一种隧道积水深度分布式监测系统及监测方法与流程

本发明属于监测技术领域，涉及一种隧道积水深度分布式监测系统及监测方法。

背景技术：

近年来我国城市化进程飞跃发展，城市人口越来越多，地面道路的交通压力日益增大，已无法满足城市化进程发展的需求。相反，地下运行的地铁、交通隧道、各种市政地下隧道等城市地下交通工程，可以有效缓解交通拥堵、提高城市效率，已成为各大城市公共交通的一个重要组成部分。据统计数据表明，我国已成为世界隧道及地下工程建设规模和建设速度第一大国。

然而在强降雨来临时，尤其是在夏季，由于道路排水系统不畅，雨水时常倒灌到地下隧道，极易导致隧道内产生大量积水的现象。当排水通道中的水超过一定的高度溢出至行驶的轨道上时，会对地铁行车安全造成影响，严重时，甚至会威胁市民的财产安全与生命安全。

目前，对隧道轨道积水的监测方式主要有两种：1、由工作人员进入隧道进行巡查，此方法往往耗费大量人力物力，且存在发现不及时、单点测量的水位数据难以反映整个区域的积水情况等问题；2、利用轨道上的轨道电路对积水进行监测，但当轨道上积水达到一定程度时，轨道电路会被短路，此方法误检率高，且无法定位积水位置。因此，国内大多数城市安装的隧道积水监测系统并没有达到实时、准确且方便的目标，更不用说尚未安装隧道积水监测系统的城市，建立一个准确、及时且方便的隧道积水监测系统刻不容缓。

光纤感测技术是近二十年来最新兴起的新型传感技术，该技术具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强及可实现分布式、远距离实时监测等优点，适用于各类结构健康监测。其中，基于先进的拉曼时域反射测量技术（rotdr）的分布式光纤测温系统（dts），在土体含水率测量、地质体渗流监测中已被推广应用，而在隧道积水监测方面至今未有应用。

因此，如何解决上述问题，是本领域技术人员着重要研究的内容。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种隧道积水深度分布式监测系统及监测方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种隧道积水深度分布式监测系统，包括铜网内加热光缆、加热电源、分布式光纤温度传感器解调设备及具有数据处理系统的计算机；所述铜网内加热光缆为具有内加热功能的铜网内加热温度感测光缆，所述铜网内加热光缆的截面结构上，由内到外依次为光纤、凯管、铜网编织网、钢丝加强件及护套；所述分布式光纤温度传感器解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述铜网内加热光缆；所述铜网内加热光缆分别与加热电源、分布式光纤温度传感器解调设备连接，分布式光纤温度传感器解调设备连接具有数据处理系统的计算机。

上述方案中，有关内容解释如下：

1、上述方案中，分布式光纤温度传感器（distributedtemperaturesensor，dts），可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的温度分布，空间采样间隔仅1m，检测周期可达秒级。光纤本身由石英制成，具有极佳的电磁惰性。因此，dts是一种前所未有的“超级温度传感器”，它正被迅速应用在火灾探测、电力、石油石化等领域。光纤在系统中同时作为传输载体和传感器，背向拉曼散射光的强度受整段光纤各处空间上的温度场调制后，被dts光纤温度传感系统检测并进行解调，得到整段光纤上的温度场分布。

本发明还提供一种根据上述方案的隧道积水深度分布式监测方法，包括如下步骤：

步骤一、将铜网内加热光缆通过夹具安装到隧道排水通道侧壁；

步骤二、对步骤一所述铜网内加热光缆进行通电加热，利用分布式光纤温度传感器解调设备解调、记录铜网内加热光缆通电加热过程中的温度值；

步骤三、运用具有数据处理系统的计算机计算铜网内加热光缆的温度梯度及差值，利用铜网内加热光缆加热后在水和空气不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此解调出判断水位的高低。

进一步地，所述的数据处理系统为全自动处理系统，所述铜网内加热光缆分布式温度测量的数据采集时间和长度间隔根据测量精度要求人为或自动设定；设置测量时间间隔为1分钟，测量长度为1-2米为宜，并通过数据处理系统实时将分布式光纤温度传感器解调设备解调的温度信息转化成水位深度分布信息，并将其结果绘制成图。

进一步地，所述步骤三中，在通电加热电压为220v/30m、铜网内加热光缆的发热功率额为65-105w/30m时形成明显的温度梯度区间。所述温度梯度区间的选取则取决于铜网内加热光缆的发热功率、测量对象的热力学性质以及测量精度，并通过率定试验加以调试确定。试验结果表明：通电加热电压220v/30m，功率65-105w/30m，即可形成明显的温度梯度。

本发明的工作原理：利用铜网内加热光缆加热后在水与空气不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此判断水位的高低。进一步解释为：将具有内加热功能的铜网内加热光缆铺设在排水通道的侧壁，在恒定电流下，通电后的铜网内加热光缆会以额定功率产生热量，使铜网内加热光缆温度升高。在水和空气两种不同介质中，其能量传递的快慢程度及大小不同，其温度变化也不一致。当排水通道中的水超过一定的高度时，部分铜网内加热光缆被积水浸，水的比热容较大，其热传导能力要远比空气中大，在水中能量损失较空气中损失的多，故用于铜网内加热光缆本身的能量少，从而使该处铜网内加热光缆升温速率慢，最终稳定温度低，在水、气交界处形成温度梯度。根据这一原理，通过dts测定加热一定时间后铜网内加热光缆沿线温度可得到温度差值，由温度的差值梯度变化来反推排水通道水位的高低。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1、本发明基于dts技术，运用铜网光缆内加热、温度感测的特点，将铜网内加热光缆经夹具固定在排水通道侧壁，通过铜网内加热光缆升温过程中温度的差值梯度来确定隧道内积水深度，并且，当排水通道中的水超过一定的高度溢出至行驶的轨道上时发出预警。本发明能够实现实时、准确且方便的监测隧道内积水位置及深度，解决了现有隧道积水监测方法成本高、稳定性差、精度差、无法分布式测量等缺点。

2、本发明采用铜网内加热光缆监测温度进一步监测积水深度的方式，实现长距离、分布式监测排水通道水位深度，特别适合隧道这种长距离的线性工程，提升了隧道工程的安全监测水平，具有较强的市场竞争力和很好的应用前景。

3、本发明通过温度异常点定位积水水位异常处，有效提高了水位监测的精准性和效率。本发明可以实时、动态监测隧道积水深度变化过程，保障行车、行人安全。

4、本发明铜网内加热光缆铺设后，由于二氧化硅材质的光纤耐久性、稳定性好，可用于隧道积水的长期测量及监测，测量时间可覆盖隧道全生命周期。本发明无辐射、对人体无害，测量时间不受气候条件影响。本发明测量距离长、测量精度和稳定性高、结构简单，安装方便，经济安全，适合推广普及。

说明书附图

图1为本发明使用示意图；

图2为本发明dts解调设备解调温度数据集计算得到的水位高度关系示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例结合附图说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例：如图1至图2所示，

一种隧道积水深度分布式监测系统，包括铜网内加热光缆1、加热电源、分布式光纤温度传感器解调设备2及具有数据处理系统的计算机3；所述铜网内加热光缆1为具有内加热功能的铜网内加热温度感测光缆，所述铜网内加热光缆1的截面结构上，由内到外依次为光纤、凯管、铜网编织网、钢丝加强件及护套（以上图中未示出）；所述分布式光纤温度传感器解调设备2基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述铜网内加热光缆1；所述铜网内加热光缆1分别与加热电源、分布式光纤温度传感器解调设备2连接，分布式光纤温度传感器解调设备2连接具有数据处理系统的计算机3。所述数据处理系统分析软件可以是matlab，c++等能计算多组平均值的软件。

分布式光纤温度传感器（distributedtemperaturesensor，dts），可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的温度分布，空间采样间隔仅1m，检测周期可达秒级。光纤本身由石英制成，具有极佳的电磁惰性。因此，dts是一种前所未有的“超级温度传感器”，它正被迅速应用在火灾探测、电力、石油石化等领域。光纤在系统中同时作为传输载体和传感器，背向拉曼散射光的强度受整段光纤各处空间上的温度场调制后，被dts光纤温度传感系统检测并进行解调，得到整段光纤上的温度场分布。

所述铜网内加热光缆1采用铜网编制层作为加热功率，阻值小、可加热距离长，铜网内加热光缆1，人为地使感测光缆与周围环境产生足够的温差以提高测量精度和敏感性，同时钢丝加强件和护套增强了铜网内加热光缆的整体强度，起到了保护作用。以下实施例采用的铜网内加热光缆1是由苏州南智传感科技有限公司生产的铜网内加热温度感测光缆nzs-dts-c10。

本发明还提供一种隧道积水深度分布式监测方法，包括如下步骤：

步骤一、将铜网内加热光缆通过夹具安装到隧道排水通道侧壁；

步骤二、对步骤一所述铜网内加热光缆进行通电加热，利用分布式光纤温度传感器解调设备解调、记录铜网内加热光缆通电加热过程中的温度值；

步骤三、运用具有数据处理系统的计算机计算铜网内加热光缆的温度梯度及差值，利用铜网内加热光缆加热后在水和空气不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此解调出判断水位的高低。

进一步地，所述的数据处理系统为全自动处理系统，所述铜网内加热光缆分布式温度测量的数据采集时间和长度间隔根据测量精度要求人为或自动设定；设置测量时间间隔为1分钟，测量长度为1-2米为宜，并通过数据处理系统实时将分布式光纤温度传感器解调设备解调的温度信息转化成水位深度分布信息，并将其结果绘制成图。

进一步地，所述步骤三中，在通电加热电压为220v/30m、铜网内加热光缆的发热功率额为65-105w/30m时形成明显的温度梯度区间。所述温度梯度区间的选取则取决于铜网内加热光缆的发热功率、测量对象的热力学性质以及测量精度，并通过率定试验加以调试确定。试验结果表明：通电加热电压220v/30m，功率65-105w/30m，即可形成明显的温度梯度。

本实施例的具体实施过程如下：

步骤1、根据隧道排水通道安置形式确定合理的铜网内加热光缆1布设位置，合理选取监测区带，标明监测区带的端点。

步骤2、监测区间排水通道上采用激光打线仪标识直线，以保证铜网内加热光缆1沿监测方向保持固定夹具4呈直线，避免弯曲。

步骤3、确定固定夹具4位置，用记号笔在管片相应位置做上记号。

步骤4、将冲击钻在上述记号处打孔，采用与固定夹具4母片配套的φ5的钻头，深度5mm-10mm为宜；用铆钉将固定夹具4母片固定在打孔处；所有母片固定好以后再统一固定铜网内加热光缆1。

步骤5、将所有母片固定好以后，在保持预拉力的情况下，预应力保持在能将光纤拉伸平直为宜。将铜网内加热光缆1固定在固定夹具4的卡槽内，同时盖上夹具公片，用平头螺丝旋紧固定。

步骤6、将固定好的测线用熔接机连接，通过信号传输光缆将测线引出隧道，连接dts解调设备。

步骤7、根据隧道排水通道水位监测要求，确定监测周期及监测频率。监测时，使用铜网内加热光缆1，利用加热电源将其加热形成传感光缆周围环境温度场的变化，再用dts解调设备2测量光纤沿线的温度变化分布，通过数据处理系统进一步得到分布式的隧道排水通道水位深度，并将监测数据远程传输至数据处理中心处理。

所述dts解调设备可按照要求进行参数设置，分布式测量，理论上光纤上每点的温度都可以测量，实际可采用5-10cm采样间隔，空间分辨率可达到50cm；长距离感测，可测量的光纤长度达到50km以上；测试精度高，目前测试温度精度可达±1℃。

本发明的工作原理：利用铜网内加热光缆加热后在水与空气不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此判断水位的高低。进一步解释为：将具有内加热功能的铜网内加热光缆铺设在排水通道的侧壁，在恒定电流下，通电后的铜网内加热光缆会以额定功率产生热量，使铜网内加热光缆温度升高。在水和空气两种不同介质中，其能量传递的快慢程度及大小不同，其温度变化也不一致。当排水通道中的水超过一定的高度时，部分铜网内加热光缆被积水浸，水的比热容较大，其热传导能力要远比空气中大，在水中能量损失较空气中损失的多，故用于铜网内加热光缆本身的能量少，从而使该处铜网内加热光缆升温速率慢，最终稳定温度低，在水、气交界处形成温度梯度。根据这一原理，通过dts测定加热一定时间后铜网内加热光缆沿线温度可得到温度差值，由温度的差值梯度变化来反推排水通道水位的高低。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。