CN2669186Y - 堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置 - Google Patents

Abstract

涉及水利工程安全防范设备领域，是一种堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置。该装置的要点是将双向耦合器、波分复用器、雪崩二极管、主放大器、采样平均器和累加器、计算机、驱动器、激光二极管组件和传感光缆所连接而构成。传感光缆设有两种结构，其一是传感光缆芯部是光纤，光纤的外层是金属中心保护套管、防水绝缘层、芳纶纤维、外保护层；其二是加热传感光缆，在其一的结构中增设绝缘加热导电体。传感光缆是设置在河流的堤与排水沟之间；或设置在混凝土面板坝面板内、面板背面、周边缝的防渗体或垫层下；它改变了无法监测或传统的只能实施离散点监测和目测渗漏的弊端，是确保大坝和堤岸安全的有力武器。

Description

堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置

技术领域

本实用新型涉及水利工程安全防范设备领域，是一种堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置。

背景技术

目前，光纤传感器在油气管线泄漏的监测方法已在专利文献中报露，该实用新型公开了一种基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法。在油气管线附近与油气管线并行铺设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测；在光纤的两端，也就是油气管线的输入端和输出端，各设置一套光功率检测模块，并和计算机连接，利用计算机对数据进行分析和融合，获得管线周围的压力变化和振动信号的特征，当管线中的油气发生泄漏或在管线附近有机械施工和人为破坏等事件发生时，产生的应力或冲击力将改变光纤的特性和损耗，通过对光纤背向散射光功率和光纤输出光功率的测量，对损耗大小和频谱的分析，发现并确定位油气管线泄漏和外部可能对管线造成破坏的事件，提高油气管线的监测水平。它是将光纤传感器应用于油气管线的领域，而近年的洪涝灾害，直接威胁着人民的生命和安全，至今尚未公开一种监测堤坝渗漏现象的装置。因此，杜绝渗漏的前兆预报信息显得十分重要，它是防止堤坝缺口，将洪涝灾害的不利因素消灭在事故的萌芽状态，以确保始发当地的人民财产和人身安全。

发明内容

本实用新型将向本领域提供一种堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置，使堤坝渗漏现象信息的提前预报，以解决渗漏现象导致堤坝缺口，所引发特大洪涝灾害的发生。现结合附图，将其特征作如下描述：一种堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置，所述的分布式光纤温度传感监测装置简称为DTS，它是由双向耦合器(BDC)、波分复用器(OWDD)、雪崩二极管(SPD)和(APD)、主放大器(AMP)、采样平均器和累加器(SP)、计算机(Computer)、驱动器(driver)、激光二极管组件(LD)和光缆所组成，其特征是双向耦合器(BDC)的一端连接光缆；双向耦合器(BDC)与波分复用器(OWDD)连接，波分复用器与雪崩二极管(APD)连接，雪崩二极管与主放大器(AMP)连接，主放大器与采样平均器和累加器(SP)连接；驱动器(driver)与激光二极管组件(LD)连接，激光二极管组件与双向耦合器(BDC)连接。

所述的传感光缆设有两种结构，其一是传感光缆芯部是光纤3，光纤的外层是金属中心保护套管4，金属中心保护套管的外层是防水绝缘层5，防水绝缘层的外层是芳纶纤维2，芳纶纤维的外层是外保护层1；其二是加热传感光缆，在其一的结构中，即在芳纶纤维2的载体中增设1条到数条绝缘加热导电体6。

所述的传感光缆9设置在河流10的堤7一侧的排水沟8底边上(图4)，平行地埋设在混凝土面板坝周边缝防渗体或垫层后面、混凝土面板18背面和内部；或设置在土坝心墙背水面20；或设置在混凝土碾压坝碾压层面21上。

所述的传感光缆9是埋设在面板坝的周边缝防渗体或垫层后面(图5-图7)、混凝土面板内部(图8-图9)和背面(图10-图11)；网络式铺设在土坝心墙背水面(图12-图13)；网络式设置在混凝土碾压坝碾压层面上(图14-图17)。图7中该防渗体由SR填料11、止水片12、沥青砂浆垫层13、PVC塑料片14、浸沥青松木板15等所构成，垫层13上面或下面埋设光缆。

所述的堤坝的迎水面都有防渗体(墙)的前提下，通过在大坝的防渗体(墙)后面埋下传感光缆，检测到防渗体(墙)后面的温度；在正常情况下，光纤检测到的温度应该是光缆铺设处及附近环境的温度，这个温度通常与水库或河道的水温有一定的差异，一旦防渗体(墙)出现破裂，则光纤检测到的便是渗漏水的温度；当渗漏水的温度与传感光缆所处环境温度一样或接近时，不易辨别渗漏处，就可利用加热导电体6和/或辅助加热导体(金属中心保护套管4)，通过与其相匹配的加热装置把传感光缆加热，使传感光缆与渗漏水达到一定温度差；通过搜索温度分布的异常区域获得渗漏水的区域，测得渗体(墙)损坏的位置和程度，大小、发展趋向等，便于及时维护。它改变了无法监测或传统的只能实施离散点监测和目测渗漏的弊端，是确保大坝和堤岸安全的有力武器。

附图说明

图1是传感光缆A结构示意图；

图2是传感光缆B结构，即加热传感光缆示意图。

图3是传感光缆组合设备示意图。

图4是堤岸渗漏监测传感光缆布设示意图。

图5是面板坝周边缝渗漏监测传感光缆布设示意图。

图6是面板坝侧面剖视图。

图7是传感光缆埋设于防渗体或垫层下示意图。

图8是平行地埋设于面板坝面板内的传感光缆布设示意图。

图9是图8的主视剖视图。

图10是平行地埋设于面板坝面板背面的传感光缆布设示意图；

图11是图10面板的主视剖视图。

图12是土坝横向剖视图；

图13是图12的A向示意图——传感光缆网络式铺设在土坝心墙背水面示意图。

图14是碾压坝碾压层面渗漏监测网络式传感光缆布设示意图；

图15是图14的主视示意图。

图16是碾压坝立面示意图；

图17是图15的左视示意图。

图18是渗漏处的温度变化图。

图19是光纤未加热时的温度分布曲线。

图20是光纤加热后的温度分布曲线。

以上附图的序号及名称：1、外保护层，2、芳纶纤维，3、光纤，4、金属中心保护套管，5、防水绝缘层，6、加热导电体，7、堤，8、排水沟，9、传感光缆，10、河流，11、SR填料，12、止水片，13、沥青砂浆垫层，14、PVC塑料片，15、浸沥青松木板，16、趾板，17、水库，18、混凝土面板，19、心墙，20、心墙背面，21、碾压层面。

本监测装置中的分布式光纤温度传感器简称为DTS、它与带导体或不带导电体的传感光缆、光缆加热器、用户软件和有关应用技术、经验(传感光缆的合理埋设，现场科学检测，数据分析等)有机相结合，进行实时、连续、无限多点地检测大坝和堤岸的渗漏。它的应用，一次测定就可获得整个传感光缆区域的渗漏点和渗漏状况，改变了传统的只能实施离散点监测和目测的弊端，是确保大坝和堤岸安全的有力武器。除了渗漏检测外，还可以在混凝土坝施工中，实时检测混凝土的温度，也可对水库运行中水温和水位进行实时检测。

本监测装置的基本原理

DTS系统是国外近年发展起来的一种用于实时监控温度场的高新技术，主要依据光纤的光时域发射(OTDR)和光纤的背向喇曼散射温度效应，一条数公里乃至数十公里长的光纤，可以连续测量、准确定位整条光纤所处空间的温度。我们利用其原理来连续测量、准确定位光纤所处环境中水的渗漏，因为水的渗漏将导致与其接触处光纤温度的变化，从而判断大坝和堤岸某处存在着隐患。由图18所示，此图纵坐标为与最初状态相比较的温度差异，横坐标为长度(米)，在光纤308米处有明显渗漏现象，即可在监测装置的温度变化图显示出温度曲线。

由于渗流环境多种多样，在测量时可采用以下两种方法：梯度法和加热法。梯度法为利用光纤直接测量渗漏引起大坝和堤岸剧变的温度分布，转而确定渗漏位置的方法。该方法成功应用的前提是堤坝前水温与堤坝量测位置的温度存在一定差异。温差越大，渗漏导致局部温度变化也越大，温度梯度也越大，越容易判断渗漏点位置。为做到这一点，光纤埋设位置应选在与库水(河水)保持足够的距离，并尽量避开气候的影响。加热法为通过金属中心保护套管或特别设置的导电体通电加热使光纤周围温度升高转而确定位置的方法。该方法不受需要温度差的条件限制，不再要求光纤距库(河)水有一定距离。通过加热，使光纤周围温度升高，当堤坝存在渗漏点时，该处光纤温度上升将会明显小一些，温度将会低一些，从而使渗漏点获得定位。利用加热法几乎可以检测所有防渗漏结构的有效性(图19、图20分别为光纤未加热和加热后的温度分布曲线)。DTS中的激光二极管(LD)组件由带尾纤的缴光二极管和LD驱动电源(driver)组成，为了确保LD功率及峰值波长的稳定，采用半导体致冷低温恒温槽冷却工作。LD组件产生一个稳定的高功率(10w)短脉冲(50ns)的激光，光纤波分复用器组件由低损耗的1×3双向耦合器(BDC)和波分复用器(OWDD)组成，激光脉冲通过BDC入射到光纤传感回路(OFL)，并将OFL的背向散射回波采集回来，再通过OWDD分成Stokes喇曼通道和Anti-Stokes喇曼通道，并隔离泵浦的激光脉冲，光纤传感回路既作传感媒体又作传输媒体。采用大数值孔径，低损耗的光纤，采用带晶振(测温用)的微型超级恒温槽，用于系统的自标定、自校准，APD组件由高灵敏低噪声雪崩二极管前放组件(SPD)和(APD)组成。为确保SPD稳定工作，使其在低温恒温槽冷却工作；采用低噪音高增益宽带主放大器(AMP)；SP由高速瞬态(50Mhz)采样平均器和累加器组成，计算机主要用于温度信号的解调和信号处理、显示。可根据用户的需要设计软件和界面。

有关配套附件作如下描述：

a)、加热传感光缆：

选用1条或数条光纤(作为传输和传感之用)，外包金属中心保护套管(保护光纤不受损坏，同时也可以作为辅助加热导体)，金属中心保护套管外有1条到数条低阻抗的金属导体(作为加热导体的电流进出回路，互相绝缘)，再外包PE或其他材料作为外保护层，外径控制在20mm之内。

b)、加热装置：

提供给光缆金属导体功率，使光缆加热到一定程度和可调，功率过大将把光缆烧坏，功率过小，则达不到加热要求。

c)、软件：

测量渗漏专用软件。

d)其他配套设备：

如报警器、打印机、机柜等。

本监测装置是基于光时域反射(OTDR)和背向喇曼散射效应应用于渗漏监测。半导体激光器发出的激光脉冲在沿光纤传输的过程中，时刻产生各种散射，其中的自发喇曼散射的强度依赖于该处光纤的温度。利用背向喇曼散射的两个分量便可以解调出该处光纤的温度。该方法的另一个特点就是利用光雷达的原理，通过计算光返回的时间，就能够知道产生散射的具体位置。因此，本方法可以同时获得光纤的温度和位置信息，也就是说，采用这种方法可以得到沿光纤长度分布的温度曲线。

有关温度与大坝安全的关系

在大坝的迎水面都有防渗体(墙)，防渗体(墙)的质量好坏直接影响到大坝的寿命，通过在大坝的防渗体(墙)后面埋下光缆，可以检测防渗体(墙)后面的温度。在正常情况下，光纤检测到的温度应该是光缆布设处及附近环境的温度，这个温度通常与水体的温度有一定的差异，一旦防渗体(墙)出现破裂，则光纤检测到的便是水的温度，通过搜索温度分布的异常区域便知道渗水的区域，从而得知防渗体(墙)损坏的位置，大小和发展趋向等。

实践工艺

大坝泄漏监测在我国多数还是使用落后的人工方法，只能靠液位计测量和人工观察，对水的渗流更无实时监测的仪器。测量大坝固化温度用热敏电阻点式温度计，大坝浇注过程中，挖孔埋入温度计后单点测量，一个大坝就得数百只乃至上千只点式温度计，花费大量的电缆及材料，既费工又费料。而从加拿大引进的点式光纤传感器单点测温综合价格昂贵，且不方便。因此像DTS系统这样快捷方便，既能实时定点长距离连续监测温度，又能监测渗流的仪器可以说是独一无二的。用DTS系统监测渗流，只用一根2Km长的光纤就能监测数千个点的突发事件，并能迅速、准确给出事故发生地点是本方法的一大特色。

一般光缆检测渗漏，简单和方便，但在光缆铺设处和渗漏水应有一定温度差；而利用加热装置把带有导电体的光缆加热就可以把光缆铺设在任何位置来检测渗流，进一步扩大应用领域。

具体实施方式

光缆的铺设(以混凝土面板坝周边缝渗漏监测为例)

1、铺设位置：要能及时检测到渗漏之处，而对大坝不造成伤害，面板坝最容易渗漏之处为周边缝，因为一般这是山与坝的交界处。大坝设计中对周边缝有防水的措施，但随着天长日久，堤的渗漏难以胜防，而且渗漏将愈来愈大；再加之施工中也存在质量等问题，有的新坝就有渗漏情况发生，就需要我们知道什么地方渗漏，渗漏多大，便于及时去维护，以免产生危害。我们通过模拟试验和与专家们研究，将传感光缆铺设在面板坝周边缝垫层的下面，测量垫层温度分布情况，根据垫层温度的变化(渗漏处的垫层温度急剧下降)检测渗漏处。

2、铺设过程中应遵守设计者制定的传感光缆铺设工艺规定进行，据此就可以及时找出渗漏实际位置，便于分析和采取弥补措施。

3、检测方法和数据分析

一般传感光缆：a、检测大坝未蓄水时整条光缆的温度分布曲线；b、检测大坝有水时整条光缆的温度分布曲线。

将b曲线与a曲线进行比较或者将不断检测到的b曲线之间进行比较，就可以观察到大坝有无渗漏、渗漏位置和区域的大小。

加热传感光缆：a)、在未加热情况下，对整条传感光缆进行检测；b)、对传感光缆加热后，对整条传感光缆进行检测；c)、收集所有数据并保存，对保存数据进行比较和评估，就可观察到大坝有无渗漏、渗漏位置和区域的大小。

当渗漏水的温度与光缆铺设环境温度一样时或者光缆浸泡在水中等情况下，一般传感光缆就可能发现不了水的渗漏，用本实用新型方法可以适用于任何场合的微小渗漏水检测。

Claims (5)

1、一种堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置，所述的分布式光纤温度传感监测装置简称为DTS，它是由双向耦合器(BDC)、波分复用器(OWDD)、雪崩二极管(SPD)和(APD)、主放大器(AMP)、采样平均器和累加器(SP)、计算机(Computer)、驱动器(driver)、激光二极管组件(LD)和光缆所组成，其特征是双向耦合器(BDC)的一端连接光缆；双向耦合器(BDC)与波分复用器(OWDD)连接，波分复用器与雪崩二极管(APD)连接，雪崩二极管与主放大器(AMP)连接，主放大器与采样平均器和累加器(SP)连接；驱动器(driver)与激光二极管组件(LD)连接，激光二极管组件与双向耦合器(BDC)连接。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征是堤坝渗漏定位DTS的传感光缆设有两种结构，其一是传感光缆芯部是光纤(3)，光纤的外层是金属中心保护套管(4)，金属中心保护套管的外层是防水绝缘层(5)，防水绝缘层的外层是芳纶纤维(2)，芳纶纤维的外层是外保护层(1)；其二加热传感光缆，是在其一的结构中，即在芳纶纤维(2)的载体中增设1条到数条绝缘加热导电体(6)。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征是传感光缆(9)是设置在河流(10)的堤(7)一侧的排水沟(8)底边上；或设置在混凝土面板坝周边缝防渗体或垫层后面、混凝土面板(18)背面和内部；或设置在土坝心墙背水面(20)；或设置在混凝土碾压坝碾压层面(21)上。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征还在于传感光缆(9)是：平行地设置在河流(10)的堤(7)一侧的排水沟(8)底边上；平行地坦设在混凝土面板坝周边缝防渗体或垫层后面、混凝土面板内部和背面；网络式铺设在土坝心墙背水面；网络式铺设在混凝土碾压坝碾压层面上。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征还在于传感光缆(9)是埋设在面板坝的周边缝防渗体或垫层后面，该防渗体由SR填料(11)、止水片(12)、沥青砂浆垫层(13)、PVC塑料片(14)、浸沥青松木板(15)等所构成，垫层(13)上面或下面埋设光缆。

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