一种渗流监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及堤坝渗流领域，具体涉及一种渗流监测装置。

背景技术：

渗流是引发许多工程事故的主要原因之一，例如由于渗流而导致的边坡滑坡问题、挡土墙、土石坝等失稳问题和水库水量的损失等问题。一般的渗流都是从小到大逐渐发展的，如果能在渗流早期对渗流进行监测，并及时采取相关的工程措施，将对减少由于渗流而引起的工程事故有重大的帮助。特别是在堤坝方面，对堤坝渗流的监测已成为堤坝安全监测的主要内容之一，因此目前急需要一种有效可行，方便实用的早期渗流监测装置。

现有的技术中已经出现众多的渗流监测装置，其中应用最广泛的就是通过对堤坝内温度的进行监测，利用渗流温差这一现象来识别堤坝中是否有渗流的出现。对于温度的监测有比较简单、价格便宜的普通温度传感器，也有效果较好、价格昂贵的光纤温度传感器。但是，总观来看，在渗流监测的具体工程应用方面，目前还存在很多的缺欠与不足：其中之一就是大多的渗流监测都是粗泛的，只能得出渗流发生位置的大致范围，很难做到渗流的精确定位，虽然近年来发展起来的分布式光纤传观器可以在一定精度内进行连续监测，但是需要布置大量的分布式光纤传感器才能达到较好的渗流定位效果，而且其费用相当之高，施工难度也很大，尤其是后期施工的难度；另外，目前的渗流监测装置都只能达到定点测量的效果，就是在起初选定的几个固定测量位置进行监测，通过在这几个固定测量位置测得的数据来分析渗流情况，这在实际应用中有一定的误差，实际微小的渗流有可能恰好位于两个测点之间而未能被监测到。

同时，现在很多渗流监测装置只是概念上的理想设计，没有考虑到具体在工程实践中可能遇到的种种问题，比如在工地如何施工安装、如何后期运维的问题等等，因此很难在工程实际应用中进行大量推广，也有很多渗流监测装置只能在堤坝施工期预埋在堤坝里，很难在工程后期进行施工，这对于现在已经建成但尚未监测渗流的大量堤坝是一个难题；而且，现在大多的渗流监测装置只能在工程中使用一次，无法重复使用，造成资源的浪费。因此目前急需要一种能达到渗流的动态监测和精确定位效果的渗流监测装置，而且方便施工，可重复利用，价格便宜。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种渗流监测装置及其监测方法，能够动态测量并可精确确定渗流发生位置，同时方便后期施工，可重复利用。

技术方案：本发明提供了一种渗流监测装置，包括渗流圆筒、设置在渗流圆筒中的移动杆、控制分析预警系统、加热器和温度传感器，所述移动杆贯穿在渗流圆筒中且在渗流圆筒内沿轴向方向往复运动，沿移动杆的长度方向上固定有若干个温度传感器，温度传感器的两侧设有加热器，所述加热器和温度传感器分别由控制分析预警系统控制并进行通讯。

进一步，所述渗流圆筒由两个可开合的半圆筒体组合而成，所述两个半圆筒体的公共边为旋转轴。

进一步，所述渗流圆筒的一端设有沿周向包覆的侧边环，侧边环将渗流圆筒固定在渗流孔洞中。

进一步，所述渗流圆筒在其轴向方向上划分为顶部设备区、渗流监测区上部和渗流监测区下部，其中渗流监测区上部和渗流监测区下部的长度皆等于移动杆的长度，渗流监测区上部和渗流监测区下部的临界处设有由控制分析预警系统控制驱动的齿轮，移动杆的侧边设有与齿轮啮合的齿条。

进一步，在所述渗流监测区上部和渗流监测区下部分别设置有扶直套，所述移动杆收容在扶直套内沿轴向移动。

进一步，所述渗流圆筒包括由外层至内层且网孔渐小的骨架网、过滤网和防砂网。

进一步，所述移动杆上等距的设有限位孔，每个限位孔对应放置一个温度传感器。

一种渗流监测装置的监测方法，控制分析预警系统驱动移动杆在渗流圆管中往复运动，同时加热器开始加热对温度场扰动进行放大，移动杆上的温度传感器在运动过程中测量各个监测区域内的温度，并将收集到的温度信号传递给控制分析预警系统，控制分析预警系统分析处理信号，发现某处位置出现渗流时发出预警信号，并将渗流的发生位置及温度信息记录下来。

进一步，由于温度测量需要有一定的接触时间，好让温度充分传递，获得更加精准的温度数据，故控制分析预警系统驱动移动杆每移动一段距离即停顿一段时间，当移动杆从渗流监测区上部的顶端移动到渗流监测区下部的底端、即移动杆每移动其自身长度距离后，控制分析预警系统驱动移动杆反向运动，同样进行移动及停顿。只要合理地控制每次移动和停顿的时间，在一定周期内，温度传感器即可在扫描至需要监测的所有区域，进而达到无死角的动态监测。

进一步，推算任一时刻任一温度传感器渗流位置的步骤包括：

假设齿轮每次转动的时间为T1，齿轮每次转动带动移动杆移动的距离为L0，每次停顿的时间为T2，移动杆的长度为L，移动杆上下往复运动一次的周期为T，每两个限位孔之间的距离为S，其中有关系：

假设初始时刻，移动杆位于渗流监测区上部II的最上端，某温度传感器所在的限位孔的编号为n#，则经过t秒后，该温度传感器距离渗流监测区上部II最上端的距离为L′：

(1)如果t≤T则

①若t≤T/2，则令S0＝(n-1)*S，n0＝[t/(T1+T2)]，t＝t-n0*(T1+T2)；

t≥T1时，则L′＝S0+(n0+1)*L0；

t＜T1时，则L′＝S0+n0*L0+t*L0/T1；

②如果T≥t＞T/2，则令S0＝L+(n-1)*S，n0＝[t/(T1+T2)]，t＝t-n0*(T1+T2)；

t≥T1时，则L′＝S0-(n0+1)*L0；

t＜T1时，则L′＝S0-(n0*L0+t*L0/T1)；

(2)如果t＞T则

令t＝t-[t/T]*T，其余同上；

其中：[]为数学中的取整符号。

有益效果：本发明渗流监测装置通过将渗流圆筒放置在需要监测渗流的位置处，控制分析预警系统驱动移动杆在渗流圆筒内往复运动，移动杆上的温度传感器能够实时测量各个位置的温度情况并及时反馈给控制分析预警系统，实现动态监测并能精确确定渗流发生位置进行预警，并可通过在移动杆上布置更多的温度传感器用以提高监测精度；后期施工工艺简单，可操作性强；装置可重复利用，价格不高，易于工程推广。

附图说明

图1为本发明渗流监测装置的结构示意图；

图2为图1中1-1剖面的剖面示意图。

图3是图1中2-2剖面的剖面示意图。

图4是图1中3-3剖面的剖面示意图。

图5是图1中3-3剖面两个半圆筒体打开图。

图6是图1中A处的局部放大图。

图7是图1中B处的局部放大图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种适用于土石堤坝和混凝土大坝的渗流监测装置，如图1～7所示，由保护盖1、控制分析预警系统3、侧边环4、渗流圆筒5、移动杆11、无线温度传感器14、加热器15、扶直套22组成。渗流圆筒5为圆柱形筒体，其筒体结构是由两个可开合的半圆筒体6组合而成，两个半圆筒体6的一侧公共边为旋转轴20，通过旋转轴20可打开渗流圆筒5，另一侧边设有连接两个半圆筒体6的螺栓21，使闭合紧密。在渗流圆筒5外部的一端设有沿周向包覆的侧边环4，具体埋设渗流监测装置时，可以使用侧边环4辅助将渗流圆筒5埋设于事先钻好的用于监测渗流的孔洞中，并将渗流圆筒5固定住。渗流圆筒5是由三层材料构成，由外向内依次为骨架网7、过滤网8和防砂网9。具体的，骨架网7的网孔相对较大，且材料的强度大，用于支撑整个监测装置，同时又可以透水；过滤网8的网孔比骨架网7小，主要用于阻止颗粒直径较大一些的土粒等固体颗粒通过；防砂网9的网孔比过滤网8小，只允许渗流液体通过。渗流圆筒5在其轴向方向上划分为顶部设备区I、渗流监测区上部II和渗流监测区下部III，其中渗流监测区上部II和渗流监测区下部III的长度相等，与移动杆11的长度等长。

在渗流圆筒5两端设有可开闭的保护盖1，对整体装置起保护作用，同时在渗流监测工作期间，可以通过打开保护盖1来查看监测相关数据。渗流圆筒5中沿轴线方向贯穿有竖直的移动杆11，移动杆11的长度分别等于渗流监测区上部II和渗流监测区下部III的长度。渗流筒体内在顶部设备区I设有控制分析预警系统，控制分析预警系统分别控制筒内的电机17、加热器15及无线温度传感器14。电机17位于筒内中部，由电源2供电，并通过固定节19固定在骨架网7上。对应电机17所在位置，渗流圆筒5上设有检修门16，便于后期对电机17进行检修。电机17的端部设有齿轮18，齿轮18正好位于渗流监测区上部II和渗流监测区下部III的分界处，控制分析预警系统可控制电机17驱动齿轮18转动，移动杆11的侧边是与齿轮18啮合的齿条12，故移动杆11通过齿轮18的驱动可在渗流圆筒5内从渗流监测区上部II的顶端至渗流监测区下部III的底端沿轴向上下往复运动。同时，在渗流监测区上部II和渗流监测区下部III各设置两个扶直套22，移动杆11的运动始终位于扶直套22内，保证其运动不发生歪斜现象。移动杆11在其长度方向上等距的设有若干个限位孔13，每个限位孔13对应放置一个无线温度传感器14，且每个限位孔13都有一个编号，如1#、2#、3#……，以方便确定放置在其内无线温度传感器14的实时位置。无线传感器14的两侧均设有加热器15，由电源10供电，用以提高渗流监测处的温度，对温度场扰动进行放大。

本实施例渗流监测装置可以在堤坝等工程建设完成之后再进行施工安放。具体在安放前，先确定需要监测渗流的位置，然后使用钻孔工具，在选定位置从上至下钻一个直径和长度都稍大于渗流监测装置的孔洞，在孔洞底部填充一些合适粒径的滤水颗粒，如细砂等。接着将本实施例的渗流监测装置放入孔洞内，在放置之前，将螺栓21旋开，打开两个半圆筒体6，将无线温度传感器14依次插入移动杆11上的限位孔13内。一般位于移动杆11最上部和最下部的限位孔13内必须放置传感器14，中部的限位孔13内根据工程精度需要决定放置顺序及距离，放置好后关闭半圆筒体6并旋紧螺栓，将保护盖1关闭严实。通过支架等设备将渗流监测装置缓慢竖直的置入孔洞中，并通过侧边环4将监测装置固定，同时在渗流监测装置周围与孔洞的空隙中，填充滤水颗粒。

渗流监测装置开始监测时，通过控制分析预警系统3控制加热器15，开始进行加热，来提升渗流监测处的温度。在启动电机17前，保证移动杆11位于渗流监测区上部II的最顶端，然后通过控制分析预警系统3启动电机17，电机17的周期性运转和停歇带动移动杆11在渗流监测区上部II和渗流监测区下部III中上下往复运动，因此移动杆11上的无线温度传感器14能够测量监测区域内所有位置的温度信息，并将收集到的温度信号通过无线通讯发送给控制分析预警系统3。控制分析预警系统3对温度信号进行分析处理，将某一温度传感器14的温度与其他温度传感器14的温度进行比较，没有发生渗流时各温度传感器收集14的温度应相差不大，而相差较大时可能在低温处发生渗流，所有温度传感器14处同时发生渗流的可能性很小。当发现某处可能出现渗流情况时发出预警信号，并将渗流位置在控制分析预警系统3的界面上显示出来，此外控制分析预警系统3自动将可能出现渗流处的位置及温度信息记录下来，以便工作人员后期的查阅，也可以根据需要将可能出现渗流处的位置及温度信息以无线方式发送给其他控制端。

根据时间推算某一无线温度传感器14的具体位置，简单推导如下：(时间单位为秒，距离单位为毫米)

假设：电机17每次转动的时间为T1，电机17每次转动带动移动杆11移动的距离为L0，电机17每次停顿的时间为T2，移动杆11的长度为L，电机17使移动杆11上下往复运动一次的周期为T，每两个限位孔13之间的距离为S，其中有关系：

假设初始时刻，移动杆11位于渗流监测区上部II的最上端，某无线温度传感器14所在的限位孔13的编号为n#，则经过t秒后，该无线温度传感器14距离渗流监测区上部II最上端的距离为L′：

如果t≤T则

如果t≤T/2，则令S0＝(n-1)*S，n0＝[t/(T1+T2)]，t＝t-n0*(T1+T2)；

如果t≥T1，则L′＝S0+(n0+1)*L0；

如果t＜T1，则L′＝S0+n0*L0+t*L0/T1；

如果T≥t＞T/2，则令S0＝L+(n-1)*S，n0＝[t/(T1+T2)]，t＝t-n0*(T1+T2)；

如果t≥T1，则L′＝S0-(n0+1)*L0；

如果t＜T1，则L′＝S0-(n0*L0+t*L0/T1)

如果t＞T则

令t＝t-[t/T]*T，其余同上。

其中：[]为数学中的取整符号。

当某个位置的渗流监测结束后，可以通过有关设备将渗流监测装置从孔洞中拔出，由于渗流圆筒5的骨架网7具有足够的强度，可以保护渗流监测装置内部的组件不被破坏，而再次投入使用，极大的节约了资源。本渗流监测装置通过电机17电源2来给电机17供电，通过加热器15电源10来给加热器15供电，不必使用交流电，施工运维方便。当电源电量不足时，控制分析预警系统3会发出警告，这时只需将渗流监测装置取出，更换电源即可。当电机17出现故障时，可以通过打开检修门16，对电机17进行检修或更换。