复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统及监测方法与流程

本发明涉及一种复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统及监测方法，属于水工程健康监测领域。

背景技术：
水工程是一项规模庞大，结构复杂、外部荷载多变的系统工程，传统的研究多基于经典的数学和力学理论发展得到，多以定性、静态的角度分析堤防结构的安全特性，忽视了内部参数的变异性及动态性对工程结构本身的长效性影响，渗透破坏是影响水工建筑物安全的极为重要的因素之一，为能及时掌控水工结构物的渗流性态，需要在结构物内布置各种类型的传感器件。而对于传统的传感装置而言，其经常会出现抗电磁干扰能力差、易受到潮湿环境影响、使用寿命短、单点单物理量监测、引线过多、极其容易出现测值漂移等影响监测效果的问题，因此，需要研发先进、实用的监测技术及设备，随着当前人们安全意识及监测技术的不断提升，衍生了一批有代表性的方法：超声波检测法、声学方法、磁粉法、探地雷达、示踪剂法等多种技术，但是该类新方法对水工程的渗流监测效果不大，需要对旧技术进行改进并探索新技术，分布式光纤监测技术是当前较为成熟的监测手段，具有抗电磁干扰能力强、不易受到外部环境影响、使用寿命长、可实现分布式多参量监测、不容易出现测值漂移、价格低廉、布设方便等优点，因此，基于传感光纤技术在水工程的应用研究意义极为重大，但是分布式光纤监测技术在水工程渗流监测方面的实用性较差，不能直接将其应用到水工程渗流监测领域中，需要对其进行改进与创新，提出与构建出一种可以真正实用化的基于分布式光纤技术的渗流监测用传感系统。

技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统及监测方法，具有布设便捷、分布式监测、同步运行、流程化、高效性特点，其成本低廉、操作简单、效果极佳，可以实现全时域待测结构体的自动化信息采集，成系列化、一体化的监测技术在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有突出优势。技术方案：为实现上述目的，本发明的复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统，包括渗流性状时空监控装置和传感光纤测渗增敏装置；所述渗流性状时空监控装置包括竖承力载纤柱、外缘通管和传感光纤，所述竖承力载纤柱两边分别设有左承力横梁和右承力横梁，所述外缘通管套在竖承力载纤柱上，竖承力载纤柱顶端设有第二过渡圆端，底端设有元件承载体，左承力横梁和右承力横梁两端分布设有第一过渡圆端和第三过渡圆端，在左承力横梁和右承力横梁下方均设有弹性装置，第二过渡圆端上方设有集纤盒，集纤盒内的传感光纤穿过外缘通管与含有测温装置的元件承载体连接，然后以S型布设在竖承力载纤柱内，然后依次绕过第二过渡圆端、第一过渡圆端后穿过左承力横梁和右承力横梁下方的弹性装置，从第三过渡圆端引出；所述传感光纤测渗增敏装置包括中控模块、外层模块、端口模块，所述中控模块两侧均设有外层模块和端口模块，外层模块位于中控模块和端口模块之间；所述中控模块包括通管把柄、上贯通管、注胶通管和下贯通管，所述通管把柄的一端与注胶通管相连接，注胶通管嵌入在上贯通管和下贯通管中，传感光纤位于上贯通管和下贯通管之间；所述外层模块包括内超硬层、内隔热层、外传热层、内导热增强层、外硬质层、外隔温增强层，所述内超硬层的内侧与内隔热层的外侧相连，所述内超硬层紧邻内导热增强层，所述内导热增强层的外侧与外传热层的内层相连接，内导热增强层紧邻外隔温增强层，所述外隔温增强层的外侧与外硬质层的内侧相连接，外隔温增强层紧邻固纤端，传感光纤依次穿过内隔热层、内导热增强层和外隔温增强层；所述端口模块包括上注胶管、圆球形的固纤端、容固管、下注胶管；所述固纤端上端侧固定有上注胶管，固纤端的中间位置固定有容固管，固纤端的下端侧固定有下注胶管，传感光纤穿过容固管。作为优选，所述传感光纤为渗流性态监测用传感光缆，包括外圆模块、中层模块和内芯模块，中层模块位于外圆模块与内芯模块之间；所述内芯模块包含第四传感光纤和三角内支架，所述第四传感光纤外包裹有硬质保护层，硬质保护层外设有隔热保护层，在隔热保护层外设有三角内支架，第四传感光纤位于三角内支架的中心位置；所述中层模块包含第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤和外圆弧填充层，所述第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤位于三角内支架与外圆模块之间，在三角内支架与外圆模块之间填充有外圆弧填充层用于固定第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤；所述外圆模块为圆环状，包含不少于两组的隔渗增强段和增渗加强段，所述隔渗增强段和增渗加强段交替分布，隔渗增强段和增渗加强段包裹第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤。作为优选，所述弹性装置包括一个第一弹性伸缩件和若干个并排分布的第二弹性伸缩件，所述第一弹性伸缩件包含第一弹力管、第一伸缩弹簧、第一载纤连轴和与第一载纤连轴连接的第一载纤圆环，第一伸缩弹簧位于第一弹力管内，第一载纤连轴与第一伸缩弹簧连接；第二弹性伸缩件包含第二弹力管、第二伸缩弹簧、第二载纤连轴和与第二载纤连轴连接的第二载纤圆环，所述第二伸缩弹簧位于第二弹力管内，第二载纤连轴与第二伸缩弹簧连接，传感光纤依次穿过第一载纤圆环和第二载纤圆环。作为优选，所述第二弹性伸缩件有四个，传感光纤依次穿过左承力横梁下方的第一载纤圆环、左承力横梁下方的四个第二载纤圆环、右承力横梁下方的四个第二载纤圆环、右承力横梁下方的第一载纤圆环，传感光纤呈S型分布。作为优选，所述中控模块的两侧对称设有外层模块和端口模块，所述容固管的端部设有过渡轮，传感光纤绕过过渡轮后与增重垂直拉快连接。作为优选，所述硬质保护层为三个内硬质四边层，内硬质四边层为一个内角为60°的平行四边形，第四传感光纤位于三个内硬质四边层交界处的中心位置，三角内支架为等边三角形。作为优选，所述隔热保护层包含三组防渗三角层和隔热三角层，每组防渗三角层和隔热三角层位于三角内支架的一个角，每组防渗三角层和隔热三角层关于三角内支架的角平分线对称分布，防渗三角层和隔热三角层与内硬质四边层无缝衔接。一种上述的复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统的监测方法，包括以下步骤：第一步，基于实际工程监测的需要，备制一根普通传感光纤，确定传感光纤需要增敏的长度，将传感光纤中需要增敏段的首端固定上增重垂拉块，末端固定上另一增重垂拉块，通过固纤端中的上注胶管和下注胶管将胶水注入到容固管中，打开上下端的通管把柄，让胶水从上下侧的注胶通管同时流出，且不断的将胶水挤压到两侧的内隔热层、内导热增强层、外隔温增强层中与传感光纤相接触的位置，使得内隔热层、内导热增强层、外隔温增强层与传感光纤密切咬合，且将处于注胶通管处的传感光纤一起进行胶水封装和密合；第二步，另配备长度与出厂参数相同而紧套护层颜色不同的四根普通传感光纤，依次构建外圆模块、中层模块和内芯模块，然后按照由内到外的顺序依次将内芯模块、中层模块和外圆模块进行装配，记录不同方向上的普通传感光纤外的紧套护层颜色与其对应的方向，通过对三角内支架进行加热，待渗流性态监测用传感光缆温度达到一定数值后，停止加热，观测第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤温度降低程度，进而确定不同方向上监测精度；第三步，将传感光纤以S形的形式盘旋布设在四个平行分布的第二载纤圆环中的第二载纤连轴上；后将传感光纤以同样的S形布设在右承力横梁上的第一载纤圆环上的第一载纤连轴和第二载纤圆环上的第二载纤连轴，选择好待测结构体的支点，通过左承力横梁和右承力横梁将堤坝渗流性状时空监控装置放置于待测结构体上，过右承力横梁侧的第一过渡圆端将传感光纤串联到下一个堤坝渗流性状时空监控装置中，直到待监测区域布置了满足要求的堤坝渗流性状时空监控装置，按照同样的路径将经过传感光纤测渗增敏装置处理的传感光纤布设在待测结构体内，同步进行监测与比对分析；第四步，当渗流水体通过该待测区域时，堤坝渗流性状时空监控装置中经过增敏处理后的传感光纤的光信息将会发生不断地变化，与此同时，不均匀分布的渗流水体会从不同方向将到达渗流性态监测用传感光缆周围，通过至少两组隔渗增强段和增渗加强段联合协同作用，第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤将从不同方向上快速地监测到渗流水体所带来的温度变化，将堤坝渗流性状时空监控装置中经过增敏处理的传感光纤与渗流性态监测用传感光缆的光信息变化按照布设路线进行绘制，且绘制不同时刻的曲线，通过比对各个曲线，进行渗流性态综合辨识与分析。有益效果：本发明的复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统，其结构完整，流程化和自动化强，融合构建了内嵌渗流性状时空监控装置、传感光纤测渗增敏装置和渗流性态监测用传感光缆三大装置的渗流监测系统，从基础传感光纤的研发到普通传感光纤的二次加工再到传感光纤载体的研制等系列化的产品与技术被提出，可实现时间与空间上横向与纵向的定量与定性评估，具有智能化、数字化、集成化和小型化优势，可实现多方向多精度梯度渗流特性辨识，极大地保证了该技术在实际工程中的应用和推广能力。附图说明图1为本发明的组成图；图2为渗流性状时空监控装置的结构图；图3为图2的俯视图；图4为本发明中装配模块的细部结构示意图；图5为渗流性态监测用传感光缆的结构图；图6为传感光纤测渗增敏装置的结构图；图7为内超硬层和内隔热层的细部结构图；图8为外层模块中外硬质层和外隔温增强层的细部结构图；图9为控模块中注胶通管和上贯通管的细部结构图。其中：100-竖连轴；101-外紧固环；102-左承力横梁；103-第一伸缩弹簧；104-第一弹力管；105-第一载纤连轴；106-第一载纤圆环；107-第二载纤连轴；108-第二载纤圆环；109-第二伸缩弹簧；110-第二弹力管；111-第一过渡圆端；112-圆塞体；113-上下螺栓；114-第二过渡圆端；115-集纤盒；116-传感光纤；117-外缘通管；118-尖突底端；119-元件承载体；120-竖承力载纤柱；121-右承力横梁；200-第一隔渗增强段、201-第一传感光纤、202-第三增渗加强段、203-内硬质四边层、204-第四传感光纤、205-防渗三角层、206-第三隔渗增强段、207-隔热三角层、208-第二增渗加强段、209-外圆弧填充层、210-第三传感光纤、211-第二隔渗增强段、212-第二传感光纤、213-第一增渗加强段、214-三角内支架；300-第一增重垂拉块，301-末端过渡轮，302-第一容固管，303-第一固纤端，304-上注胶管，305-下注胶管，306-外硬质层，307-外隔温增强层，308-外传热层，309-内导热增强层，311-内隔热层，312-内超硬层，313-上贯通管，314-下贯通管，315-通管把柄，316-注胶护板，317-注胶通管，318-通管底护座，319-第二固纤端，320-第二容固管，321-首端过渡轮，322-第二增重垂拉块。具体实施方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1至图9所示，本实施例选择水工程中黄河某堤防段作为渗流待监测区域，通过监测布设要求，该区域一共需要堤坝渗流性状时空监控装置的个数为5个，需要铺设GYTA53+33型传感光纤大约为200m，需要铺设渗流性态监测用传感光缆大约需要210m，将渗流性态监测用传感光缆布设在渗流性状时空监控装置中，且连同传感光纤测渗增敏装置一起布设在该堤防待监测区域中。本实例中，渗流性状时空监控装置包括横向载连模块、竖向框体模块、装配模块，其中，横向载连模块内装配有长度为50cm的左承力横梁102和长度为50cm的右承力横梁121，且在宽度为10cm的左承力横梁102和宽度为10cm的右承力横梁121下底端均布设有直径为2cm的第一弹力管104和直径为2cm的第二弹力管110，直径为3cm的第一过渡圆端111被安装在左承力横梁102和右承力横梁121两外缘端；长度为10cm的第一伸缩弹簧103和长度为10cm的第二伸缩弹簧109被安装在第一弹力管104和第二弹力管110内，第一弹力管104下底端连接有直径为4cm的第一载纤圆环106，直径为4cm的第一载纤圆环106内配置有直径为2cm的第一载纤连轴105，直径为4cm的第二载纤圆环108内配置有直径为2cm的第二载纤连轴107，竖向框体模块内含有长度为100cm的竖承力载纤柱120和长度为100cm的外缘通管117，采用渗流性态监测用传感光缆通过集纤盒115被引至长度为100cm的外缘通管117中，渗流性态监测用传感光缆经过外缘通管117底端的尖突底端118，被引至尖突底端118内的元件承载体119中，且该处元件承载体119主要放置了一个迷你型的光纤测温装置，渗流性态监测用传感光缆后通过尖突底端118上端的竖承力载纤柱120后被引至第二过渡圆端114，最后渗流性态监测用传感光缆经过直径为3cm的第二过渡圆端114被引至到横向载连模块中，渗流性态监测用传感光缆以S形的布置形式通过直径为4cm的第一载纤圆环106的第一载纤连轴105和直径为4cm的第二载纤圆环108的第二载纤连轴107，渗流性态监测用传感光缆以竖向S型布设形式通过长度为100cm的竖承力载纤柱120，宽度为10cm的左承力横梁102和宽度为10cm的右承力横梁121与长度为100cm的竖承力载纤柱120垂直衔接，左承力横梁102和右承力横梁121中的横向S型渗流性态监测用传感光缆布设与长度为100cm的竖承力载纤柱120纵向S型传感光纤布设形式构成双向双S形布设结构，形成了横向与纵向交错布设的形式，元件承载体119内的渗流性态监测用传感光缆是固定不动的，其将作为位置标记处及渗流性态监测用传感光缆的标定用位置。装配模块中竖连轴100通过上下两层布设的上下螺栓113与圆塞体112相连接，圆塞体112外缘与外紧固环101内缘相接触，装配模块通过外紧固环101与横向载连模块相连接。本实例中，传感光纤测渗增敏装置包括中控模块、外层模块、端口模块；直径为5cm的通管把柄315与直径为2cm、高度为8cm的注胶通管317相连接，直径为5cm、高度为10cm的上贯通管313注胶通管317相连接，在直径为5cm、高度为10cm的上贯通管313和直径为5cm、高度为10cm的下贯通管314的顶端布设有直径为5cm、高度为1cm的注胶护板316，直径为2cm、高度为8cm的注胶通管317的底端布设有高度为2cm的三角锥形的通管底护座318，材质为超高分子量聚乙烯纤维的内超硬层312的内侧与PET材质的内隔热层311的外侧相连，材质为超高分子量聚乙烯纤维的内超硬层312紧邻PBT导热材料材质的内导热增强层309，PBT导热材料材质的内导热增强层309的外侧与外传热层308的内层相连接，PBT导热材料材质的内导热增强层309紧邻玻纤增强30％PET材质的外隔温增强层307，外隔温增强层307的外侧与外硬质层306的内侧相连接，外隔温增强层307紧邻直径为4cm、圆球外形的第一固纤端303，直径为4cm、圆球外形的第一固纤端303和直径为4cm、圆球外形的第二固纤端319的上端侧固定有直径为2cm、高度为1.5cm的上注胶管304，第一固纤端303和第二固纤端319的中间位置固定有长度为4cm、直径为1cm的第一容固管302，第一固纤端303和第二固纤端319的下端侧固定有直径为2cm、高度为1.5cm的下注胶管305，第一固纤端303紧接末端过渡轮301，末端过渡轮301紧接外形为长方体、重量为0.5kg的第一增重垂拉块300，第二固纤端319紧接首端过渡轮321，首端过渡轮321紧接第二增重垂拉块322。转动直径为3cm的通管把柄315可以控制直径为2cm、高度为8cm的注胶通管317中的KJ-770硅胶粘合处理剂流量，直径为5cm、高度为1cm的注胶护板316可以保护直径为2cm、高度为8cm的注胶通管317顶端出口免受外界干扰；通过直径为2cm、高度为1.5cm的上注胶管304将KJ-770硅胶粘合处理剂注入到长度为4cm、直径为1cm的第一容固管302和第二容固管320的上半截面处，后待第一容固管302和第二容固管320的上半截面处的KJ-770硅胶粘合处理剂凝固后，再通过直径为2cm、高度为1.5cm的下注胶管305将KJ-770硅胶粘合处理剂注入到第一容固管302和第二容固管320的下半截面侧；经过外形为长方体、重量为0.5kg的第二增重垂拉块322将首端处的传感光纤拉直，后通过外形为长方体、重量为0.5kg的第一增重垂拉块300将整个的GYTA53+33型传感光纤拉直，使得GYTA53+33型传感光纤具有一定的预应力。本实例中，渗流性态监测用传感光缆包括外圆模块、中层模块、内芯模块；外弧长为π/3、内弧长为π4/15的第一隔渗增强段200通过外弧长为π2/15、内弧长为π/15的第一增渗加强段213与外弧长为π/3、内弧长为π4/15的第二隔渗增强段211相连接，第二隔渗增强段211与外弧长为π/3、内弧长为π4/15的第三隔渗增强段206之间通过外弧长为π2/15、内弧长为π/15的第二增渗加强段208相连接，第三隔渗增强段206通过外弧长π2/15、内弧长为π/15的第三增渗加强段202与第一隔渗增强段200相连接，第一传感光纤201、第二传感光纤212和第三传感光纤210通过材质为超高分子量聚乙烯纤维的外圆弧填充层209实现彼此之间的衔接，金属结构的三角内支架214内缘接顶角为30°的防渗三角层205，防渗三角层205紧接顶角为30°的隔热三角层207，防渗三角层205与隔热三角层207交互使用，起到对第四传感光纤204的防渗与阻热作用，防渗三角层205和隔热三角层207内缘与顶角分别为60°和120°的内硬质四边层203相接触，内硬质四边层203主要起到缓冲外部荷载作用，在内硬质四边层203所包围的中心位置处安装有第四传感光纤204，通过对金属结构的三角内支架214进行加热，实现人工升温降温。一种复杂环境下水工程渗流性态一体化监测系统的具体的运行步骤如下：第一步，备制一根GYTA53+33型传感光纤，依据需要布设的长度为200m及5个区域需要进行增敏处理，将第一个需要增敏的区段的首端通过直径为0.5cm的首端过渡轮321、长度为4cm、直径为1cm的第二容固管320、长度为4cm、直径为1cm的第一容固管302、直径为0.5cm的末端过渡轮301，在GYTA53+33型传感光纤310的两端固定重量为0.5kg的第二增重垂拉块322和重量为0.5kg的第一增重垂拉块300，可以实现单端口5KN的荷载预拉伸力，通过第一固纤端303和第二固纤端319中的上注胶管304和下注胶管305将快干胶水注入到第一容固管302和第二容固管320中，待快干胶水凝固之后，打开上下端的通管把柄315，让KJ-770硅胶粘合处理剂从上下侧的注胶通管317同时流出，且不断地将KJ-770硅胶粘合处理剂挤压到两侧的内隔热层311、内导热增强层309、外隔温增强层307中与传感光纤310相接触的缝隙中，封装内隔热层311、内导热增强层309、外隔温增强层307处的传感光纤310，静置一段时间之后，再对剩余的4段需要增敏处进行同样的上述处理；第二步，配置四根等长度的紧套护层颜色为蓝、白、黄、红的普通传感光纤，依次对应第一传感光纤201、第二传感光纤212、第三传感光纤210、第四传感光纤204，使用交流电连接金属材质的三角内支架214，并对三角内支架214进行加热，待渗流性态监测用传感光缆被加热到一定程度后，停止对三角内支架214进行加热，然后等待半个小时后，观测第一传感光纤201、第二传感光纤212和第三传感光纤210温度降低程度，确定不同方向上监测精度梯度，最终完成渗流性态监测用传感光缆的装配与调试；第三步，将渗流性态监测用传感光缆以S形的形式盘旋布设在四个平行分布的第二载纤圆环108中的第二载纤连轴107上，然后以同样的S形布设在右承力横梁121上的第一载纤圆环106上的第一载纤连轴105和第二载纤圆环108上的第二载纤连轴107，并通过左承力横梁102和右承力横梁121上的外紧固环101将堤坝渗流性状时空监控装置固定到该堤坝的待测区的A点处，通过右承力横梁121侧的第一过渡圆端111将传感光纤串联到下一个堤坝渗流性状时空监控装置中，直到待监测区域的A、B、C、D和E点布置了满足要求的五个堤坝渗流性状时空监控装置；第四步，按照待监测区域的布设设计，将经过增敏处理的GYTA53+33型传感光纤沿着五个堤坝渗流性状时空监控装置经过的路线进行并行布设，从而实现同步监测，同步进行监测与比对分析；第五步，待以上步骤完成之后，进行初期调试，并对初始结果进行记录，当不均匀分布的渗流水体会从不同方向将到达渗流性态监测用传感光缆周围，增敏处理后的传感光纤的光信息将会发生不断地变化，与此同时，通过第一隔渗增强段200和第一增渗加强段213、第二隔渗增强段211和第二增渗加强段208、第三隔渗增强段206和第三增渗加强段202联合协同作用，第一传感光纤201、第二传感光纤212和第三传感光纤210将从不同方向上快速地监测到渗流水体所带来的温度变化，将渗流性状时空监控装置中经过增敏处理的传感光纤与渗流性态监测用传感光缆的光信息变化按照布设路线进行绘制，通过与初始监测进行去初值处理及与第四传感光纤204进行比对分析后，绘制不同时刻的曲线，通过比对各曲线，进行渗流性态综合辨识与分析。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。