涉水结构物渗漏无热源光纤定位定向系统及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种涉水结构隐患的定位和定向，具体涉及一种涉水结构物渗漏无热 源光纤定位定向系统及监测方法。
【背景技术】
[0002] 渗流是影响水工、海工以及地下工程等中涉水结构物安全长效服役的重要因素和 突出病害，尤其对于土石坝、堤防等土石结构物，大量破坏甚至失事是由于程度不同的渗漏 及渗漏衍生的各种问题所致，据统计，我国堤防溃决90%以上、土石坝工程中超过三分之一 破坏缘于渗漏。研发先进实用的渗漏定位与定向仪器、装置和辨识方法，可靠探测涉水结构 物内渗漏发生的位置、范围、方向以及大小，及时采取有效的防渗抗渗措施，对保障工程安 全具有极其重要的意义。
[0003] 目前对于涉水结构物渗漏定位与定向监测，多借助点式渗流传感器，但由于测点 有限，常出现漏检情况，且传统渗流传感器多存在体积大、引线多、亲和性差等不足。随着分 布式光纤传感监测技术的发展，研发可用于涉水结构物渗漏位置和方向的分布式光纤辨识 装置及方法，日益引起工程界和科技工作者的关注与投入。但国内外已有的分布式光纤测 渗技术，多需借助外设热源对待测光纤给予加热，若在加热中发生外包装层破损或者漏电 等情况，将对操作人员的人身安全造成威胁，且影响监测结果；另外，在涉水结构物服役环 境中，外设电流加热系统常难于保证，极大阻碍了该技术在实际工程中的应用和推广。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种涉水结构物渗漏无 热源光纤定位定向系统及监测方法，具有无需加热、分布式、多向性、同步性等特点，在降低 监测成本、提升监测精度及工程实用化等方面具有突出优势。
[0005] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种涉水结构物渗漏无热源光纤定位 定向系统，包括若干个通过旋转支架连接的渗流监测装置，所述渗流监测装置包含前后对 称分布的第一渗流监测单元和左右对称分布的第二渗流监测单元；
[0006] 所述第一渗流监测单元包含固定监测光纤单元的第一载纤凹道，第一载纤凹道外 设有载纤护层，第一载纤凹道两端分别设有左载纤端和右载纤端，左载纤端通过左连柄与 左连球连接，右载纤端通过右连柄与右连球连接，左连球和右连球铰接在横梁支架两端，横 梁支架向左右两侧延伸有左销轴和右销轴；
[0007] 所述第二渗流监测单元包含固定监测光纤单元的第二载纤凹道，第二载纤凹道的 两端分别设有上载纤弧端和下载纤弧端，上载纤弧端通过上弧形连柄与上连轴球连接，下 载纤弧端通过下弧形连柄与下连轴球连接，上连轴球和下连轴球铰接在山形端梁的两端， 山形端梁上延伸有山形凸柱，山形凸柱内设有与左销轴和右销轴配合的圆锥孔；
[0008] 所述旋转支架包含第一支撑架构柱和第二支撑架构柱，所述第一支撑架构柱一端 与横梁支架连接，另一端与底圆转台连接，底圆转台上安装有上圆转台，第二支撑架构柱一 端与另一个渗流监测装置的横梁支架连接，另一端插入到上圆转台中，底圆转台和上圆转 台中心安装有通底竖梁，第一支撑架构柱和第二支撑架构柱可分别绕通底竖梁转动，通底 竖梁上下端设有转台圆槽用于将通底竖梁封闭。
[0009] 作为优选，所述横梁支架包含上水平横梁和与上水平横梁连接的下水平横梁，上 水平横梁和下水平横梁的两端分别延伸左架构梁和右架构梁，上水平横梁和下水平横梁的 左架构梁和右架构梁分别与左连球和右连球铰接，上水平横梁和下水平横梁的中部分别设 有上端槽和下端槽，上端槽与第一支撑架构柱连接，下端槽与另一个旋转支架的第一支撑 架构柱连接。
[0010] 作为优选，所述上水平横梁设有T型状横梁卡槽，下水平横梁设有沿T型状横梁卡 槽运动的横梁凸台。
[0011] 作为优选，所述监测光纤单元包含一根渗流测量光纤和两根标定光纤，两根标定 光纤位于渗流测量光纤的两侧，渗流测量光纤外套有硬质钢圈，标定光纤从内到外依次套 有绝热隔层和硬质护层，渗流测量光纤外设有依次连接的上凹边内层、左凸边内层、下凹边 内层和右凸边内层，上凹边内层外依次设有上凹边中层和上凹边外层，左凸边内层外依次 设有左凸边中层和左凸边外层，下凹边内层外依次设有下凹边中层和下凹边外层，右凸边 内层外依次设有右凸边中层和右凸边外层。凹形结构的最底端将极容易汇集周边区域可能 的渗流水体，放大了小渗流的作用效果，与最底端的渗析棒配套使用，大大提高了对微弱渗 漏或初期渗漏的辨识能力，该弧形截面结构将最大程度地扩大渗流区域渗流水体在渗流测 量光纤上的停留时间及接触面积，对于待测区渗流位置的定位具有较高的精度保证作用； 除此之外，上凹边外层具有防渗、防腐性能，且设计了与其截面形状类似的上凹边中层与上 凹边内层紧接，三层凹状设计结构提高了本渗流监测专用光缆的强度及韧性，可起到保护 内部结构及延长使用寿命等效果。其中硬质护层在绝热隔层的外部，绝热隔层内侧与标定 光纤接触，在渗流水体作用到待测区域时，在绝热隔层的作用下标定光线处于与外界无任 何热量接触的状态，其将作为参考标定用光纤，对称分布布置的另一个标定光纤可以对参 考标定用光纤的结果进行二次校正，其将最大程度地确保参考标准的客观准确性。左凸边 外层和右凸边外层与凹边外层相反的凸边结构，该相反的对应设计大大增加了渗流专用光 缆的截面积，提高了监测装置与待测结构体之间更密实的接触与连接，增强了监测装置与 待测结构体的协同性，且将其布置成左右各三层结构，作用之一是为了增加标定光纤处的 隔层厚度，且材料强度及韧性由内到外不断增加，不但提高了其内部与标定光纤的柔性过 渡连接，还增加了抵抗外部的较大渗流水压力的作用，左凸边外层和右凸边外层具有抗腐 蚀性能，提高了其与渗流水体长期共存的能力，在可能掺杂腐蚀性离子的复杂环境下，其渗 流监测具有较好功效。
[0012] 作为优选，所述渗流测量光纤两边分别与上渗析棒和下渗析棒连接，上渗析棒依 次穿过硬质钢圈、上凹边内层、上凹边中层和上凹边外层与外界渗漏水流相接触，下渗析棒 依次穿过硬质钢圈、下凹边内层、下凹边中层和下凹边外层与外界渗漏水流相接触。
[0013] 作为优选，所述监测光纤单元外安装有外圆护壁，所述外圆护壁包含左上外圆护 壁、左下外圆护壁、右上外圆护壁和右下外圆护壁，左上外圆护壁、左下外圆护壁、右上外圆 护壁和右下外圆护壁形成了凹凸型载纤腔，监测光纤单元位于凹凸型载纤腔内，左上外圆 护壁和右上外圆护壁之间通过上载纤扣锁紧，左下外圆护壁和右下外圆护壁通过下载纤扣 锁紧，左上外圆护壁和左下外圆护壁分别绕左圆转环转动，右上外圆护壁和右下外圆护壁 分别绕右圆转环转动。外圆护壁的近似圆形截面将凹凸设计的监测光纤单元中凹处部分进 行二次补充，将布置于内部的渗流专用光缆组成一个外截面近似圆形的结构，弥补了其独 特结构所带来的生产、运输及布设中存在的可能弊端；外圆护壁可以绕着左圆转环和右圆 转环开启，外圆护壁内部的凹凸型载纤腔可以将本发明的渗流专用光缆精密地嵌入到凹凸 型载纤腔内，外圆护壁顶部和底端的上载纤扣与下载纤扣将外圆护壁牢固闭合，防止外圆 护壁松动或者外界人为等其他因素的干扰；且外圆护壁与凹凸型载纤腔之间是空腔设计， 为可能的使用操作预留了空间。
[0014] 在本发明中，第一支撑架构柱与上水平横梁中的上端槽或者下水平横梁的下端槽 连接，第一支撑架构柱另一端与底圆转台相连，下旋转螺纹端与底转台螺槽相连之后，其一 端的渗流监测装置可以围绕着通底竖梁进行与另一端渗流监测装置无抵触的360°无死角 自由转动，上旋转螺纹端的一端与其对应侧的支撑架构柱相连，上旋转螺纹端的另一端与 上转台螺槽相连，其可以带动通过对应侧链接螺纹端相连接的渗流监测装置绕着通底竖梁 在另一侧做无干扰360°自由转动；上圆转台与底圆转台上下错动布置可以实现临近装置 互不干扰的运转，可以对不同待测区域进行任意角度及坡度布置，上下转台圆槽的布置结 构将上圆转台与底圆转台牢固的固定于通底竖梁处。
[0015] 作为优选，所述第二载纤凹道内表面安装有渗漏网筛，渗漏网筛的表面为蜂窝状。
[0016] 作为优选，所述左销轴和右销轴上均设有一圈圆弧凹槽，山形凸柱上表面上设有 销孔，销孔内插入销，通过销插入圆弧凹槽固定左销轴和右销轴。
[0017] -种涉水结构物渗漏无热源光纤定位定向系统的监测方法，包括以下步骤：
[0018] 第一步，准备普通单模裸光纤数根，基于第一渗流监测单元和第二渗流监测单元 结构，配备制作成数根定长度的监测光纤单元；
[0019] 第二步，绕着左圆转环和右圆转环将左上外圆护壁、左下外圆护壁、右上外圆护壁 和右下外圆护壁打开，将监测光纤单元安置到凹凸型载纤腔内，然后旋动左圆转环和右圆 转环将左上外圆护壁、左下外圆护壁、右上外圆护壁和右下外圆护壁合拢，利用上载纤扣和 下载纤扣将两端分布的左上外圆护壁、左下外圆护壁、右上外圆护壁和右下外圆护壁扣合， 后将监测光纤单元缠绕到监测光纤单元滚轮上，运输至渗流待监测部位；
[0020] 第三步，调节上水平横梁上的横梁卡槽，将下水平横梁中的横梁凸槽沿着横梁卡 槽直线滑动，最后将上水平横梁与下水平横梁旋在一起平行布置，后拧动左侧的上下对称 分布的左销轴，将其插入在左侧山形凸柱中的圆锥孔，然后将销插入销孔中固定左销轴，同 样方法，拧