一种土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置及方法与流程

本发明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领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

作为本发明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。

作为本发明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。

作为本发明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。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明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、本发明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；采用本发明装置，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是本发明土石堤坝渗流浸润面光纤监测装置的结构示意图。

图2是本发明装置中布型架的结构示意图。

图3是本发明光纤温度稳定时刻沿程分布曲线图。

图4是本发明浸润线所在处光纤长度L计算说明示意图。

图5是本发明堤防浸润线位置H示意图。

图6是本发明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

下面详细描述本发明的实施方式，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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

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纤测点(也即图3中的B测点)，如图4所示。设DTS系统的空间分辨率为k，光纤上离B点k/2距离且处于浸润线下侧的位置点为E，OE长为x，D点为离B点k/2距离且处于浸润线上侧的位置点(如图4所示)，则DE段光纤温度的平均值即为B测点的温度测值。若DO段光纤上各点温度为T₁、OE段为T₂、B点温度测值为T₃，则存在如下关系式：

即

设O点的光纤长度为L，测点B处的光纤长度为l，则从图4中可以得出L、l与x之间的关系式：

$L=(l-\frac{k}{2})+x$

即

考虑到光纤DTS系统的空间分辨率以及光纤弯曲角度的限制，将光纤设置成“∽”形布置于布型架(即图1所示)，图2为布型架。当布型架的d、l₁、l₂确定后，框架l方向任意位置H与光纤长度L的关系将唯一确定。若将图1布型光纤平铺与堤坝某一高程(框架l方向为上下游方向)，为了确定该高程浸润线位置H(如图5所示)，可先利用光纤新布型对n组水深H水面所在处光纤长度L进行测量，以模拟浸润线测定，这样就能获得n组(H，L)观测值，分析H～L之间的关系，即可得出光纤新布型定位相应高程浸润线的关系式H(L)。即

H＝F(d,l₁,l₂,L) (2)

其中，d、l₁、l₂分别为光纤布型尺寸，

通过在不同高程平铺如图1所示的布型光纤，即可得相应高程浸润线位置，同时由于饱和区与毛细管非饱和区渗流速度的不同，光纤在饱和区与非饱和区的温度变化也会明显不同，因此本发明方法可以监测堤坝渗流的饱和区与非饱和区。

如图6所示，本发明的实施过程如下：

(1)首先根据堤坝坝体断面宽度d和需要监测轴向长度l，制作合适长度的光纤布型架4，然后在光纤布型架4上按设定的尺寸进行标记，将标记好的框架预埋在堤坝监测高程，将多模光纤按标记进行缠绕构成传感单元，类似可在堤坝不同高层埋设传感单元，形成堤坝渗流浸润线(面)监测光纤网络，铺展并完全覆盖在所要监测的坝面上。

(2)通过加热方法对铠装光纤3的金属铠进行加热。

(3)将铠装光纤3接入DTS 1对布设于光纤布型架4中的铠装光纤3进行温度监测。

(4)根据DTS 1对温度场进行实时测量，观察实测堤坝上各高程布型光纤的温度分布是否出现明显突变，若有突变点则该高程部位光纤温度T₁、T₂、T₃(如图3)可以由DTS测读获得，通过式(1)和式(2)即可计算得到该高程渗流浸润线(面)位置点。不同高程的渗流浸润线(面)位置点相连，即为监测到的堤坝渗流浸润线(面)。

该监测方法主要利用了光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处空间各点的场调制了光纤中的背向散射的强度，经过波分复用器和光电监测器采集了带有温度信号的背向拉曼散射光电信号，再经过信号处理系统解调后，将温度信息实时从噪声中提取。

DTS可以对光纤所处部位的温度场进行实时测量，并利用光时域反射技术(OTDR)可以对测量点进行精确定位。正常情况下，当光纤所处部位没有出现渗漏时，光纤周围的温度场处于相对稳定的状态；当光纤监测的某个部位出现渗漏时，原有的温度场将改变，DTS系统实测该部位的温度分布将出现突变现象。这样，就可以依据分布式光纤布型实测堤坝温度场出现突变的地点和时间来判断堤坝渗流浸润面位置及其变化，这就是基于分布式光纤拉曼散射的渗流浸润面定位的原理。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。