一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构论文和设计-袁宏才

全文摘要

本实用新型专利涉及一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，它包括堆石坝坝基，所述堆石坝坝基和混凝土面板之间设置有面板周边缝，不同层的所述混凝土面板的层间设置有面板水平缝，同层的所述混凝土面板之间设置有多条面板垂直缝；沿着所述面板周边缝布设有光纤光栅测温探头线路，不同层间的面板水平缝和不同纵断面间的面板垂直缝间布设有覆盖整个面板堆石坝的多条一号分布式测温光缆线路和二号分布式测温光缆线路；所述光纤光栅测温探头线路、一号分布式测温光缆线路和二号分布式测温光缆线路呈空间交错排列方式。以解决土石坝已有的渗流监测方法无法满足超高混凝土面板堆石坝坝体渗流监测的问题。

主设计要求

1.一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，其特征在于：它包括堆石坝坝基（1），所述堆石坝坝基（1）和混凝土面板（5）之间设置有面板周边缝（2），不同层的所述混凝土面板（5）的层间设置有面板水平缝（8），同层的所述混凝土面板（5）之间设置有多条面板垂直缝（4）；沿着所述面板周边缝（2）布设有光纤光栅测温探头线路（3），不同层间的面板水平缝（8）和不同纵断面间的面板垂直缝（4）间布设有覆盖整个面板堆石坝的多条一号分布式测温光缆线路（6）和二号分布式测温光缆线路（7）；所述光纤光栅测温探头线路（3）、一号分布式测温光缆线路（6）和二号分布式测温光缆线路（7）呈空间交错排列方式。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，其特征在于：所述光纤光栅测温探头线路（3）包括信号光缆（10），所述信号光缆（10）上串联有多个光栅温度探头（9），所述信号光缆（10）的两个端头分别设置有信号光缆首端结构（12）和信号光缆尾端结构（11）。

3.根据权利要求1所述的一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，其特征在于：所述一号分布式测温光缆线路（6）和二号分布式测温光缆线路（7）采用分布式光纤测温技术。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，其特征在于：所述一号分布式测温光缆线路（6）和二号分布式测温光缆线路（7）的二组测温光缆线路并行敷设，其测温探头空间位置交错排列。

5.根据权利要求1所述的一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，其特征在于：面板堆石坝依据混凝土面板（5）的受力状况并沿着面板垂直缝（4）从左至右依次划分为面板左岸拉性缝、面板中部压性缝和面板右岸拉性缝，在每个区域选择关键部位的多条面板水平缝（8）和面板垂直缝（4）布设相应的一号分布式测温光缆线路（6）或二号分布式测温光缆线路（7）实施渗流监测。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种水电站土石坝的渗流监测方法，尤其涉及一种用于水电站超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，属于光纤传感技术领域。

背景技术

水电作为可再生的清洁能源，近50年在我国发展迅猛。随着水电开发重心向西部高原转移，高坝大库水电站日益增多。混凝土面板堆石坝以其造价低廉、便于就地取材等优势近20年来在我国得到了快速的发展与推广。据统计，截至2015年底我国坝高30m以上混凝土面板堆石坝总数已超过400座，其中有数座坝高超过200m面板堆石坝…。混凝土面板堆石坝作为一种新坝型，可供借鉴的案例有限；尤其对于超高面板堆石坝，由于设计不合理或施工碾压不密实等导致运行期面板周边缝止水失效、垂直缝挤压破坏，进而造成坝体发生严重渗流，危及大坝安全。因此，坝体渗流监测是混凝土面板堆石坝的重要安全监测项目。

传统的土石坝坝体渗流监测方法，主要是在坝体周边缝底部等关键部位埋设少量渗压计监测周边缝渗流、在坝体堆石体内埋设渗压计监测坝体浸润线变化、在坝后设置量水堰监测坝体渗流量。

对于超高混凝土面板堆石坝而言，面板周边缝、垂直缝和施工缝长度至少数千米，均为渗流监测的关键部位。数量有限的渗压计存在大量的监测盲区，不能准确定位渗漏点位置；尤其对于微小压力差的贯通性渗漏，渗压计无能为力。

近十几年来，光纤传感技术作为一种新型的传感技术逐渐开展在水电行业的工程应用，已有采用分布式光纤测温技术或光纤光栅测温技术监测土石坝渗流状况的个案；但是这些应用案例都存在一些缺陷：目前仅用于监测混凝土面板堆石坝周边缝的渗流状况，没有涉及监测面板垂直缝、水平施工缝等板间缝的渗流，没有形成面板渗流监测网络；对于深窄河谷超高面板堆石坝，面板垂直缝、水平施工缝等板间缝挤压破坏是造成坝体渗漏的重要因素，本实用新型拟提出一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，该布局结构采用分布式光纤测温技术和光纤光栅测温技术二种复合技术监测堆石坝面板施工缝的渗流。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对水电站土石坝已有的渗流监测存在的问题，提供一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，以解决土石坝已有的渗流监测方法无法满足超高混凝土面板堆石坝坝体渗流监测的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，它包括堆石坝坝基，所述堆石坝坝基和混凝土面板之间设置有面板周边缝，不同层的所述混凝土面板的层间设置有面板水平缝，同层的所述混凝土面板之间设置有多条面板垂直缝；沿着所述面板周边缝布设有光纤光栅测温探头线路，不同层间的面板水平缝和不同纵断面间的面板垂直缝间布设有覆盖整个面板堆石坝的多条一号分布式测温光缆线路和二号分布式测温光缆线路；所述光纤光栅测温探头线路、一号分布式测温光缆线路和二号分布式测温光缆线路呈空间交错排列方式。

所述光纤光栅测温探头线路包括信号光缆，所述信号光缆上串联有多个光栅温度探头，所述信号光缆的两个端头分别设置有信号光缆首端结构和信号光缆尾端结构。

所述一号分布式测温光缆线路和二号分布式测温光缆线路采用分布式光纤测温技术。

所述一号分布式测温光缆线路和二号分布式测温光缆线路的二组测温光缆线路并行敷设，其测温探头空间位置交错排列。

面板堆石坝依据混凝土面板的受力状况并沿着面板垂直缝从左至右依次划分为面板左岸拉性缝、面板中部压性缝和面板右岸拉性缝，在每个区域选择关键部位的多条面板水平缝和面板垂直缝布设相应的一号分布式测温光缆线路或二号分布式测温光缆线路实施渗流监测。

本实用新型有如下有益效果：

1、本实用新型光纤温度传感网络结构包含两种新型光纤传感技术：光纤光栅测温技术、分布式光纤测温技术，针对不同的面板区域采用不同的监测技术，达到实用性与经济性的统一。

2、本实用新型中光纤温度传感网络中二组光纤光栅测温探头线路并行敷设，探头空间位置交错排列，降低了施工和坝体沉降造成监测线路受损的影响；提高了监测数据的可靠性。

3、通过采用光纤光栅温度传感技术，其是一种新型的光测光传技术，具有本质安全、对电绝缘、抗电磁干扰、稳定性好、可靠性高、环境适应性强、适合远距离传感检测等优点；还可以在单根光纤上布置多个光栅探头实现对不同参数的测量，形成分布式传感网络，实现一线多点、无源多场的实时数据检测。

4、本实用新型所采用的分布式光纤测温技术利用拉曼散射原理实现对沿光纤温度场的分布式测量。特别适合长距离温度场的监测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型光纤温度传感网络布局的结构图。

图2为本实用新型光纤光栅测温探头线路单元布局示意图。

图中：堆石坝坝基1、面板周边缝2、光纤光栅测温探头线路3、面板垂直缝4、混凝土面板5、一号分布式测温光缆线路6、二号分布式测温光缆线路7、面板水平缝8、光栅温度探头9、信号光缆10、信号光缆尾端结构11、信号光缆首端结构12。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

如图1-2，一种用于超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，它包括堆石坝坝基1，所述堆石坝坝基1和混凝土面板5之间设置有面板周边缝2，不同层的所述混凝土面板5的层间设置有面板水平缝8，同层的所述混凝土面板5之间设置有多条面板垂直缝4；沿着所述面板周边缝2布设有光纤光栅测温探头线路3，不同层间的面板水平缝8和不同纵断面间的面板垂直缝4间布设有覆盖整个面板堆石坝的多条一号分布式测温光缆线路6和二号分布式测温光缆线路7；所述光纤光栅测温探头线路3、一号分布式测温光缆线路6和二号分布式测温光缆线路7呈空间交错排列方式。通过采用上述的光纤温度传感网络布局结构能够对面板堆石坝水平缝和垂直缝的温度进行监测，进而实现大坝面板关键部位结构缝渗流监测。

进一步的，所述光纤光栅测温探头线路3包括信号光缆10，所述信号光缆10上串联有多个光栅温度探头9，所述信号光缆10的两个端头分别设置有信号光缆首端结构12和信号光缆尾端结构11。所述一号分布式测温光缆线路6和二号分布式测温光缆线路7采用分布式光纤测温技术。通过采用光纤光栅测温技术和分布式光纤测温技术，将两者进行有效的结合，进而实现了实用性与经济性的统一。在保证了面板坝渗流监测的同时，有效的提高了渗流监测的质量和可靠性。

进一步的，所述一号分布式测温光缆线路6和二号分布式测温光缆线路7的二组测温光缆线路并行敷设，其测温探头空间位置交错排列。通过采用上述的敷设方式，降低了施工和坝体沉降造成监测线路受损的影响；同时，二组测温线路采集的温度信号相互印证，提高了监测数据的可靠性。

进一步的，面板堆石坝依据混凝土面板5的受力状况并沿着面板垂直缝4从左至右依次划分为面板左岸拉性缝、面板中部压性缝和面板右岸拉性缝，在每个区域选择关键部位的多条面板水平缝8和面板垂直缝4布设相应的一号分布式测温光缆线路6或二号分布式测温光缆线路7实施渗流监测。通过在关键部位敷设相应的测温光缆，保证了超高混凝土面板堆石坝坝体渗流监测的可靠性和安全性。

此外，所述的光纤光栅温度传感技术是一种新型的光测光传技术，具有本质安全、对电绝缘、抗电磁干扰、稳定性好、可靠性高、环境适应性强、适合远距离传感检测等优点；还可以在单根光纤上布置多个光栅探头实现对不同参数的测量，形成分布式传感网络，实现一线多点、无源多场的实时数据检测。

进一步的，所述分布式光纤测温技术利用拉曼散射原理实现对沿光纤温度场的分布式测量。特别适合长距离温度场的监测。

本实用新型的工作原理：

本实用新型公开一种用于水电站超高面板堆石坝渗流监测的光纤温度传感网络布局结构，请参考附图1、附图2所示。

所述光纤温度传感网络用来监测面板堆石坝面板施工连接缝的渗流状况。如上所述，面板堆石坝面板施工连接缝有面板周边缝、面板水平缝、面板垂直缝。依据面板受力状况，面板垂直缝从左至右划分为3个区域：面板左岸拉性缝、面板中部压性缝、面板右岸拉性缝。每个区域可选择关键部位的多条垂直缝实施渗流监测。附图1仅给出了3个区域的具有代表性的面板垂直缝实施渗流监测的布局示意图。

所述光纤温度传感网络由两部分组成：第一部分为由多个光纤光栅测温探头串联而成的测温线路实施堆石坝面板周边缝的温度监测；第二部分为二条，不限于两条，分布式测温光缆线路实施堆石坝面板水平缝和垂直缝的温度监测。

所述光纤温度传感网络包含二种新型光纤传感技术：光纤光栅测温技术、分布式光纤测温技术。针对不同的面板区域采用不同的监测技术，以期达到实用性与经济性的统一。

附图2为附图1中光纤光栅测温探头线路单元布局示意图。附图2将二组（不限于）光纤光栅测温探头线路并行敷设，探头空间位置交错排列。此布局结构具有二个特点：其一，每组光纤光栅测温探头线路首尾两端均可采集信号，降低了施工和坝体沉降造成监测线路受损的影响；其二，二组（不限于）处于相同空间位置光纤光栅测温探头线路采集的温度信号可以相互印证，提高了监测数据的可靠性。

进一步的，所述光纤温度传感网络布局结构仅限于描述面板堆石坝坝体温度监测网络的布局结构，面板堆石坝渗流监测系统的构建还需要配备辅助加热系统、光纤信号采集系统、数据处理分析系统。

设计图

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