涉水結構物滲漏無熱源光纖定位定向系統及監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種涉水結構隱患的定位和定向，具體涉及一種涉水結構物滲漏無熱 源光纖定位定向系統及監測方法。
【背景技術】
[0002] 滲流是影響水工、海工以及地下工程等中涉水結構物安全長效服役的重要因素和 突出病害，尤其對于土石壩、堤防等土石結構物，大量破壞甚至失事是由于程度不同的滲漏 及滲漏衍生的各種問題所致，據統計，我國堤防潰決90%以上、土石壩工程中超過三分之一 破壞緣于滲漏。研發先進實用的滲漏定位與定向儀器、裝置和辨識方法，可靠探測涉水結構 物內滲漏發生的位置、范圍、方向以及大小，及時采取有效的防滲抗滲措施，對保障工程安 全具有極其重要的意義。
[0003] 目前對于涉水結構物滲漏定位與定向監測，多借助點式滲流傳感器，但由于測點 有限，常出現漏檢情況，且傳統滲流傳感器多存在體積大、引線多、親和性差等不足。隨著分 布式光纖傳感監測技術的發展，研發可用于涉水結構物滲漏位置和方向的分布式光纖辨識 裝置及方法，日益引起工程界和科技工作者的關注與投入。但國內外已有的分布式光纖測 滲技術，多需借助外設熱源對待測光纖給予加熱，若在加熱中發生外包裝層破損或者漏電 等情況，將對操作人員的人身安全造成威脅，且影響監測結果；另外，在涉水結構物服役環 境中，外設電流加熱系統常難于保證，極大阻礙了該技術在實際工程中的應用和推廣。
【發明內容】
[0004] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種涉水結構物滲漏無 熱源光纖定位定向系統及監測方法，具有無需加熱、分布式、多向性、同步性等特點，在降低 監測成本、提升監測精度及工程實用化等方面具有突出優勢。
[0005] 技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種涉水結構物滲漏無熱源光纖定位 定向系統，包括若干個通過旋轉支架連接的滲流監測裝置，所述滲流監測裝置包含前后對 稱分布的第一滲流監測單元和左右對稱分布的第二滲流監測單元；
[0006] 所述第一滲流監測單元包含固定監測光纖單元的第一載纖凹道，第一載纖凹道外 設有載纖護層，第一載纖凹道兩端分別設有左載纖端和右載纖端，左載纖端通過左連柄與 左連球連接，右載纖端通過右連柄與右連球連接，左連球和右連球鉸接在橫梁支架兩端，橫 梁支架向左右兩側延伸有左銷軸和右銷軸；
[0007] 所述第二滲流監測單元包含固定監測光纖單元的第二載纖凹道，第二載纖凹道的 兩端分別設有上載纖弧端和下載纖弧端，上載纖弧端通過上弧形連柄與上連軸球連接，下 載纖弧端通過下弧形連柄與下連軸球連接，上連軸球和下連軸球鉸接在山形端梁的兩端， 山形端梁上延伸有山形凸柱，山形凸柱內設有與左銷軸和右銷軸配合的圓錐孔；
[0008] 所述旋轉支架包含第一支撐架構柱和第二支撐架構柱，所述第一支撐架構柱一端 與橫梁支架連接，另一端與底圓轉臺連接，底圓轉臺上安裝有上圓轉臺，第二支撐架構柱一 端與另一個滲流監測裝置的橫梁支架連接，另一端插入到上圓轉臺中，底圓轉臺和上圓轉 臺中心安裝有通底豎梁，第一支撐架構柱和第二支撐架構柱可分別繞通底豎梁轉動，通底 豎梁上下端設有轉臺圓槽用于將通底豎梁封閉。
[0009] 作為優選，所述橫梁支架包含上水平橫梁和與上水平橫梁連接的下水平橫梁，上 水平橫梁和下水平橫梁的兩端分別延伸左架構梁和右架構梁，上水平橫梁和下水平橫梁的 左架構梁和右架構梁分別與左連球和右連球鉸接，上水平橫梁和下水平橫梁的中部分別設 有上端槽和下端槽，上端槽與第一支撐架構柱連接，下端槽與另一個旋轉支架的第一支撐 架構柱連接。
[0010] 作為優選，所述上水平橫梁設有T型狀橫梁卡槽，下水平橫梁設有沿T型狀橫梁卡 槽運動的橫梁凸臺。
[0011] 作為優選，所述監測光纖單元包含一根滲流測量光纖和兩根標定光纖，兩根標定 光纖位于滲流測量光纖的兩側，滲流測量光纖外套有硬質鋼圈，標定光纖從內到外依次套 有絕熱隔層和硬質護層，滲流測量光纖外設有依次連接的上凹邊內層、左凸邊內層、下凹邊 內層和右凸邊內層，上凹邊內層外依次設有上凹邊中層和上凹邊外層，左凸邊內層外依次 設有左凸邊中層和左凸邊外層，下凹邊內層外依次設有下凹邊中層和下凹邊外層，右凸邊 內層外依次設有右凸邊中層和右凸邊外層。凹形結構的最底端將極容易匯集周邊區域可能 的滲流水體，放大了小滲流的作用效果，與最底端的滲析棒配套使用，大大提高了對微弱滲 漏或初期滲漏的辨識能力，該弧形截面結構將最大程度地擴大滲流區域滲流水體在滲流測 量光纖上的停留時間及接觸面積，對于待測區滲流位置的定位具有較高的精度保證作用； 除此之外，上凹邊外層具有防滲、防腐性能，且設計了與其截面形狀類似的上凹邊中層與上 凹邊內層緊接，三層凹狀設計結構提高了本滲流監測專用光纜的強度及韌性，可起到保護 內部結構及延長使用壽命等效果。其中硬質護層在絕熱隔層的外部，絕熱隔層內側與標定 光纖接觸，在滲流水體作用到待測區域時，在絕熱隔層的作用下標定光線處于與外界無任 何熱量接觸的狀態，其將作為參考標定用光纖，對稱分布布置的另一個標定光纖可以對參 考標定用光纖的結果進行二次校正，其將最大程度地確保參考標準的客觀準確性。左凸邊 外層和右凸邊外層與凹邊外層相反的凸邊結構，該相反的對應設計大大增加了滲流專用光 纜的截面積，提高了監測裝置與待測結構體之間更密實的接觸與連接，增強了監測裝置與 待測結構體的協同性，且將其布置成左右各三層結構，作用之一是為了增加標定光纖處的 隔層厚度，且材料強度及韌性由內到外不斷增加，不但提高了其內部與標定光纖的柔性過 渡連接，還增加了抵抗外部的較大滲流水壓力的作用，左凸邊外層和右凸邊外層具有抗腐 蝕性能，提高了其與滲流水體長期共存的能力，在可能摻雜腐蝕性離子的復雜環境下，其滲 流監測具有較好功效。
[0012] 作為優選，所述滲流測量光纖兩邊分別與上滲析棒和下滲析棒連接，上滲析棒依 次穿過硬質鋼圈、上凹邊內層、上凹邊中層和上凹邊外層與外界滲漏水流相接觸，下滲析棒 依次穿過硬質鋼圈、下凹邊內層、下凹邊中層和下凹邊外層與外界滲漏水流相接觸。
[0013] 作為優選，所述監測光纖單元外安裝有外圓護壁，所述外圓護壁包含左上外圓護 壁、左下外圓護壁、右上外圓護壁和右下外圓護壁，左上外圓護壁、左下外圓護壁、右上外圓 護壁和右下外圓護壁形成了凹凸型載纖腔，監測光纖單元位于凹凸型載纖腔內，左上外圓 護壁和右上外圓護壁之間通過上載纖扣鎖緊，左下外圓護壁和右下外圓護壁通過下載纖扣 鎖緊，左上外圓護壁和左下外圓護壁分別繞左圓轉環轉動，右上外圓護壁和右下外圓護壁 分別繞右圓轉環轉動。外圓護壁的近似圓形截面將凹凸設計的監測光纖單元中凹處部分進 行二次補充，將布置于內部的滲流專用光纜組成一個外截面近似圓形的結構，彌補了其獨 特結構所帶來的生產、運輸及布設中存在的可能弊端；外圓護壁可以繞著左圓轉環和右圓 轉環開啟，外圓護壁內部的凹凸型載纖腔可以將本發明的滲流專用光纜精密地嵌入到凹凸 型載纖腔內，外圓護壁頂部和底端的上載纖扣與下載纖扣將外圓護壁牢固閉合，防止外圓 護壁松動或者外界人為等其他因素的干擾；且外圓護壁與凹凸型載纖腔之間是空腔設計， 為可能的使用操作預留了空間。
[0014] 在本發明中，第一支撐架構柱與上水平橫梁中的上端槽或者下水平橫梁的下端槽 連接，第一支撐架構柱另一端與底圓轉臺相連，下旋轉螺紋端與底轉臺螺槽相連之后，其一 端的滲流監測裝置可以圍繞著通底豎梁進行與另一端滲流監測裝置無抵觸的360°無死角 自由轉動，上旋轉螺紋端的一端與其對應側的支撐架構柱相連，上旋轉螺紋端的另一端與 上轉臺螺槽相連，其可以帶動通過對應側鏈接螺紋端相連接的滲流監測裝置繞著通底豎梁 在另一側做無干擾360°自由轉動；上圓轉臺與底圓轉臺上下錯動布置可以實現臨近裝置 互不干擾的運轉，可以對不同待測區域進行任意角度及坡度布置，上下轉臺圓槽的布置結 構將上圓轉臺與底圓轉臺牢固的固定于通底豎梁處。
[0015] 作為優選，所述第二載纖凹道內表面安裝有滲漏網篩，滲漏網篩的表面為蜂窩狀。
[0016] 作為優選，所述左銷軸和右銷軸上均設有一圈圓弧凹槽，山形凸柱上表面上設有 銷孔，銷孔內插入銷，通過銷插入圓弧凹槽固定左銷軸和右銷軸。
[0017] -種涉水結構物滲漏無熱源光纖定位定向系統的監測方法，包括以下步驟：
[0018] 第一步，準備普通單模裸光纖數根，基于第一滲流監測單元和第二滲流監測單元 結構，配備制作成數根定長度的監測光纖單元；
[0019] 第二步，繞著左圓轉環和右圓轉環將左上外圓護壁、左下外圓護壁、右上外圓護壁 和右下外圓護壁打開，將監測光纖單元安置到凹凸型載纖腔內，然后旋動左圓轉環和右圓 轉環將左上外圓護壁、左下外圓護壁、右上外圓護壁和右下外圓護壁合攏，利用上載纖扣和 下載纖扣將兩端分布的左上外圓護壁、左下外圓護壁、右上外圓護壁和右下外圓護壁扣合， 后將監測光纖單元纏繞到監測光纖單元滾輪上，運輸至滲流待監測部位；
[0020] 第三步，調節上水平橫梁上的橫梁卡槽，將下水平橫梁中的橫梁凸槽沿著橫梁卡 槽直線滑動，最后將上水平橫梁與下水平橫梁旋在一起平行布置，后擰動左側的上下對稱 分布的左銷軸，將其插入在左側山形凸柱中的圓錐孔，然后將銷插入銷孔中固定左銷軸，同 樣方法，擰