CN115950486A - 一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置及方法，属于岩土工程结构安全监测技术领域。这种监测装置及方法将弱光纤光栅固定在PVC管道外表面组成变形传感器，将铠装光纤缠绕在测斜管外表面并通过导线连接加热电源组成渗流传感器，两传感器之间通过环形夹具固定连接。该装置通过变形传感器测得测点的应变数据，运用逆有限元法还原管道结构变形，通过渗流传感器测量光纤沿程的温度分布，以温度场的异常来间接判断渗流的发生和定位，能够实时、长期的监测堤坝渗流和应变变化。该测量装置测量精度高，为岩土体结构变形和渗流一体化监测的发展提供了更便利、更有效的试验手段，具有良好的推广价值。

Description

一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程结构安全监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤的岩土体变形和渗流一体化监测装置，具体为适用于堤坝沉降和渗流监测的一种光纤传感器装置及方法。

背景技术

土石堤坝在防洪体系起着至关重要的作用，它保护着堤坝两岸人民的生命财产安全，也是抵御洪水灾害的最大屏障。现土石堤坝数量众多，其中绝大多数存在修建年限过长、性能老化等现象，在其服役过程中常出现渗漏、沉降等灾害现象。实时监测堤坝的性能和变化有利于避免重大灾害，保证堤坝两岸人们的安全，因此堤坝在其服役过程中的安全监测日趋重要。土石堤坝的渗流、沉降问题尤为突出，为此，堤坝内部的渗流和坝体的滑移形变是作为堤坝监测的重中之重，监测结果对于堤坝的安全稳定性的评价提供数据支撑。

堤坝渗流发展为大的堤坝渗漏是缓变过程，因此需要长期的实时监测才能够更好的评估堤坝的安全性能，而且渗流引起堤坝的温度场变化是随机的，传统的点式监测无法满足监测要求，容易因漏检和难以实现渗流定位无法实施提前干预措施而发生灾害。将分布式的光纤传感技术应用在监测领域，可以对堤坝的温度和应变进行实时的、长期的和整体覆盖式的监测，有效的避免传统监测方法的缺点。利用分布式光纤传感器所具有的抗腐蚀性、抗电磁干扰和集信息的采集与传输于一体等独特优势，将其用于土石堤坝的渗流和变形监测研究，有着独厚的优势和远大前景。为此，本发明提出一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置及方法，设备装置简单、工程实际安装操作方便，同时又能够实时、准确的监测到堤坝渗流和应变变化，解决了堤坝变形和渗流一体化测量的难题及难于实现整体式、实时和长期监测堤坝性能的难题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置包括变形传感器、渗流传感器和电源，所述变形传感器包含PVC管和设在PVC管表面的弱光纤光栅，渗流传感器包含测斜管和缠绕在测斜管上的铠装光纤，PVC管通过环形夹具滑入测斜管内壁的凹槽连接测斜管；电源电连接铠装光纤的两端。

具体的，所述PVC管的上、下表面各设置一根弱光纤光栅，弱光纤光栅的表面喷涂环氧树脂膜，两根弱光纤光栅的一个端部相互连接；

所述的铠装光纤采用光纤内芯外层包裹金属体的结构。

具体的，所述PVC管上套有环形夹具，环形夹具包含两个开口环，开口环采用扇形凸起两端各连接一个圆弧的结构，每个圆弧上设置一个固定栓，PVC管通过固定栓滑入测斜管内壁的凹槽内连接测斜管。

具体的，用沿中性轴剖开的半个PVC管作为外壳将光纤盖住并用胶水固定进行封装保护，上下表面均布置一根光纤，再用光纤熔接机将上下表面光纤进行熔接，这样便可对上下表面测量的应变结果进行对照参考。

一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化的监测方法，采用所述的监测装置，将弱光纤光栅连接光纤光栅解调仪，铠装光纤连接光纤解调仪并采用以下步骤：

变形监测：通过光纤光栅解调仪监测弱光纤光栅的应变数据，利用应变应力信息采用逆有限元法分析得到结构位移量，重建结构变形形状；

渗流监测：通过电源加热铠装光纤，铠装光纤将温度数据传输至光纤解调仪，利用温度场和渗流场的耦合关系，通过空间温度场分布式连续测量数据，实现堤坝渗流性状的分布式监测。

上述一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置的使用过程，包括以下步骤：

第一步，首先制作并组装用于变形监测的传感器结构：

将弱光纤光栅预拉伸紧密贴合PVC管道外表面，并用高强速干胶水进行固结，待速干胶水完全凝固后，再在上面涂一层环氧树脂进行封装起到保护光纤的作用，上下表面均布置一根光纤再用光纤熔接机将上下表面光纤进行熔接，这样可对上下表面测量的应变结果进行对照参考。

第二步，制作并组装用于渗流监测的传感器结构：

将铠装光纤每隔一定的间距均匀缠绕测斜管外表面，并用速干胶水将光纤固定，将光纤两端通过导线连接加热电源，在完成上述两个步骤即完成变形和渗流传感器主要部分的安装。

第三步，现将组装完成的变形传感器和渗流传感器连接：

将环形夹具连接件通过旋转螺丝拧紧固定在PVC管道上，环形夹具凸起部分对准光纤布置位置，防止连接件压到管道上光纤影响应变的测量结果，然后将环形夹具连接件通过测斜管内部的凹槽滑入测斜管内部，将光纤连接光纤解调仪，这样便完成变形和渗流一体化监测装置的安装。

本发明的有益效果是：本发明装置利用光纤传感器所具有的抗腐蚀性、抗电磁干扰、耐久性好、测量精度高和集信息的采集与传输于一体等独特的优势，将变形传感器和渗流传感器通过环形夹具进行有效组装成一体化监测装置，可以实现对堤坝的变形和渗流一体化监测的目的。这种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置，能够实现整体覆盖式、实时和长期的监测岩土体的竖向沉降和渗流，用于土石堤坝的竖向位移和渗流的长期、实时监测。该测量装置安装方法简单，操作简便，且测量精度高，为岩土体结构变形和渗流一体化监测的发展提供了更便利、更有效的试验手段，具有良好的推广价值。

附图说明

图1为基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置的结构图。

图2为基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置的右视图。

图3为渗流传感器的主视图。

图4为变形传感器的立体图。

图5变形传感器的左视图。

图6为测斜管的左视图。

图7为环形夹具的侧视图。

图8为环形夹具的立体图。

图9为基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置工作示意图。

图10为两节点逆梁单元结构iBeam3的示意图。

图11逆有限元法还原梁单元结构变形验证试验中千分表和逆有限元测量值对比图。

图12渗流速率与加热光纤温升关系验证试验中温度特征值与流速的线性拟合曲线图。

图中：101、测斜管；102、铠装光纤；201、PVC管；202、弱光纤光栅；300、环形夹具；301a、扇形凸起；301b、圆弧；302、固定栓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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详细且清晰地描述。所描述的具体实施例仅是本发明众多实施例中的一部分，并不代表全部实施例。一般地，附图中所展示的本发明实施例的组件可以按照不同位置或组装方式进行安装并实施。基于本发明所描述的具体实施例，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。

图1所示为一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置的结构图。图中，这种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置包括变形传感器、渗流传感器和电源，变形传感器包含PVC管201和设在PVC管201上、下表面的弱光纤光栅202，渗流传感器包含测斜管101和缠绕在测斜管101上的铠装光纤102，电源通过导线电连接铠装光纤102的两端(如图2-6所示)。

PVC管201上套有环形夹具300，环形夹具300包含两个开口环，开口环采用扇形凸起301a两端各连接一个圆弧301b的结构，每个圆弧301b上设置一个固定栓302，PVC管201通过固定栓302滑入测斜管101内壁的凹槽内连接测斜管101(如图7和8所示)。

测斜管101上均匀缠绕铠装光纤102，用速干胶水将铠装光纤固定，将铠装光纤两端通过导线连接加热电源。由于铠装光纤的光纤内芯外层包裹的金属体，可以通过导线连接加热电源加热而达到为光纤全长提供线性热源的目的，同时外层的金属“铠甲”可以保护光纤内芯，也可以自然弯曲，具有耐高压，抗强拉的优点，可提供优良的光缆防护和安全。

PVC管201的上、下外表面布置有弱光纤光栅202，将光纤预拉伸紧密贴合PVC管道上、下外表面，并用高强速干胶水进行固定，待速干胶水完全凝固后，再在上面涂一层环氧树脂进行封装起到保护光纤的作用。

环形夹具300通过拧紧螺丝固定在PVC管上，通过固定栓302将变形传感器滑入测斜管内部的凹槽，从而将变形传感器和渗流传感器进行组装成变形和渗流一体化监测装置。

用光纤熔接机将将PVC管201上、下外表面布置的两根弱光纤光栅202的一端熔接，然后用弱光纤光栅解调仪连接弱光纤光栅202，用光纤解调仪连接铠装光纤102，将装置通过钻孔埋设在土石堤坝中，即可进行实时监测。

如附图9为基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置工作示意图，将装置通过钻孔埋设在土石堤坝中，当堤坝发生渗流时，通过光纤解调仪能够清楚的看到发生渗流处的加热光纤的温度异常，从而通过温度场的异常间接实现发生渗流处的精确定位。当堤坝在外力荷载等作用下发生沉降等变形时，通过光纤解调仪查看光纤沿程的应变分布，能够获得该处光纤的应变值，采用以下公式能够进行变形值的计算：

δ＝εd

式中：ε光纤应变值，d为光纤应变段长度，δ为待测段变形量。

这种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置的使用过程如下：

第一步，首先制作并组装用于变形监测的传感器结构：

将光纤预拉伸紧密贴合PVC管道外表面，并用高强速干胶水进行固结，待速干胶水完全凝固后，再在上面涂一层环氧树脂进行封装起到保护光纤的作用。还可以用沿中心轴剖开的半个PVC管作为外壳将弱光纤光栅盖住并用胶水固定进行封装保护，上下表面均布置一根弱光纤光栅，再用光纤熔接机将上下表面的弱光纤光栅进行熔接，这样便可对上下表面测量的应变结果进行对照参考。

第二步，制作并组装用于渗流监测的传感器结构：

将光纤每隔一定的间距均匀缠绕在测斜管外表面，并用速干胶水将光纤固定，将光纤两端通过导线连接加热电源，在完成上述两个步骤即完成变形和渗流传感器主要部分的安装。

第三步，现将组装完成的变形传感器和渗流传感器连接：

将环形夹具连接件通过旋转螺丝拧紧固定在PVC管道上，环形夹具的扇形凸起对准弱光纤光栅的布置位置，防止连接件压到管道上的弱光纤光栅影响应变的测量结果，然后将环形夹具通过测斜管内部的凹槽滑入测斜管内部，这样便完成变形和渗流一体化监测装置的安装。然后将弱光纤光栅连接光纤光栅解调仪，铠装光纤连接光纤解调仪即可进行监测。

测斜管上缠绕的感温光纤布置的间距以及装置的安装数量及量程范围选择等根据实际需求确定。

一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测原理如下：

变形监测采用的是逆有限元法，逆有限元法是一种利用局部少量的离散应变数据作为输入，输出结构的位移场的智能算法，通过分析有限单元的反问题来推演结构变化，即通过应变应力信息求解得出结构位移量。弱光纤光栅在一根光纤上布置了成千上万的光栅，相邻两光栅的间隔可小到10mm，因此，在实际工程中可认为是全分布式光纤布置，由光纤光栅解调仪得到测得的弱光纤光栅点的若干应变数据，利用离散应变数据实时估计结构变形。形状还原传感阵列的每个传感单元采用简单有效的用于梁式结构二维变形监测的新型两节点逆梁单元iBeam3。如附图10所示，iBeam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元，每个单元的节点数为2，每个节点有3个自由度，即沿x，y方向的线位移及绕z轴的角位移，单元的长度为L。以梁单元截面宽×高＝b×2h为例，建立局部坐标系(x，y，z)和总体坐标系(X,Y,Z)，局部坐标系在一单元节点上。分析步骤如下：

基于经典梁理论，二维变形中位移矢量的两个笛卡尔分量可以表示为：

u_y(x,y,z)＝v(x)

式中，u_x和u_y分别为各点沿x和y方向的位移；u和v是沿x和y方向的平动量，

是沿z方向的转动量。

根据弹性力学中小变形假设，线性应变-位移关系为：

式中，ε为x方向的应变值，即轴向应变。

采用单元形函数和单元端节点位移参数，将单元内部位移函数表示为：

其中，

N₁＝1-ξ

N₂＝ξ

Q₁＝2ξ³-3ξ²+1

Q₂＝3ξ²-2ξ³

M₁＝L(ξ³-2ξ²+ξ)

M₂＝L(ξ³-ξ²)

式中，N_i，Q_i和M_i为单元形函数，i＝1,2；u_i、v_i和

分别为节点在x、y和z方向上位移量的表示；ξ＝x/L∈[0,1]，是无量纲的局部坐标。

根据弹性力学中小变形假设，结合线性应变-位移关系式和单元形函数的推导，轴向应变ε和曲率k表示为：

其中，

式中，ε为x方向的应变值，即轴向应变；k为曲率；ε(u_e)和k(u_e)分别为拉伸引起的轴向应变和弯曲曲率；u_e为节点位移向量；矩阵B_b和B_m为形函数的导数，N_i，x为形函数N_i对x的一阶导数，Q_i,xx为形函数Q_i对x的二阶导数，M_i,xx为形函数M_i对x的二阶导数，i＝1,2。

实际测量中关键的一步是结构表面离散变形数据的测量及处理，光纤光栅传感器贴合在单元的上、下表面，测点总数记为n个，将测量处理得到第i个测点的上表面应变值为ε_i ⁺和下表面应变值为ε_i ^－，由此，所测单元的轴向应变ε_i和曲率k_i分别为：

式中，i对应于逆有限单元中的某一测点，i＝1,…,n；n为单元测点的数量；εi、ki分别为单元中第i个测点的轴向应变和曲率；2h为单元的厚度

对于iBeam3逆单元，考虑轴向拉伸和弯曲变形，与轴向拉伸和弯曲变形相关的加权最小二乘泛函Φ_e(u_e)，通过对整个离散化的节点自由度进行最小化来重新生成离散化结构的变形形状，Φ_e(u_e)可表示为：

式中，L_e为单元长度，2h为单元的厚度，n为单元测点的数量；ω_b和ω_m为加权系数，ω_bi和ω_mi为单元中第i个测点的加权系数，与每个单独的截面应变有关。当每个分析截面应变都有实验值时，取ω_bi＝ω_mi＝1。

依据变分法对泛函Φ_e(u_e)求极值，最小化处理得：

式中，k_e为单元系数矩阵，只与单元长度L和厚度2h以及加权系数ω_b和ω_m有关；f_e为单元应变向量，与实际测量的应变数据有关；u_e为单元的节点位移向量。

在局部坐标系下的k_e和f_e求出后，运用坐标转换矩阵T_e将离散单元矩阵方程集成总体***方程组中：

KU＝F

其中，

式中，K为总体系数矩阵，F为总体应变向量，U为总体节点位移向量，T_e为坐标转换矩阵；θ为局部坐标系x轴与总体坐标系X轴之间的夹角。

由以上步骤可知，逆有限元公式推导是基于基于欧拉-伯努利梁拉弯理论中考虑截面应变的最小二乘变分原理，由于公式中只使用了应变-位移关系，不需要平衡方程，因此，iBeam3单元能够在没有任何材料或荷载信息的情况下重建结构变形形状。

分布式光纤渗流监测利用光纤所具有的传感和传输二重功能，通过测量光纤的沿程温度分布，实现空间温度场分布式连续测量和实测温度场空间位置的获取，利用温度场和渗流场的耦合关系，间接实现渗流监测的目的。渗流会引起温度场出现局部不规则，堤坝渗流的温度监测法即是以温度场异常来间接实现堤坝发生渗流的定位和监测。引入分布式光纤温度传感技术，利用分布式光纤中光信号和温度信号转换关系以及堤坝内部温度场与渗流场的关联特性，可实现堤坝渗流性状的分布式监测。分布式光纤渗流监测主要有梯度法和加热法两种方法，鉴于加热法相较于梯度法，其受温度限制较小，敏感性更强且应用更广泛，故采用加热法效果更佳。对铠装光纤外层包裹的导体加热，使光纤周围温度升高，然后测量光纤沿线温度场分布，当坝体发生渗流时，渗流处的光纤温度上升会明显小于周围光纤的温度上升，这是因为发生渗流处的水流会参与光纤的传热过程，带走一部分热量，使得光纤温升量会小于其他位置处的光纤温升量。当光纤温度加热上升一定值后与水流温度差值变大，梯度也增大，因而可以准确地定位渗流点。

现以逆有限元法还原梁单元结构变形和渗流速率与加热光纤温升关系验证试验为例，具体阐述如何利用本发明装置对堤坝位移进行准确测量以及通过温度场异常间接实现渗流的监测，进一步具体阐述本发明的测试原理：

逆有限元法还原梁单元结构变形验证试验，目的是验证逆有限元法还原管道变形精度，采用如附图3所示的变形传感器，用管道模拟梁单元，采用1m长，外径为32mm的PVC管道，将管道两端铰支，将管道分为4个单元，在管道上每间隔25mm布置一个千分表，在管道上每间隔20cm布置一个100g砝码，并实行分级加载，共加载5次记为t1～t5时刻，所记录位移测量对比图为t1至t5时刻待加载完成后，管道受力变形稳定以及千分表读数稳定后，记录每个千分表的读数和解调仪测得光纤应变值通过换算得到的位移值，位移值具体为将测得应变值通过具体实施方式中所述的变形值计算公式得到，最终得到千分表和逆有限元法测量值对比如附图11所示，最大误差仅为0.456mm，符合要求。

渗流速率与加热光纤温升关系验证试验，目的是验证渗流速率与加热光纤的温升量是否成线性关系，采用如附图2所示的渗流传感器，将传感器布置在不同流速下的水流中，待水流稳定时，用流速计测量水流流速，将铠装光纤连接加热电源进行加热15分钟同时记录光纤的温度变化，断开电源停止加热，记录温降数据。待光纤温度恢复到初始温度后再进行下一组测试，重复操作，设置在6种不同流速下，记录光纤在6种不同加热功率下的温升和温降数据，由于加热光纤温度随着加热时间的延长最终会稳定在一定范围内波动，因此取加热时间段10min～15min时间区间的平均温度与初始温度的差值作为各流速下的温度特征值。如附图12所示为其中一加热功率为10.06W/s时，温度特征值和流速的线性拟合曲线，相关系数R²大于0.9，表明线性拟合精度较高，说明渗流速率与加热光纤的温升量近似成线性关系，因此可以由温度变化量来判断渗流量的大小。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置，它包括变形传感器、渗流传感器和电源，其特征在于，所述变形传感器包含PVC管（201）和设在PVC管（201）表面的弱光纤光栅（202），渗流传感器包含测斜管（101）和缠绕在测斜管（101）上的铠装光纤（102），PVC管（201）通过环形夹具滑入测斜管（101）内壁的凹槽连接测斜管（101）；电源通过导线连接铠装光纤（102）的两端。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置，其特征在于，所述PVC管（201）的上、下表面各设置一根弱光纤光栅（202），弱光纤光栅（202）的表面喷涂环氧树脂膜，两根弱光纤光栅（202）的一端连接；所述的铠装光纤（102）采用光纤内芯外层包裹金属体的结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化监测装置，其特征在于，所述PVC管（201）上套有环形夹具（300），环形夹具（300）包含两个开口环，开口环采用扇形凸起（301a）两端各连接一个圆弧（301b）的结构，每个圆弧（301b）上设置一个固定栓（302），PVC管（201）通过固定栓（302）滑入测斜管（101）内壁的凹槽内连接测斜管（101）。

4.一种基于分布式光纤的堤坝变形和渗流一体化的监测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的监测装置，将弱光纤光栅连接光纤光栅解调仪，铠装光纤连接光纤解调仪，并采用以下步骤：

变形监测：通过光纤光栅解调仪监测弱光纤光栅的应变数据，利用应变应力信息采用逆有限元法分析得到结构位移量，重建结构变形形状；

渗流监测：通过电源加热铠装光纤，铠装光纤将温度数据传输至光纤解调仪，利用温度场和渗流场的耦合关系，通过空间温度场分布式连续测量数据，实现堤坝渗流性状的分布式监测。

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