一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置及方法

1.本发明涉及隧道渗水监测领域，特别是涉及一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置及方法。


背景技术：

2.隧道作为一种埋藏在围岩中的条状地下基础设施，修建后将会成为所穿越区域地下水的汇聚通道。当隧道位于或靠近含水地层时，将面临地下水的渗透作用。如果隧道衬砌防水设施或者排水设施不完善，地下水将会沿着衬砌施工缝、裂缝等透水区域侵入隧道内部，将会发生隧道渗水病害。渗水是最常见的隧道病害之一，绝大部分的隧道都存在不同程度的渗漏问题。渗水病害会加速隧道衬砌材质劣化，隧道衬砌在发生渗水病害后会加速碳化，衬砌混凝土强度会降低；特别是当隧道渗漏的水为强酸性时，隧道衬砌混凝土将出现严重劣化的问题。在温度较低的地区，渗水隧道衬砌背后的地下水可能冻结，进而导致隧道衬砌受到冻胀影响而产生隧道冻害。此外，隧道渗水对隧道结构的稳定性，隧道洞内设施、运营隧道行车安全等均会产生不良影响。
3.目前多采用以定期检测技术为主的手段防控隧道渗水病害。较为典型的技术如探地雷达技术、高清摄像技术以及三维激光扫描技术。探地雷达技术通过电磁波在材料间传播时介电常数的差异来反映隧道深部的状况，通过分辨反射波的属性，通过解译雷达信号数据可以对隧道背后的围岩内的含水情况进行检测与识别。探地雷达的检测与识别精度需要依赖材料间导电性差异，这大大限制了探地雷达的使用。此外，目前探地雷达的数据解译还需依靠人工主观判断。高清摄像技术是对隧道衬砌临空侧进行拍摄，然后对收集到的图像数据进行分析处理，进而对隧道衬砌临空侧渗水情况进行识别判断。高清摄像技术识别病害时需要高质量的图像，该技术对摄像相机、隧道光源以及衬砌表面的清洁度要求很高，若收集到的图像数据的质量低，将会导致识别不准确的问题。三维激光扫描技术是基于激光测距原理，对隧道衬砌整体的坐标进行测量与收集，得出整个隧道的坐标数据，进而描绘出隧道的原型，再根据重建的隧道三维图像进行检测。三维激光扫描技术后期处理数据量大且复杂，而且目前还依赖于扫描站进行检测，需要不断搬运，导致速度较慢，从而导致检测效率低。以上检测技术主要是在隧道运营期间定期巡检隧道病害，无法对隧道进行长期的监测，进而导致无法对隧道健康状况进行实时预报。同时，上述检测技术可以检测到隧道衬砌临空侧的渗水情况，并不能明确隧道衬砌背后围岩侧的渗水情况。因此，无法根据上述检测技术的检测结果对隧道渗水病害进行有效的防止。
4.隧道监测技术是将传感器布设在隧道中，对隧道的变形或受力等状况进行长期监测，进而根据监测结果对隧道病害进行判断。隧道监测技术可以对隧道病害进行长期监测，实时反映隧道的健康状况。光纤传感器具有精度高、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强、防水性能好、信号安全度高、能够实现分布式测量网络等特点，已广泛应用于隧道的结构健康监测领域。但目前已开发的光纤传感监测技术均是针对隧道衬砌的受力状况进行监测，而隧道渗水并不会导致隧道衬砌的受力状况发生变化，因此无法直接采用光纤传感技术对隧
道渗水病害进行监测。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置及方法，能够采用光纤传感技术对隧道渗水病害进行监测，提高监测的准确性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置，包括：隧道渗水监测传感器、光纤解调仪、无线传输设备和服务器；
8.所述隧道渗水监测传感器布设在隧道衬砌表面；所述隧道渗水监测传感器包括遇水膨胀橡胶和分布式布里渊光纤；所述遇水膨胀橡胶包覆在所述分布式布里渊光纤的表面；所述分布式布里渊光纤与所述光纤解调仪连接；
9.所述光纤解调仪用于向所述分布式布里渊光纤的一端射入泵浦光，向所述分布式布里渊光纤的另一端射入探测光，使所述分布式布里渊光纤的内部产生布里渊散射光，并采集所述分布式布里渊光纤中的布里渊散射光频移量和布里渊光纤温度，根据所述布里渊散射光频移量和所述布里渊光纤温度确定所述分布式布里渊光纤的应变量；
10.所述无线传输设备与所述光纤解调仪连接；所述无线传输设备用于将所述分布式布里渊光纤的应变量传输至所述服务器；
11.所述服务器用于根据所述分布式布里渊光纤的应变量确定渗水类型。
12.可选地，所述遇水膨胀橡胶和所述分布式布里渊光纤之间设置有粘结层。
13.可选地，所述粘结层为环氧树脂胶水黏贴。
14.可选地，所述分布式布里渊光纤与所述光纤解调仪通过光缆连接。
15.可选地，所述无线传输设备设置于隧道的外部。
16.可选地，还包括频率控制器；所述频率控制器与所述无线传输设备连接；所述频率控制器用于设置数据传输的频率。
17.可选地，所述光纤解调仪为分布式布里渊光纤温度/应变解调仪。
18.一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法，所述基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法应用于上述的基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置，所述基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法包括：
19.获取布里渊散射光初始频移量和布里渊光纤初始温度；
20.采集分布式布里渊光纤发生应变后的布里渊散射光频移量和布里渊光纤温度；
21.根据所述布里渊散射光初始频移量、所述光纤初始温度、所述布里渊散射光频移量和所述光纤温度，利用公式vb(ε,δt)＝vb(ε0,t0)+c1ε+c2δt，计算分布式布里渊光纤的应变量；其中，vb(ε,δt)为分布式布里渊光纤发生应变或温度变化后测量的布里渊散射光频移量；ε为分布式布里渊光纤的应变量；δt为温度变化量，δt＝t-t0，t为分布式布里渊光纤发生应变后的布里渊光纤温度；vb(ε0,t0)为初始条件下测量的布里渊散射光初始频移量；ε0为分布式布里渊光纤的初始应变量；t0为分布式布里渊光纤初始温度；c1为应变频率系数；c2为温度频率系数；
22.根据所述分布式布里渊光纤的应变量确定渗水类型。
23.可选地，所述根据所述布里渊光纤的应变量确定渗水类型，具体包括：
24.当所述分布式布里渊光纤的应变量小于第一设定范围时，确定所述渗水类型为浸润；
25.当所述分布式布里渊光纤的应变量属于第一设定范围时，确定所述渗水类型为滴漏；
26.当所述分布式布里渊光纤的应变量大于第一设定范围，并属于第二设定范围时，确定所述渗水类型为涌流；
27.当所述分布式布里渊光纤的应变量大于第二设定范围时，确定所述渗水类型为喷射。
28.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
29.本发明提供的一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置，包括：隧道渗水监测传感器、光纤解调仪、无线传输设备和服务器；所述隧道渗水监测传感器布设在隧道衬砌表面；所述隧道渗水监测传感器包括遇水膨胀橡胶和分布式布里渊光纤；所述分布式布里渊光纤与所述光纤解调仪连接；所述光纤解调仪用于采集所述分布式布里渊光纤中的布里渊散射光频移量和布里渊光纤温度，根据所述布里渊散射光频移量和所述布里渊光纤温度确定所述分布式布里渊光纤的应变量；所述无线传输设备将所述分布式布里渊光纤的应变量传输至所述服务器；所述服务器根据所述分布式布里渊光纤的应变量确定渗水类型。本发明中的遇水膨胀橡胶遇水会膨胀，使分布式布里渊光纤产生轴向应变，光纤解调仪通过采集产生应变的布里渊光纤的散射光频移量，能够计算出布里渊光纤产生的应变量，进而确定隧道的渗水类型，提高了隧道中对渗水病害监测的准确性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明提供的一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置示意图；
32.图2为本发明实施例中的隧道渗水监测传感器示意图；
33.图3为本发明实施例中的隧道渗水监测传感器剖面图；
34.图4为对渗水监测传感器进行耐久性测试试验示意图；
35.图5为耐久性测试试验结果曲线图；
36.图6为隧道渗水监测传感器标定试验示意图；
37.图7为标定的传感器监测数据与隧道渗水类型之间的关系曲线图；
38.图8为国产rp1020c型号的分布式布里渊光纤温度/应变解调仪示意图；
39.图9为本发明提供的一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法流程图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明的目的是提供一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置及方法，能够采用光纤传感技术对隧道渗水病害进行监测，提高监测的准确性。
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.实施例一
44.本发明的目的是为了给隧道渗水提供一种可靠、有效的监测技术。基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置由安装在衬砌上的隧道渗水监测传感器、采集渗水监测传感器数据的解调仪以及无线传输设备所构成。隧道渗水监测传感器主要由遇水膨胀物质以及分布式布里渊光纤所构成，二者通过环氧树脂胶水粘结在一起。将隧道渗水监测传感器安装在隧道衬砌两侧表面，当发生隧道渗水病害时，隧道渗水监测传感器的遇水膨胀橡胶遇水会发生膨胀，进而导致分布式布里渊光纤产生变形。光纤解调仪可以对分布式布里渊光纤变形数据(散射光频移量)进行采集与解译，进而得出隧道渗水监测传感器的变形情况即分布式布里渊光纤的应变量。通过无线传输设备能够分布式布里渊光纤的应变量传输至服务器，将服务器可以对隧道现场数据进行远程实时调取，即可实现对隧道渗水情况的长期、实时监测。
45.相较于传统的隧道监测病害技术而言，本发明的基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置可以实现对隧道渗水情况进行长期的监测，进而对隧道健康状况进行实时预报。同时，安装在隧道衬砌围岩侧与临空侧的隧道渗水监测传感器可以对隧道两侧的渗水情况进行监测，明确隧道衬砌背后围岩侧的渗漏水情况，根据监测结果对隧道渗水进行有效防止。此外，通过隧道渗水监测传感器监测数据的变化，可以反映隧道渗水水流流速，进而判断隧道渗水的渗水类型。
46.如图1所示，本发明提供的一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置，包括：隧道渗水监测传感器、光纤解调仪(即图1中的解调仪)、无线传输设备和服务器。隧道渗水监测传感器未在图1中示出。
47.所述隧道渗水监测传感器布设在隧道衬砌表面；所述隧道渗水监测传感器包括遇水膨胀橡胶和分布式布里渊光纤；所述遇水膨胀橡胶包覆在所述分布式布里渊光纤的表面；所述分布式布里渊光纤与所述光纤解调仪通过光缆连接。在实际应用中，所述隧道渗水监测传感器布设在隧道衬砌表面的监测断面上。
48.在实际应用中，所述隧道渗水监测传感器如图2和图3所示，遇水膨胀橡胶截面尺寸为10mm
×
3mm，使用的光纤是纤芯直径为8.3μm、外径为125μm的单模光纤。
49.在实际应用中，隧道渗水监测传感器是在遇水膨胀橡胶内部嵌入分布式布里渊光纤所构成，为了防止分布式布里渊光纤与遇水膨胀橡胶之间产生滑移，在两者之间采用环氧树脂胶水进行粘贴。遇水膨胀橡胶是一种新型功能高分子材料，通过在天然橡胶基质中加入水溶性聚氨酯预聚体、丙烯酸钠高分子吸水性树脂等吸水性材料混合制成，遇水膨胀橡胶吸水后会产生体积膨胀。隧道渗水监测传感器使用的遇水膨胀橡胶的体积膨胀率为435％，硬度(邵尔a)为45度，拉伸强度为4.3mpa，拉断伸长率为501％。
50.所述光纤解调仪用于向所述分布式布里渊光纤的一端射入泵浦光，向所述分布式布里渊光纤的另一端射入探测光，使所述分布式布里渊光纤的内部产生布里渊散射光，并
采集所述分布式布里渊光纤中的布里渊散射光频移量和布里渊光纤温度，根据所述布里渊散射光频移量和所述布里渊光纤温度确定所述分布式布里渊光纤的应变量。
51.所述无线传输设备与所述光纤解调仪连接；所述无线传输设备用于将所述分布式布里渊光纤的应变量传输至所述服务器。本实施例中，所述无线传输设备设置于隧道的外部。本发明还包括频率控制器；所述频率控制器与所述无线传输设备连接；所述频率控制器用于设置数据传输的频率。
52.所述服务器用于根据所述分布式布里渊光纤的应变量确定渗水类型。在实际应用中，所述服务器用于数据存储管理、数据处理分析和安全评估预警。
53.在实际应用中，可以采集分布式布里渊光纤全部位置的散射光频移量，能够直接的知道发生应变的位置，进而能够根据相应位置的分布式布里渊光纤的应变量确定渗水类型，施工人员能够根据渗水类型和渗水位置进行相应的维修工作。
54.布里渊光时域分析光纤传感技术是一种常用的光纤传感技术，可以实现长距离的的分布式监测。粘贴在物体表面或嵌入到物体内的光纤传感器(分布式布里渊光纤)，可以通过布里渊散射光时域分析技术对物体的应变进行分析，实现分布式监测。布里渊光纤监测技术基于自发布里渊散射原理，利用光纤解调仪，通过在光纤传感器两端射入泵浦光和探测光进行监测。当射入的泵浦光功率足够时，泵浦光与探测光所产生的反向斯托克斯光会发生干涉作用，进而激发光纤传感器产生受激布里渊散射光。光纤轴向应变以及温度的变化会影响受激布里渊散射光的频率，受激布里渊散射光频率变化(布里渊散射光频移量)与光纤沿轴向应变或温度变化之间线性相关，具体公式为：
55.vb(ε,δt)＝vb(ε0,t0)+c1ε+c2δt (1)
56.式中：vb(ε,δt)为分布式布里渊光纤发生应变或温度变化后测量的布里渊散射光频移量；ε为分布式布里渊光纤的应变量；δt为温度变化量，δt＝t-t0，t为分布式布里渊光纤发生应变后的布里渊光纤温度；vb(ε0,t0)为初始条件下测量的布里渊散射光初始频移量；ε0为分布式布里渊光纤的初始应变量；t0为分布式布里渊光纤初始温度；c1为应变频率系数；c2为温度频率系数。
57.将光纤传感器嵌入到遇水膨胀橡胶内形成隧道渗水监测传感器，当隧道渗水监测传感器附近发生渗水时，遇水膨胀橡胶会吸水而发生膨胀，进而引起布里渊光纤产生轴向变形。从上述式(1)可以看出，轴向变形与温度的变化均会导致光纤产生布里渊散射光频移量。通过在隧道渗水监测传感器附近安装的不受力只受温度影响的光纤即可剔除温度变化对隧道渗水监测传感器的影响，剔除掉温度的影响后即可得到由于遇水膨胀橡胶遇水膨胀引起的光纤产生的布里渊散射光频移量，进而通过应变频率系数可以得到光纤所发生的应变。因此，根据隧道渗水监测传感器监测到的应变可以反映周围的渗漏情况。
58.基于布里渊散射技术所研发的隧道渗水监测传感器，可以通过传感器外部遇水膨胀橡胶变形引起的光纤传感器数据变化反映监测隧道渗水情况；同时，由于隧道渗水监测传感器中所采用的是分布式布里渊光纤，可以对隧道渗水进行大范围、分布式的监测；此外，由于遇水膨胀橡胶的变形受到水流流速的影响，可以根据隧道渗水监测传感器监测数据判断隧道渗水的渗水类型。
59.分布式布里渊光纤温度/应变解调仪是基于布里渊光时域反射原理的分布式光纤应变/温度测试仪器，可以对光纤因变形或温度变化而引起的布里渊散射光频移量进行采
集。本发明的基于布里渊光纤的隧道渗水监测系统选用的rp1020c型号的分布式布里渊光纤温度/应变解调仪，如图8所示。该型号的解调仪对应的布里渊光纤监测技术的主要测量参数为：测量精度20με，采样分辨率5cm，最大测量长度20km；此外，该型号的解调仪在测量过程中可以通过空间分辨率的选择实现，布里渊光时域分析与布里渊光时域反射两种工作模式的切换。
60.在隧道渗水监测传感器安装完成后，应及时安装光纤解调仪采集数据，实时监测隧道渗水状况。隧道工程一般位于野外地区，不便于及时采集现场数据，因此，需安装无线传输设备用于远程传输数据。隧道属于隐蔽的地下工程，隧道内信号不良，为了方便数据远程传输以及隧道的安全运营，无线传输设备应放置在隧道外。隧道渗水监测传感器需要与光纤解调仪进行连接，考虑到隧道后续施工可能会破坏光纤跳线，宜采用光缆进行连接。光纤解调仪通过无线传输设备(data transferunit，简称dtu)将数据无线传输到服务器，数据传输的频率以及时间可通过频率调控器进行设置。传输到服务器的数据可以远程实时调取，进而及时分析隧道渗水状况。
61.如图4所示，模型试验中选取长度为1m的隧道渗水监测传感器进行试验。试验过程中，首先将隧道渗水监测传感器中间0.5m范围浸入水中，在隧道渗水监测传感器吸水过程中监测应变变化；当监测数据不再变化后，将蓄水槽中水抽出，隧道渗水监测传感器在抽出水后开始不断失水，直至监测数据不发生变化停止本次试验，共进行了5次吸水-饱和-失水浸水试验。如图5所示，随着渗水监测传感器浸水试验次数的增加，传感器监测应变达到最大值所需的吸水时间逐渐变短，监测应变的最大值逐渐变小，恢复到初始状态所需的失水时间逐渐变长，说明了隧道渗水监测传感器的监测性能在不断退还。当进行第五次浸水试验时，隧道渗水监测传感器所监测到的应变最大值为2000με，为第一次浸水试验所达到的最大应变值的60％。因此，隧道渗水监测传感器可以正常监测隧道渗水5次以上。
62.如图6所示，将隧道渗水监测传感器通过卡槽安装在pvc板上，卡槽可以保证隧道渗水监测传感器安装在pvc板上，但不会约束隧道渗水监测传感器的变形。在隧道渗水监测传感器上方通过水管向下滴水，在导水管上安装可以调节水流大小的流量计，即可以调节水流大小，同时也可以实时观察水流流速，保证每次标定过程中水流流速一致。隧道渗水流速一般在1ml/min到100ml/min，标定试验中设置该范围内不同流速的水流，监测不同流速的水流下隧道渗水监测传感器的数据变化。标定试验过程中，每次试验所设置的水流流速不同，标定完一次水流流速下隧道渗水监测传感器的监测数据，进行下一次水流流速下隧道渗水监测传感器数据变化时，更换未进行试验的隧道渗水监测传感器进行。如图7所示，当监测应变最大值小于850με，流速小于1ml/min，渗水类型为浸润；当监测应变最大值为850με-1900με，流速为1-10ml/min，渗水类型为滴漏；当监测应变最大值为1900με-3000με，流速为10-100ml/min，渗水类型为涌流；当监测应变最大值大于3000με，流速大于100ml/min，渗水类型为喷射。
63.实施例二
64.本发明还提供了一种基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法，所述基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法应用于实施例一的基于布里渊光纤的隧道渗水监测装置，所述基于布里渊光纤的隧道渗水监测方法，如图9所示，包括：
65.步骤901：获取布里渊散射光初始频移量和布里渊光纤初始温度。
66.步骤902：采集分布式布里渊光纤发生应变后的布里渊散射光频移量和布里渊光纤温度。
67.步骤903：根据所述布里渊散射光初始频移量、所述光纤初始温度、所述布里渊散射光频移量和所述光纤温度，利用公式vb(ε,δt)＝vb(ε0,t0)+c1ε+c2δt，计算分布式布里渊光纤的应变量。其中，vb(ε,δt)为分布式布里渊光纤发生应变或温度变化后测量的布里渊散射光频移量；ε为分布式布里渊光纤的应变量；δt为温度变化量，δt＝t-t0，t为分布式布里渊光纤发生应变后的布里渊光纤温度；vb(ε0,t0)为初始条件下测量的布里渊散射光初始频移量；ε0为分布式布里渊光纤的初始应变量；t0为分布式布里渊光纤初始温度；c1为应变频率系数；c2为温度频率系数。
68.步骤904：根据所述分布式布里渊光纤的应变量确定渗水类型。
69.进一步地，所述步骤904，具体包括：
70.当所述分布式布里渊光纤的应变量小于第一设定范围时，确定所述渗水类型为浸润。
71.当所述分布式布里渊光纤的应变量属于第一设定范围时，确定所述渗水类型为滴漏。
72.当所述分布式布里渊光纤的应变量大于第一设定范围，并属于第二设定范围时，确定所述渗水类型为涌流。
73.当所述分布式布里渊光纤的应变量大于第二设定范围时，确定所述渗水类型为喷射。
74.在本实施例中，第一预设范围为850με-1900με，第二预设范围为1900με-3000με。
75.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
76.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。