确性。 

引张线式水平位移计每个测点需要配置一条铟钢丝引张线及配重，同样水管式沉降计每个测点均需要一套水管和气管管路，随着坝高增加，相应测点也同步增加，水平位移计的引张线数量和沉降计的管路数量也相应增加，对保护管尺寸、分线和导向结构、强度等指标的要求也大大提高，而在土石坝内保护管的上述指标也不可能无限度地提高的，尤其对于300m级土石坝，由于其测点设计要求数量将近3倍于百米级土石坝的测点数量，引张线式水平位移计和水管式沉降计的用于堆石坝体内部引张线和水管、通气管管路的保护管路和技术也是难以克服的难题之一。 

近来我国土石坝建设水平有了很大提高，随着西部水电开发进程的加快，开展了300m高级土石坝筑坝技术和大坝安全监测技术研究。这种超高大坝的底部横断面长度超过800m，对于坝体内部800m一条测量管路上需要布置几十个测点，显然无法沿用传统的水管式沉降计和引张线位移计方法监测坝体内部变形。针对这种超长的测量范围，国内外目前尚无有效的监测手段和方法，急需开发研制监测坝体内部变形的新型测量仪器。 

发明内容

本实用新型所需要解决的技术问题在于，克服现有的技术缺陷，提供一种采用分布式光纤测量坝体内部变形监测中水平位移的结构，这种采用分布式光纤测量水平位移的结构可以测量传感光纤中应变光纤应变分布从而得出坝体内部全断面水平位移的变化。 

为达成上述目的，本实用新型提出一种坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，在大坝内部埋设有一条垂直于大坝轴线的变形监测管道；该变形监测管道由若干节连接组成，在每节变形监测管道上安装有伸缩管接头，该伸缩管接头的锚固板固定在坝体内部；该变形监测管道内部中间安装有传感光纤，其特征在于，所述的传感光纤由光纤紧固固定和预拉装置固定和拉紧；基于以上思路，采用一根传感光纤里面放两种不同类型的光纤，一种紧套受力应变光纤直接护套保护，用于测量坝体的位移变化，另一种松套不受力温度光纤，用塑料外壳保护，用于测量光纤所处位置温度变化，用于应变光纤的温度补偿；；所述的传感光纤连接于分布式光纤采集仪器。 

分布式光纤采集仪器对传感光纤的应变光纤的应变和不受力温度光纤的温度分别进行实时测量，再对采集的数据进行处理分析，可以得出坝体全断面水平位移变化。 

所述的传感光纤（紧套光纤）采用直接护套保护，用于测量坝体的位移变化；所述的温度光纤（松套不受力光纤），采用塑料外壳保护； 

变形监测管道的各个可伸缩管接头都设置光纤紧固固定和预拉装置定位孔。

所述变形监测管道由多节监测保护管连接而成，各节监测保护管之间由伸缩管接头连接，该伸缩管接头都带有密封环，防止大坝内部泥沙和水浆进入管通道，而且安装埋设简单、方便。 

光纤紧固固定和预拉装置上，设有一个调距孔，可以按要求绷直、拉紧传感光纤，使传感光纤安装后符合坝体内部水平位移测量要求。 

光纤紧固固定和预拉装置由上下对称的两部分组成，光纤紧固固定和预拉装置中间有一个卡槽，卡槽比所选型的传感光纤细1-2mm, 光纤紧固固定和预拉装置2压紧后传感光纤可以固定不滑动。每个光纤紧固固定和预拉装置上有4个带螺纹光纤紧固固定和预拉装置紧固孔，用螺杆把光纤紧固固定和预拉装置拧紧，光纤紧固固定和预拉装置压紧后传感光纤可以固定不滑动；能后用调距螺杆拧进光纤紧固固定和预拉装置调距孔，一端定位在伸缩管接头上，按要求拧紧螺杆把传感光纤绷直拉紧。 

传感光纤测量精度为0.2%F.S，测量精度高，满足土石坝内部水平位移测量精度要求。 

每两个“伸缩管接头”之间的距离，建议采用6米的距离。 

本实用新型的工作原理是： 

在大坝内部埋设一条垂直于大坝轴线的变形监测管道，其随着大坝同步变形；变形监测管道每隔6米加一可伸缩管接头，传感光纤置于变形监测管道中保护，在变形监测管道的每个伸缩管接头处采用本实用新型中设计的光纤紧固固定和预拉装置把传感光纤固定在变形监测管道各个伸缩管接头上并保持传感光纤绷直，在变形监测管道的伸缩管接头外部设置水平位移测点装置保证变形监测管道随大坝同步位移，各测点处坝体内部发生位移时把绷直的传感光纤带动，从而传感光纤的应变发生变化。

当坝体内部发生位移时，带动可变形监测管道发生位移从而带动传感光纤发生变形；把传感光纤中应变光纤和温度光纤分别接入分布式光纤采集仪器，通过分布式光纤采集仪器对传感光纤的应变光纤的应变和不受力温度光纤的温度分别进行实时测量，再对采集的数据进行处理分析，可以得出坝体全断面水平位移变化。 

传感光纤中温度光纤的温度变化，可以对传感光纤进行温度补偿修正。 

换言之，本实用新型所述监测系统的使用方法更包含以下步骤： 

在水平位移变形监测管道的各个伸缩管接头外部设置水平位移测点装置，其随大坝变形而水平移位并带动传感光纤发生变形，所发生变形变化可采用分布式光纤测量坝体全断面水平位移监测系统来测量。

基于以上思路，采用一根传感光纤里面放两种不同类型的光纤，一种紧套光纤直接护套保护，用于测量坝体的位移变化，另一种松套不受力光纤，用塑料外壳保护，用于测量光纤所处位置温度变化，用于温度补偿。当坝体内部发生位移变化时，传感光纤随坝体同步位移而发生变形。 

传感光纤埋设安装之前必须要绷直拉紧，在每隔6米有伸缩管接头的地方安装有一个光纤紧固固定和预拉装置，光纤紧固固定和预拉装置可以压紧传感光纤，使传感光纤不能滑动，在光纤紧固固定和预拉装置上面安装有一调距螺杆，调距螺杆一端定位在伸缩管接头的一端，可自由拧进拧出，调距螺杆可以按测量的要求把传感光纤绷直拉紧；每安装埋设一节变形监测管道和伸缩管接头后就按要求用光纤紧固固定和预拉装置压紧和绷直传感光纤，按如此方法把传感光纤一直绷直拉紧安装埋设到变形监测管道的外部；在外部采用分布式光纤采集仪测量传感光纤的应变光纤的应变和温度光纤的温度变化，从而得到坝体全断面的水平位移变化。 

更优化和更具体地说，本实用新型的方法所述采用是设备是：一种采用分布式光纤测量坝内部变形监测中水平位移的结构和测量方法的监测系统，包括：埋设于大坝内部的并随大坝内部变形而变形的监测管道、一条安装在该监测管道内并用于监测大坝内部变形的传感光纤以及一台外部分布式光纤采集仪器，测量分布式光纤的应变和温度变化，从而得出坝体全断面的水平位移，其中： 

    所述变形监测管道包括：

    一条位于坝体内的变形监测管道，变形监测管道内部各个伸缩管接头处紧固安装的一根传感光纤；

    若干个设置于所述变形监测管道外部的水平位移测点装置，其随大坝的水平变形而水平移动，并带动埋入变形监测管道内的传感光纤同步位移而发生变形。

进一步，所述变形监测管道由多节保护管和连接于各保护管之间的伸缩管接头连接而成，以形成传感光纤的安装通道。 

进一步，传感光纤里面放两种不同类型的光纤，一种紧套光纤直接护套保护，用于测量坝体的位移变化，另一种松套不受力光纤，用塑料外壳保护，用于测量光纤所处位置温度变化。 

进一步，传感光纤埋设前必须要绷直拉紧，绷直拉紧结构装置有一个光纤紧固固定和预拉装置，在光纤紧固固定和预拉装置上面装有一调距螺杆，在传感光纤安装埋设时按要求把传感光纤绷直拉紧。 

    由以上本实用新型的技术方案可知，本实用新型采用了一种采用分布式光纤测量坝体全断面水平位移监测系统的方式，通过在大坝内部埋设布置专用变形监测管道，变形监测管道内部安装传感光纤，采用光纤采集仪对安装埋设变形监测管道内部的传感光纤进行测量以实现监控，直接监测坝体内部的变形，尤其适合对超高超长大坝的内部变形监测，而且采用分布式光纤测量坝体全断面水平位移监测系统的测量精度为0.2%F.S，测量精度高，保证了监测系统精确性，满足土石坝内部水平位移监测要求。 

附图说明

图1是本实用新型采用分布式光纤测量坝体全断面水平位移监测系统的结构示意图； 

图2是本实用新型安装装置结构示意图；

图3-1、图3-2分别是本实用新型传感光纤紧固固定和预拉装置结构示意图；

图4是本实用新型变形监测管道结构示意图；

图5是本实用新型传感光纤截面示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施案例，对本实用新型方法作进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

实施例1，采用分布式光纤测量坝体全断面水平位移监测系统，用于监测大坝内部水平变形情况，尤其是对超高土石坝的内部水平变形监测，例如对坝高300m、底部横断面900m长度的超高土石坝内部的水平位移变形的监测。总体来说，本实用新型通过在在大坝内部设置专用变形监测管道，在变形监测管道内安装一根传感光纤，采用光纤采集仪测量分布式光纤各点位置的应变和温度的变化，从而测量出坝体内部水平位移变形。光纤采集仪记录采集所有数据并对采集的数据进行实时分析处理，得出大坝内部水平变形监测结果。 

参照图1：待土石坝填筑到设计规定埋设安装水平位移变形的断面和比设计规定埋设高程高出0.5米后，在设计规定埋设安装位置挖一条0.6×0.6米的仪器沟，在测量大坝的内部安装一个固定好传感光纤3的固定墩，传感光纤3穿入变形监测管道1。在挖好的仪器沟里面安装埋设变形监测管道1，变形监测管道1每节长度为6m；在每节变形监测管道1上安装伸缩管接头5，伸缩管接头5的锚固板4固定在坝体内部，其随大坝变形而水平移位并带动传感光纤3发生变形；在伸缩管接头5有定位孔12的一端用一个光纤紧固固定和预拉装置2把传感光纤3绷直拉紧并同时将该伸缩管接头5和锚固板4固定于对应坝体位置，按如此方法把传感光纤一直绷直拉紧安装到观测房7，在观测房7用分布式光纤采集仪6对传感光纤3进行实时采集，并对采集数据进行实时分析处理，得出大坝内部水平变形监测结果。 

参照图2：监测保护管8每安装埋设好一节后，安装锚固板4和伸缩管接头5，锚固板4固定于对应坝体位置；伸缩管接头5有光纤紧固固定和预拉装置调距螺杆定位孔12的一端安装光纤紧固固定和预拉装置2，能后把光纤紧固固定和预拉装置2用光纤紧固固定和预拉装置紧固螺杆9拧紧，使光纤不能滑动，用光纤紧固固定和预拉装置调距螺杆10使传感光纤3按要求绷直拉紧；以此类推，直至监测保护管8和传感光纤3安装埋设完成。下面分别对这些构成并结合图3-图5进行介绍和说明： 

一、光纤紧固固定和预拉装置：

如图3所示，光纤紧固固定和预拉装置2由上下对称的两部分组成，光纤紧固固定和预拉装置2中间有一个卡槽，卡槽比所选型的传感光纤细1-2mm, 光纤紧固固定和预拉装置2压紧后传感光纤3可以固定不滑动。每个光纤紧固固定和预拉装置2上有4个带螺纹光纤紧固固定和预拉装置紧固孔14，用螺杆把光纤紧固固定和预拉装置2拧紧，光纤紧固固定和预拉装置2压紧后传感光纤3可以固定不滑动；能后用调距螺杆拧进光纤紧固固定和预拉装置调距孔13，一端定位在伸缩管接头5上，按要求拧紧螺杆把传感光纤3绷直拉紧。

二、变形监测管道： 

如图4所示，变形监测管道1提供保护传感光纤3的通道，其优选为一次性埋设在大坝内部并不可以更换部件。本实施例中，根据大坝内部的长度，变形监测管道1可由多节监测保护管8和连接于各监测保护管8之间的伸缩管接头5连接而成，保护设置于管道内部的传感光纤3及各设备。变形监测管道1带有密封环11，具有密封、伸缩功能，监测保护管8的直径不宜过大，以免对坝体产生影响。

    监测保护管8采用防锈处理的高强度镀锌钢管，直径200mm左右，壁厚8~12mm，每一节保护管长度6m。 

    伸缩管接头5采用与监测保护管8相同的材料，其外径与监测保护管8相匹配，壁厚12mm，每一节伸缩管接头5的长度大约600mm左右。伸缩管接头5用于连接监测保护管8，其两端有防水密封环11，防止大坝内部泥沙和水浆进入通道，同时伸缩管接头5起一种伸缩作用，使得变形监测管道1随大坝同步变形。 

在布设变形监测管道1时，应当按照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012)要求，整条管路在大坝内部是密封的，每一节管道之间必须是密封连接。 

三、传感光纤： 

如图5所示，传感光纤3选用带有光纤护套15和柔性塑料加强构件16的光纤，柔性塑料加强构件16用来保护的传感光纤3里面的应变光纤19和温度光纤20，增加传感光纤3的受力强度；传感光纤3分为紧套受力的应变光纤19和松套不受力的温度光纤20，紧套受力的应变光纤19，用护套17直接保护，用于测量传感光纤3的应变分布，进行测量坝体的位移变化，另一种为松套不受力的温度光纤20，用中心塑料管18保护，用于测量传感光纤3所处位置温度变化，用于温度补偿，减少温度对测量的误差。 

Claims (8)

1. 坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，在大坝内部埋设有一条垂直于大坝轴线的变形监测管道；该变形监测管道由若干节连接组成，在每节变形监测管道上安装有伸缩管接头，该伸缩管接头的锚固板固定在坝体内部；该变形监测管道内部中间安装有传感光纤，其特征在于，所述的传感光纤由光纤紧固固定和预拉装置固定和拉紧；采用一根传感光纤里面设置有两种不同类型的光纤，一种紧套受力的应变光纤直接护套保护，用于测量坝体的位移变化，另一种松套不受力的温度光纤，用塑料外壳保护，用于测量光纤所处位置温度变化，用于应变光纤的温度补偿；所述的应变光纤与温度光纤均连接于分布式光纤采集仪器。

2. 根据权利要求1所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述的传感光纤采用直接护套保护，用于测量坝体的位移变化；所述的温度光纤，采用塑料外壳保护。

3. 根据权利要求1所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述变形监测管道的各个可伸缩管接头都设置光纤紧固固定和预拉装置定位孔。

4. 根据权利要求1所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述的伸缩管接头都带有密封环。

5. 根据权利要求1所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述光纤紧固固定和预拉装置上，设有调距孔。

6. 根据权利要求1所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述光纤紧固固定和预拉装置由上下对称的两部分组成，光纤紧固固定和预拉装置中间有一个卡槽，卡槽比所选型的传感光纤细1-2mm；每个光纤紧固固定和预拉装置上有4个带螺纹光纤紧固固定和预拉装置紧固孔，用螺杆把光纤紧固固定和预拉装置拧紧；然后用调距螺杆拧进光纤紧固固定和预拉装置调距孔，一端定位在伸缩管接头上，按要求拧紧螺杆把传感光纤绷直拉紧。

7. 根据权利要求1-6之一所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，所述传感光纤测量精度为0.2%F.S。

8. 根据权利要求7所述的坝体全断面水平位移监测的分布式光纤测量系统，其特征在于，每两个所述的“伸缩管接头”之间的距离为6米。