一种土石坝光纤渗流监测装置和方法与流程

本发明属于大坝渗流监测领域，尤其是一种土石坝光纤渗流监测装置和方法。

背景技术：

1、渗流监测是土石坝安全运行的保证，不仅可以为大坝运行提供方案，还可以对大坝维护提供参考。我国是拥有水库最多的国家，已兴建各类水库近9万余座，其数量居世界首位。这些水库大坝绝大部分是土石坝，约占90％。在发生事故的土石坝中，按破坏类型分析，其中比重最大的是渗透变形与渗漏。土石坝渗流现有监测方法有仪器法、电探法、示踪法等，传统的渗流监测技术无一例外都是采用单点传感器的监测方法，由于测点有限，成果分散，很难形成统一的监测系统，往往需要通过大量计算分析才能得到渗流指标。对土石坝渗流监测进行创新性，开拓性研究，具有重要的意义。

2、土石坝的土石体介质内渗流区的温度场分布受单纯的热传导控制。由于土石体具有较低的热传导特性，土石体导热率低，温度场分布较均匀。微量渗流存在时，流动速度缓慢而稳定，土水间有充足的时间和充分的接触空间改变温度场，所以渗流补给源水温往往和背景场中的水温有着截然不同的温度。热交换时，因其温度和土石体(土石体受地温影响)一致，此时形成的温度场称为背景。当土石体内存在大量水流动时，土石体热传导强度将随之发生改变，如渗流系数大于10-6m/s时，土石体传导热的传递将明显被流体运动所引起的对流热的传递所超越。即使很少的水体流动也会导致土体温度与渗流水温度相适应，由此引起温度场变化，将打破该测量点处附近温度分布的均匀性及同一组温度测量点之间温度分布的一致性。在研究正常地温及参考水温的基础上，就可以独立地确定测量点处温度异常是否由渗流水活动引起的，这一变化可作为渗流监测的指征，从而实现对土体内集中渗流点的定位和监测。

3、光纤传感是基于光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续地传感被测量(温度、压力、应力和应变等)。当光纤周围的物理量(温度、压力、应力和应变等)发生改变时，传输光波的一个或几个特性(如强度、相位、波长及频率等)就会发生改变。通过监测传输光波特性的改变来监测周围物理量的变化。光纤传感技术基于光纤温度传感技术，拥有其他传感器无可比拟的优点，已广泛地应用于航天(应力、应变、温度监测、光纤陀螺)、石油化工(液面、流量监测)、电力(电流、电压监测)、医疗(血液流速、血压监测)、建筑(大型桥梁应力、应变监测、水利工程)等。

4、以光纤bragg光栅加热单元(包括加热单元和光纤bragg光栅传感器)、传输光纤、光纤光栅解调设备构成的光纤温度传感装置，可以准确、快速检测土石坝温度场的特征，进而，如何利用土石坝土石介质热传导特性和渗流特性，对土石坝渗流进行准确、快速监测，是值得研究的。

技术实现思路

1、针对土石坝渗流监测问题，本发明提供一种土石坝光纤渗流监测装置和方法，是基于光纤温度传感技术、土石坝土石介质热传导特性和渗流特性的土石坝渗流监测装置和方法。

2、本发明的技术方案具体如下：

3、一种土石坝光纤渗流监测装置，包括上位机、至少一个光纤光栅调节仪、至少一个光电传感单元和至少一个信号波发射器；

4、上位机与至少一个光纤光栅调节仪连接，光纤光栅调节仪与光电传感单元连接，光电传感单元与信号波发射器连接；光电传感单元按预先设定的网络布置在土石坝坝体内部；光纤光栅调节仪反射随温度影响下的各种光波波长，进行温度监测；上位机采集光纤光栅调节仪结果，形成温度场，根据温度场的变化特征，反馈坝体的渗漏、渗流状况。

5、进一步地，光电传感单元与信号波发射器通过铠装光缆连接，上位机与至少一个光纤光栅调节仪通过信号电缆连接。

6、进一步地，信号波发射器发送信号，经过铠装光缆传输至光电传感单元，经光纤光栅解调仪解调为电信号，经信号电缆传输至上位机。

7、进一步地，光电传感单元内部设有加热单元，加热装置为加热单元提供电源，为多个光电传感单元提供稳定的基础温度场。

8、进一步地，基于土石坝内部温度值，上位机建立土石坝内部温度场，通过温度场的变化，即可表征土石坝坝内部渗流场变化；

9、当坝体出现渗漏，渗流流速较大时，加热光纤的热量大部分由流体和光纤之间的热对流散失，忽略光纤与土体之间的热传导，得：

10、

11、其中：a为导热面积；e为坝体土体颗粒空隙率；ui为光纤加热的功率；e为绕流管束换热准则系数；t0为坐标x点的温度；t∞为坐标x+δx点的温度。

12、本发明还涉及的一种土石坝光纤渗流监测方法，包括：采集土石坝内部温度值，建立土石坝内部温度场，通过温度场的变化，即可表征土石坝坝内部渗流场变化，同时标记坝体渗流流速大于正常渗流流速的位置坐标，进行报警，即可发现渗漏的位置和规模。

13、进一步地，当坝体出现渗漏，渗流流速较大时，加热光纤的热量大部分由流体和光纤之间的热对流散失，忽略光纤与土体之间的热传导，得：

14、

15、其中：a为导热面积；e为坝体土体颗粒空隙率；ui为光纤加热的功率；e为绕流管束换热准则系数；t0为坐标x点的温度；t∞为坐标x+δx点的温度。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

17、本发明采用分布式光纤传感技术，将光电传感单元按预先设定的网络布置在土石坝坝体内部，可以准确、快速地监测土石坝坝体内的温度、渗流等指标，实现对坝体全方位、立体式监测，得到大坝的实时温度场、渗流场，为大坝的渗流安全评价，除险加固提供准确、全面的资料。

技术特征：

1.一种土石坝光纤渗流监测装置，其特征在于：包括上位机、至少一个光纤光栅调节仪、至少一个光电传感单元和至少一个信号波发射器；

2.根据权利要求1所述的土石坝光纤渗流监测装置，其特征在于：光电传感单元与信号波发射器通过铠装光缆连接，上位机与至少一个光纤光栅调节仪通过信号电缆连接。

3.根据权利要求1所述的土石坝光纤渗流监测装置，其特征在于：信号波发射器发送信号，经过铠装光缆传输至光电传感单元，经光纤光栅解调仪解调为电信号，经信号电缆传输至上位机。

4.根据权利要求3所述的土石坝光纤渗流监测装置，其特征在于：光电传感单元内部设有加热单元，加热装置为加热单元提供电源，为多个光电传感单元提供稳定的基础温度场。

5.根据权利要求1所述的土石坝光纤渗流监测装置，其特征在于：基于土石坝内部温度值，上位机建立土石坝内部温度场，通过温度场的变化，即可表征土石坝坝内部渗流场变化；

6.一种土石坝光纤渗流监测方法，其特征在于：包括：采集土石坝内部温度值，建立土石坝内部温度场，通过温度场的变化，即可表征土石坝坝内部渗流场变化，同时标记坝体渗流流速大于正常渗流流速的位置坐标，进行报警，即可发现渗漏的位置和规模。

7.根据权利要求6所述的土石坝光纤渗流监测方法，其特征在于：当坝体出现渗漏，渗流流速较大时，加热光纤的热量大部分由流体和光纤之间的热对流散失，忽略光纤与土体之间的热传导，得：

技术总结
本发明涉及一种土石坝光纤渗流监测装置和方法，该装置包括上位机、至少一个光纤光栅调节仪、至少一个光电传感单元和至少一个信号波发射器；上位机与至少一个光纤光栅调节仪连接，光纤光栅调节仪与光电传感单元连接，光电传感单元与信号波发射器连接；光电传感单元按预先设定的网络布置在土石坝坝体内部；光纤光栅调节仪反射随温度影响下的各种光波波长，进行温度监测；上位机采集光纤光栅调节仪结果，形成温度场，根据温度场的变化特征，反馈坝体的渗漏、渗流状况。

技术研发人员：刘海波,沈立锋,魏屹坤,赵培双,普中勇,唐小松,郭金敏,罗航,董䶮,马俊,樊牧,朱蝶,朋毛当智,李耕,席隆海
受保护的技术使用者：华能澜沧江水电股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12