CN104501732B - 一种水工结构变形分布式光纤监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工结构变形分布式光纤监测装置及方法，包括通底竖井，所述通底竖井内安装有变位台，变位台上的两侧安装有钻头驱动装置，钻头驱动装置与锥形钻头连接；钻头驱动装置分别与升降绳连接，升降绳缠绕在收线盘上；变位台中部与一对弹簧的一端连接，弹簧的另一端与竖向测尺铰接，竖向测尺穿过刻度台，两个弹簧之间设有光纤挂桶，光纤挂桶内安装有波状回路光纤，波状回路光纤上设有光纤扣，波状回路光纤的输入端安装有光波发射器，波状回路光纤的输出端安装有光波采集器。本发明具有可重复的使用、极为方便的安装及实时的检测与维护等优势及分布式、微宏观、实时性、复杂环境高适应性等特点。

Description

一种水工结构变形分布式光纤监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水工结构变形分布式光纤监测装置的监测方法，属于建筑领域。

背景技术

穿堤、水闸等水工结构物在运行中常出现不均匀沉降等病害，对建筑物的安全及正常使用造成不利影响，甚至导致建筑物破坏或失事。通过布设监测仪器或装置，实时获取区域变形信息，合理分析区域变形空间与时间变化规律，及时发现区域变形(特别是不均匀变形)异常状况，以科学采取防范或控制措施，对保障水工结构物安全服役具有重要意义。

目前，常规水工结构变形监测装置多存在施工布设困难、可重复利用率低、不易检修维护、耐久性差、精度低、易受电磁环境干扰等不足。光纤传感器具有抗辐射、耐腐蚀等特点，应用于不均匀变形病害监测具有明显的优势；但从光纤变形监测的现状来讲，分布式实时监测方式是当前研究和应用热点，但技术本身和工程实用性方面尚不成熟，利用光纤中瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射的变化，理论上不仅可以准确定位不均匀变形病害，且可以给出不均匀变形病害的定量描述；但上述目标的实现过程中，光纤的布设极其考究，尤其回路设置更是困难。从最新的光纤技术领域上看，美国LunaTechnology公司的ODiSI(Optical Distributed Sensor Interrogator)分布式光纤传感***可以实现mm级空间分辨率，但是最大传感长度只有50m，且实际应用中受到多因素干扰，其有效监测长度及分辨率会降低；日本NBX公司利用PPP-BOTDA技术生产的光纳仪，有效空间分辨率可提高到cm级，但需要光纤回路布设，致使其很难直接应用于实际工程的不均匀变形监测。本发明技术可在保证现有分布式光纤最大监测距离(25km范围内)的情况下，将空间分辨率提高到mm级。

为了充分利用现有技术监测水工结构不均匀变形，使监测设备获得较高的初始精度、较大的测量量程，本发明将传统监测技术与光纤传感技术相结合，借鉴传统监测技术直观、简单的优点，避开其布设困难、利用率低、无法检修维护、受电磁环境干扰等不利弊端，结合当前光纤传感技术所具有的分布式、高精度、实时性、多复杂环境应用的优势，构建可共载两种技术的应用平台，设置两种技术的共享信息融合的设备构件，实现水工结构不均匀变形mm级精度的有效监测和应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水工结构变形分布式光纤监测装置的监测方法，创造性地搭建可以融合新旧技术的集成平台，具有可重复的使用、极为方便的安装及实时的检测与维护等优势及分布式、微宏观、实时性、复杂环境高适应性等特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水工结构变形分布式光纤监测装置，包括通底竖井，所述通底竖井内安装有变位台，变位台上的两侧对称的安装有钻头驱动装置，钻头驱动装置与锥形钻头连接；变位台两侧的钻头驱动装置分别与升降绳连接，升降绳缠绕在收线盘上，收线盘安装在齿轮轴上，齿轮轴上的齿轮与转动齿轮啮合，转动齿轮由电机驱动；变位台中部与一对对称安装的弹簧的一端连接，弹簧的另一端与竖向测尺铰接，竖向测尺穿过刻度台，刻度台位于设置在通底竖井上的横梁，两个弹簧之间设有光纤挂桶，光纤挂桶的底端与变位台连接，光纤挂桶内安装有波状回路光纤，波状回路光纤上设有光纤扣，波状回路光纤的输入端安装有光波发射器，波状回路光纤的输出端安装有光波采集器。

作为优选，所述升降绳上设有刻度。

作为优选，所述通底竖井的上端面设有水平仪。

作为优选，所述变位台的下方设有护底凸台。

作为优选，所述变位台下方设有压缩弹簧。

一种水工结构变形分布式光纤监测装置的监测方法，包括以下步骤：

第1步，空载下，将升降绳完全松开，将变位台及其所承载的部件放松到通底竖井的最底端，让护底凸台接触到通底竖井的底面，测试拉压弹簧及竖向测尺的工作状态，用光波发射器、光波采集器监测波状回路光纤工作性态，待上述工序完成之后，未发现异常情况下，将各部件恢复到原初始位置；

第2步，在土石结合区域中，开挖与通底竖井形状结构类似的凹槽，通过水平仪调整通底竖井与土石结合区域间的平衡，通过电机驱动升降绳下放锥形钻头、变位台及护底凸台，在下降到指定位置后，通过查看升降绳上的刻度，使得变位台两边升降绳的长度一样长，使变位台、锥形钻头处于水平平衡位置，将事先安装好的拉压弹簧与刻度台上的竖向测尺铰接，将已经安装到光纤挂桶的波状回路光纤引出到光波发射器及光波采集器处；

第3步，通过钻头驱动装置推动锥形钻头从通底竖井穿出，最终将锥形钻头不断深入通底竖井周围的土石结合区域内；

第4步，当一侧的拉压弹簧受到从该侧锥形钻头所传递的对应侧的沉降荷载时，对应侧竖向测尺监测到的该侧沉降变形量值为d₁，同时，当另一侧拉压弹簧受到从与其对应侧锥形钻头所传递的相应侧的沉降荷载时，相应的竖向测尺所监测到该侧的沉降变形量值为d₂，两侧的拉压弹簧之间的距离标为L，变形较小一侧的拉压弹簧与待测点Q的距离为M，则Q处的沉降量值为δ_Q＝d₂+(d₁-d₂)M/L，位于中间位置处C点的沉降变形量值为δ_C ^K＝(d₁+d₂)/2，基于波状回路光纤所发生的瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射等光信息的变化，监测到此刻变形量值为δ_C ^O，初始变形量值为则对于同一中间位置所监测沉降差值的绝对值为为构建土石结合区域不均匀沉降的计算公式，定义不均匀沉降参量ω，且ω的表达式定义为基于本监测装置工作原理及上述推导，待测点Q处的最终沉降计算公式为 ${{\mathrm{\δ}}_Q}^F=(d_2+\frac{(d_1-d_2)M}{L})+(\frac{(d_1-d_2)M}{L}*|({{\mathrm{\δ}}_C}^o-{{\mathrm{\δ}}_{C_I}}^o)-\frac{(d_1+d_2)}{2}|/{{\mathrm{\δ}}_C}^O).$

有益效果：本发明的一种水工结构变形分布式光纤监测装置，所有组件都便于拆卸的设计，大大方便了工程运输及使用，传感钻头的灵活升降及通过控制器控制钻头的收缩，极大增加了装置可重复的使用、便捷的安装检修与维护的功效，保留当前传统监测仪器的简单、直观的优点，而且通过升降绳既可以升降锥形钻头，也可以校正锥形钻头的平衡，融合当前最新光纤监测技术的实时性、分布式、高精度、低成本、高灵敏性、不受电磁干扰、多复杂环境适应性特性，研发可共载新旧技术的可靠的监测装置，使其兼具各技术优势，扩展其使用功能，极大降低了工程监测及检测成本，在保证现有分布式光纤最大监测距离(25km范围内)的情况下，可将空间分辨率提高到mm级，监测精度、可靠性和工程实用性得到了较大提升。

附图说明

图1为本发明的装置图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明图1的A-A剖面图；

图4为图1中竖向测尺的运行示意图。

其中：1-通底竖井；2-齿轮轴；3-升降绳；4-钻头驱动装置；5-拉压弹簧；6-竖向测尺；7-刻度台；8-波状回路光纤；9-光波发射器；10-光波采集器；11-光纤扣；12-光纤挂桶；14-锥形钻头；15-变位台；16-护底凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种水工结构变形分布式光纤监测装置，包括通底竖井1，所述通底竖井1内安装有变位台15，变位台15上的两侧对称的安装有钻头驱动装置4，钻头驱动装置4与锥形钻头14连接；变位台15两侧的钻头驱动装置4分别与升降绳3连接，升降绳3缠绕在收线盘上，收线盘安装在齿轮轴2上，齿轮轴2上的齿轮与转动齿轮啮合，转动齿轮由电机驱动；变位台15中部与一对对称安装的弹簧的一端连接，弹簧的另一端与竖向测尺6铰接，竖向测尺6穿过刻度台7，刻度台7位于设置在通底竖井1上的横梁，两个弹簧之间设有光纤挂桶12，光纤挂桶12的底端与变位台15连接，光纤挂桶12内安装有波状回路光纤8，波状回路光纤8上设有光纤扣11，波状回路光纤8的输入端安装有光波发射器9，波状回路光纤8的输出端安装有光波采集器10。

在本发明中，钻头驱动装置4可以采用电机驱动、液压驱动或者是其它驱动方式，在本发明中，采用电机驱动，变位台15的两端对称的安装有驱动电机，驱动电机与驱动轴连接，驱动轴远离驱动电机的一端设有外螺纹，锥形钻头14安装在推板上，推板位于活塞缸内，活塞缸另一端安装有活塞，活塞向外的一端设有与外螺纹配合的螺纹孔，通过驱动电机驱动驱动轴转动，进而通过螺纹推动活塞运动，带动推板移动，从而带动锥形钻头14运动。

在本发明中，所述变位台15的下方设有护底凸台16，护底凸台16可以起到预先到达通底竖井1底端的功能，保护整个装置性能发挥，在检测维修时也有巨大功效；在实际监测中，锥形钻头14遭受到外部竖向荷载，且将到达底端时，护底凸台16会预先到达通底竖井1的底端，起到减震效果。

在本发明中，锥形钻头14为对称分布，装置进行安装之前，对称分布的锥形钻头14处于压缩状态，其紧贴通底竖井1的外壁，在埋设安装之后，通过驱动电机将锥形钻头14固定于土石结合区域内部，在未安装之前的收缩状态可以大大降低工程开挖费用及保护工序，在安装到适合位置之后其可以长期处于伸长状态，大大保证了传感钻头对结构体长期的跟踪监测，在需要维护或检测时，其可以收回，极大提高了其可重复性及监测精度。

在本发明中，拉压弹簧5上端与刻度台7上的竖向测尺6铰接，且竖向测尺6的初始刻度与刻度台7上水平面齐平，拉压弹簧5的下端与变位台15相连，上述部件的组合为对称分布，该组合构件在土石结合区域发生不均匀沉降时通过两侧锥形钻头14将对应侧沉降量通过变位台15传递到对应侧拉压弹簧5上，拉压弹簧5竖向变形带动了刻度台7上竖向测尺6刻度变化，从而在地面上可直接有效地读出该侧沉降变形量数值。

在本发明中，光纤挂桶12中，在与拉压弹簧5平行的侧面及光纤挂桶12中间部位上，分布布置有光纤扣11，光纤扣11可以将从光波发射器9发出的波状回路光纤8依次从光纤挂桶12一侧的上端向下顺延至变位台15，后经过固定在变位台15上的光纤扣11，以一定弧度回路的方式，再依次从光纤挂桶12的另一侧的下端向上顺延至光波采集器10处，且光纤挂桶12两个布设有光纤扣11的侧面都有刻度标示，作为坐标标志，光纤挂桶12中轴面为弹性结构，锥形钻头14在遭受周围土石结合区域不均匀沉降荷载时，其将竖向荷载通过水平放置的变位台15上的光纤扣11传递给竖向波状分布的、处于中轴面的波状回路光纤8，在光波发射器9一端不断的发射出光信息，波状回路光纤8中光学现象中的光信息会不断的发生变化，光波采集器10会不断收集到其中变化的光信息，进而，将光信息进行记录与存储，将采集到不同的光信息进行融合辨识，进行可以实现实时、分布式、微宏观监测土石结合区域沉降变化。

在本发明中，波状回路光纤8两个端口都位于地面上，可以利用光时域反射技术进行定位监测，同时利用双端口的布里渊散射技术进行定量监测。利用两端对称分布的竖向测尺6之间的动态的距离值及竖向测尺6的沉降数值可以测出其中任意一点沉降量值；与此同时，波状回路光纤8对外界荷载极其敏感，微小的变形量值也可被有效捕捉到，利用波状回路光纤8的监测结果值对竖向测尺6的监测结果值进行校准，可以实现精确监测土石结合区域中各处存在的沉降量值。

在本发明中，通底竖井1主体本部为圆筒状，在通底竖井1主体的两边开始有锥形钻头14移动的通道。光纤挂桶12是弹性较大的结构体，光纤挂桶12通过位于变位台15上的光纤扣11与变位台15连接。

将各组件按照由下到上，从左到右的顺序进行组装，使用常规通用传感光纤作为内部布置光纤，结合附图对优先实施例进行解释说明。

(1)开挖竖井，布置传感钻头

在待监测土石结合区域，开挖深度为10m的竖直圆桶，且基于前期所构建的通底竖井1的直径来确定所开挖的最小直径，为了便于装置安装，需要开挖的直径略大于通底竖井1的直径。然后将长度为10m、直径略小于开挖竖井的通底竖井1下放到土石结合区域的竖井内。

(2)回填原土，弹出传感钻头

将开挖出的原土石结合区域沿着竖井与通底竖井1之间的空隙进行回填，启动电机，下方升降绳3将锥形钻头14放置到合适的位置，启动钻头驱动装置4，将锥形钻头14深入到10m深的土石结合区域竖井的侧壁内，再一次启动电机，使得升降绳3处于松弛状态；

(3)打开各信息采集装置，采集及分析数据结果

当一侧的拉压弹簧5受到从该侧锥形钻头14所传递的对应侧的沉降荷载时，对应侧竖向测尺6监测到的该侧沉降变形量值为d₁，同时，当另一侧拉压弹簧5受到从与其对应侧锥形钻头14所传递的相应侧的沉降荷载时，相应的竖向测尺6所监测到该侧的沉降变形量值为d₂，两侧的拉压弹簧5之间的距离标为L，变形较小一侧的拉压弹簧5与待测点Q的距离为M，则Q处的沉降量值为δ_Q＝d₂+(d₁-d₂)M/L，位于中间位置处C点的沉降变形量值为δ_C ^K＝(d₁+d₂)/2)，基于波状回路光纤8所发生的瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射等光信息的变化，监测到此刻变形量值为δ_C ^O，初始变形量值为则对于同一中间位置所监测沉降差值的绝对值为为构建土石结合区域不均匀沉降的计算公式，定义不均匀沉降参量ω，且ω的表达式定义为基于本监测装置工作原理及上述推导，待测点Q处的最终沉降计算公式为 ${{\mathrm{\δ}}_Q}^F=(d_2+\frac{(d_1-d_2)M}{L})+(\frac{(d_1-d_2)M}{L}*|({{\mathrm{\δ}}_C}^o-{{\mathrm{\δ}}_{C_I}}^o)-\frac{(d_1+d_2)}{2}|/{{\mathrm{\δ}}_C}^O).$

打开光波发射器9及光波采集器10，调整刻度台7上的竖向测尺6，记录初始时刻各测值采集装置的初始数据，并进行校正；待时间t之后，光波发射器9及光波采集器10会采集到连续数据，对监测数据进行处理，提取在t时刻的测值，基于所使用光纤的基本参量，利用其与应力应变的关系将此时刻的应变值求出，后经过积分可以求出此时的沉降变形量值，记录此时用光波发射器9及光波采集器10所收集的结果为(δ_O)_t，在扣除了初始时刻校正后的变形量值(δ_o)₀之后，得到此时相对量值为(δ_O)_t-(δ_o)₀，此时用竖向测尺6测得的变形量值为(δ_R)_t，与其对应的初始量值为(δ_R)₀，得到的相对量值为(δ_R)_t-(δ_R)₀，获得此时刻t的不均匀沉降参量为|(δ_O)_t-(δ_O)₀-((δ_R)_t-(δ_R)₀)/2|/((δ_O)_t-(δ_O)₀)，待测点的位置距离右侧竖向测尺6的距离为l，基于竖向测尺6(11)的标准间距为L，且在时刻t时左右侧竖向测尺6的沉降刻度显示值为D^t ₁和D^t ₂，且D^t ₁＞D^t ₂，基于本装置计算不均匀沉降的公式为 ${{\mathrm{\δ}}_Q}^F=(d_2+\frac{(d_1-d_2)M}{L})+(\frac{(d_1-d_2)M}{L}*|({{\mathrm{\δ}}_C}^o-{{\mathrm{\δ}}_{C_I}}^o)-\frac{(d_1+d_2)}{2}|/{{\mathrm{\δ}}_C}^O).$ 则得出待监测点在t时刻的沉降量为： ${{\left(\mathrm{\δ}\right)}^t}_l=({D^t}_2+\frac{({D^t}_1-{D^t}_2)l}{L})+\frac{({D^t}_1-{D^t}_2)}{L}*\left(\right|{\left({\mathrm{\δ}}_O\right)}_t-{\left({\mathrm{\δ}}_O\right)}_0-\left({\left({\mathrm{\δ}}_R\right)}_t\right)+{\left({\mathrm{\δ}}_R\right)}_0/2|/({\left({\mathrm{\δ}}_O\right)}_t-{\left({\mathrm{\δ}}_O\right)}_0)).$

(4)汇总处理计算结果，及时诊断土石结合区域沉降性态

利用上述仪器及监测方法可以获得某一点在各个不同时刻的沉降结果，通过数据处理程序可以绘制任意点的时程曲线及某时刻土石结合区域沉降空间图，通过分析待测区域的时程曲线和空间图，来实时监控该区域的沉降性态，及时发现异常现象、及时检测及维护。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水工结构变形分布式光纤监测装置，其特征在于：包括通底竖井，所述通底竖井内安装有变位台，变位台上的两侧对称的安装有钻头驱动装置，钻头驱动装置与锥形钻头连接；变位台两侧的钻头驱动装置分别与升降绳连接，升降绳缠绕在收线盘上，收线盘安装在齿轮轴上，齿轮轴上的齿轮与转动齿轮啮合，转动齿轮由电机驱动；变位台中部与一对对称安装的弹簧的一端连接，弹簧的另一端与竖向测尺铰接，竖向测尺穿过刻度台，刻度台位于设置在通底竖井上的横梁上，两个弹簧之间设有光纤挂桶，光纤挂桶的底端与变位台连接，光纤挂桶内安装有波状回路光纤，波状回路光纤上设有光纤扣，波状回路光纤的输入端安装有光波发射器，波状回路光纤的输出端安装有光波采集器。

2.根据权利要求1所述的水工结构变形分布式光纤监测装置，其特征在于：所述升降绳上设有刻度。

3.根据权利要求1所述的水工结构变形分布式光纤监测装置，其特征在于：所述通底竖井的上端面设有水平仪。

4.根据权利要求1所述的水工结构变形分布式光纤监测装置，其特征在于：所述变位台的下方设有护底凸台。

5.根据权利要求1所述的水工结构变形分布式光纤监测装置，其特征在于：所述变位台下方设有压缩弹簧。

6.一种水工结构变形分布式光纤监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，空载下，升降绳完全松开，将变位台及其所承载的部件放松到通底竖井的最底端，让护底凸台接触到通底竖井的底面，测试拉压弹簧及竖向测尺的工作状态，用光波发射器、光波采集器监测波状回路光纤工作性态，待上述工序完成之后，未发现异常情况下，将各部件恢复到原初始位置；

第2步，在土石结合区域中，开挖与通底竖井形状结构类似的凹槽，通过水平仪调整通底竖井与土石结合区域间的平衡，然后电机驱动升降绳下放锥形钻头、变位台及护底凸台，在下降到指定位置后，通过查看升降绳上的刻度，使得变位台两边升降绳的长度一样长，使变位台、锥形钻头处于水平平衡位置，将事先安装好的拉压弹簧与刻度台上的竖向测尺铰接，将已经安装到光纤挂桶的波状回路光纤引出到光波发射器及光波采集器处；

第3步，通过钻头驱动装置推动锥形钻头从通底竖井穿出，最终将锥形钻头不断深入通底竖井周围的土石结合区域内；

第4步，当一侧的拉压弹簧受到从该侧锥形钻头所传递的对应侧的沉降荷载时，对应侧竖向测尺监测到的该侧沉降变形量值为d₁，同时，当另一侧拉压弹簧受到从与其对应侧锥形钻头所传递的相应侧的沉降荷载时，相应的竖向测尺所监测到该侧的沉降变形量值为d₂，两侧的拉压弹簧之间的距离标为L，变形较小一侧的拉压弹簧与待测点Q的距离为M，则Q处的沉降量值为δ_Q＝d₂+(d₁-d₂)M/L，位于中间位置处C点的沉降变形量值为δ_C ^K＝(d₁+d₂)/2)，基于波状回路光纤所发生的瑞利散射和菲涅尔反射、布里渊散射光信息的变化，监测到此刻变形量值为δ_C ^O，初始变形量值为δ_CI ^O，则对于同一中间位置所监测沉降差值的绝对值为|(δ_C ^O-δ_CI ^O)-δ_C ^K|，为构建土石结合区域不均匀沉降的计算公式，定义不均匀沉降参量ω，且ω的表达式定义为ω＝|(δ_C ^O-δ_CI ^O)-δ_C ^K|/δ_C ^O，基于本监测装置工作原理及上述推导，待测点Q处的最终沉降计算公式为 ${\mathrm{\δ}}_{Q}F=(d_2+\frac{(d_1-d_2)M}{L})+(\frac{(d_1-d_2)M}{L}*|({{\mathrm{\δ}}_C}^o-{{\mathrm{\δ}}_{C_I}}^o)-\frac{(d_1+d_2)}{2}|/{{\mathrm{\δ}}_C}^{\text{O}}\]$