一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法，装置包括DTS、光纤传感单元和光纤加热单元，光纤传感单元与DTS连接，光纤加热单元与光纤传感单元连接；光纤传感单元包括铠装光纤、光纤布型架，光纤布型架为长方形框架，该长方形框架的宽d为土石堤坝坝体需要监测的轴向长度，长l为土石堤坝坝体的断面宽度，长方形框架的两条长边均标记有n个点。该方法通过采集和分析激光脉冲从线性多模感温光纤的注入端注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，根据温度突变点得到渗流浸润面位置点。本发明专利技术具有操作简便、可长期使用、耐久性可靠性高、对浸润面定位准确、监测精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法，具体涉及一种使用分布式光纤与布型架形成光纤传感单元的土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法，属于土石堤坝渗流浸润面监测

技术介绍
土石堤坝起挡水作用，其安全状态关系到下游人民的生命财产安全和国民经济发展。土石堤坝渗流工作状态对堤坝的安全运行至关重要，渗流浸润面高低和形状直接反映堤坝渗流安全，一旦堤坝出现超设计的渗流浸润面现象，会导致堤坝边坡失稳垮塌和渗透变形，直至堤坝溃决，后果十分严重。因此对于土石堤坝的渗流浸润面进行监测对堤坝的安全运行有重要意义。现在用于土石堤坝的渗流浸润面监测方法，主要采用渗压计或测压管进行观测。由于渗压测点和渗压等势线的关系，采用渗压计或测压管常常难以监测到堤坝实际渗流浸润面(线)，也无法进行分布式观测，不能实现非饱和的渗流监测，只能对于堤坝整体的渗流情况有大致的掌握，这不利于堤坝的安全正常运行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法，具有操作简便、可长期使用、耐久性可靠性高、对浸润面定位准确、监测精度高的优点。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置，包括DTS、光纤传感单元和光纤加热单元，光纤传感单元与DTS连接，光纤加热单元与光纤传感单元连接；所述光纤传感单元包括铠装光纤、光纤布型架，所述光纤布型架为长方形框架，该长方形框架的宽为土石堤坝坝体需要监测的轴向长度，长为土石堤坝坝体的断面宽度，长方形框架的两条长边均标记有n个点，且其中一条长边的第i个点为奇数时，将该点的序号标记为2i，第i个点为偶数时，将该点的序号标记为2i-1，第一个点为该边的端点，相邻两个点之间的间距为l1、l2交替；另一条长边的第i个点为奇数时，将该点的序号标记为2i-1，第i个点为偶数时，将该点的序号标记为2i，第一个点距该边端点的距离为l2，相邻两个点之间的间距为l2、l1交替，l1、l2的大小可预先设定，i＝1,2,…,n，铠装光纤按照标记的序号依次绕制在光纤布型架上。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述DTS包括顺次连接的激光器、光纤波分复用器、光电接收放大器和信号处理器，所述激光器与铠装光纤连接。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述光纤加热单元包括单相调压器、多功能万用表、开关，单相调压器的一端与多功能万用表的一端连接，单相调压器的另一端经开关与多功能万用表的另一端连接。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述铠装光纤为多模光纤。一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测方法，包括如下步骤：步骤1，将需要监测的土石堤坝坝体沿高程方向分为若干层，根据每层的轴向长度和断面宽度，制作对应的光纤传感单元，将光纤传感单元铺展在所要监测的土石堤坝若干选定高程的平面上，形成土石堤坝渗流浸润面监测光纤网络；步骤2，利用电热法对铠装光纤进行加热，同时，DTS对铠装光纤的温度进行实时测量，并判断布型光纤沿程温度场是否出现突变，若有突变点，则通过解算可得该高程部位的渗流浸润面位置点；步骤3，将各层的渗流浸润面位置点连接起来，得到土石堤坝渗流浸润面。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法，通过光纤加热单元连接光纤传感单元，DTS连接光纤加热单元的设置，能够精确的监测出浸润面位置，且可以测出渗流不饱和区。2、本专利技术土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法，不需要像传统监测中，通过渗透压力(测压管水位)观测推算，受测点位置、埋设工艺影响大，不易测到真实浸润面(线)，不能监测浸润面(线)以上不饱和区位置；采用本专利技术装置，由于光纤的耐腐蚀性，耐久性可靠性好，且集传感与通讯于一体，便于长距离大范围监测，较为省时省力。附图说明图1是本专利技术土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置的结构示意图。图2是本专利技术装置中布型架的结构示意图。图3是本专利技术光纤温度稳定时刻沿程分布曲线图。图4是本专利技术浸润线所在处光纤长度L计算说明示意图。图5是本专利技术堤防浸润线位置H示意图。图6是本专利技术土石堤坝渗流浸润面光纤监测方法的示意图。其中，1-DTS，2-光纤加热单元，3-铠装光纤，4-光纤布型架。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置，包括DTS 1、光纤传感单元、光纤加热单元2，光纤传感单元包括铠装光纤3和光纤布型架4。光纤加热单元2连接铠装光纤3，DTS 1连接光纤加热单元2，DTS 1用于采集和分析激光脉冲从线性多模感温光纤的注入端注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，DTS 1包括激光器、光纤波分复用器、光电接收放大器和信号处理器。铠装光纤3布置于光纤布型架4上，并在一端留出接口用于接入DTS 1，铠装光纤3为线性多模光纤，铠装光纤呈“∽”形布置于光纤布型架4上，构成光纤传感单元。如图2所示，光纤布型架4分为光纤固定支架和标记，标记主要用于形成固定的光纤“∽”布型。将光纤传感单元平铺预埋堤坝内，然后利用DTS系统根据温度的变化就可以分析出渗流浸润面的部位，光纤加热系统主要用于对光纤进行加热，光纤加热系统的加热方法采用电热法。DTS包括激光器、光纤波分复用器、光电接收放大器和信号处理器，这里激光器用于连续发出一种10纳秒的光脉冲。光纤波分复用器用于从具有不同波长的光纤背向散射信号中分离出反斯托克斯散射光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。光电接收放大器用于将光信号转换为电信号并进行放大和去噪，信号处理器用于处理采集到的电信号，由双通道高速瞬态(大于50Mh)信号采集处理卡组成。一般而言，分布式光纤温度传感系统监测渗漏主要有两种方法：梯度法和电热法。梯度法利用光纤系统直接测量结构内实际温度，不对光缆进行加热，温差越大，梯度越大，越容易判别渗漏位置。但是由于渗漏引起的温度场改变非常微弱，温差小，容易漏测。因此，为提高DTS系统的应用范围和测试精度，采用电热法，即通过专用加热方法对光纤保护层的金属铠或特制光纤中的电导体通电，对光纤加热升温，当光纤周围某处出现渗漏时，该处光纤温度上升幅度明显小于没有渗漏部位的光纤温度，从而使渗漏点获得定位，这便是分布式光纤电加热法的渗漏监测原理。具体方法如下：利用浸润线两侧光纤温度产生的明显差异，推导浸润线定位关系，需考虑光纤DTS系统的空间分辨率k的影响，即光纤任意测点的温度测值均为k长度光纤温度平均值。如图3所示，为光纤温度稳定时刻沿程分布曲线，图中浸润线以上光纤稳定温度为T1，浸润线以下光纤稳定温度为T2，倾斜过渡段中间部分测点B的稳定温度为T3，根据光纤测温原理，其应满足T2＜T3＜T1，显然测点B更靠近浸润线。设光纤在长度L处与浸润线相交，O点为浸润线与光纤的交点，B点为靠近浸润线的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置，其特征在于，包括DTS、光纤传感单元和光纤加热单元，光纤传感单元与DTS连接，光纤加热单元与光纤传感单元连接；所述光纤传感单元包括铠装光纤、光纤布型架，所述光纤布型架为长方形框架，该长方形框架的宽为土石堤坝坝体需要监测的轴向长度，长为土石堤坝坝体的断面宽度，长方形框架的两条长边均标记有n个点，且其中一条长边的第i个点为奇数时，将该点的序号标记为2i，第i个点为偶数时，将该点的序号标记为2i‑1，第一个点为该边的端点，相邻两个点之间的间距为l1、l2交替；另一条长边的第i个点为奇数时，将该点的序号标记为2i‑1，第i个点为偶数时，将该点的序号标记为2i，第一个点距该边端点的距离为l2，相邻两个点之间的间距为l2、l1交替，l1、l2的大小可预先设定，i＝1,2,…,n，铠装光纤按照标记的序号依次绕制在光纤布型架上。

【技术特征摘要】
1.一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置，其特征在于，包括DTS、光纤传感单元和光纤加热单元，光纤传感单元与DTS连接，光纤加热单元与光纤传感单元连接；所述光纤传感单元包括铠装光纤、光纤布型架，所述光纤布型架为长方形框架，该长方形框架的宽为土石堤坝坝体需要监测的轴向长度，长为土石堤坝坝体的断面宽度，长方形框架的两条长边均标记有n个点，且其中一条长边的第i个点为奇数时，将该点的序号标记为2i，第i个点为偶数时，将该点的序号标记为2i-1，第一个点为该边的端点，相邻两个点之间的间距为l1、l2交替；另一条长边的第i个点为奇数时，将该点的序号标记为2i-1，第i个点为偶数时，将该点的序号标记为2i，第一个点距该边端点的距离为l2，相邻两个点之间的间距为l2、l1交替，l1、l2的大小可预先设定，i＝1,2,…,n，铠装光纤按照标记的序号依次绕制在光纤布型架上。2.根据权利要求1所述土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置，其特征在于，所述DTS包括顺次连接的激光器、光纤波分复...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑东健，李小奇，郑诗钰，顾冲时，胡德华，俞艳玲，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32