[发明专利]基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置及其监测方法

说明书

本发明公开了一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置及其监测方法，监测装置包括控制箱、导水管、进水管、沉淀管、悬挂杆和用于接收背向散射光的光纤，控制箱底部设置第一出光纤孔，光纤的一端通过第一出光纤孔与控制箱相连，光纤的另一端弯曲螺旋在悬挂杆上，导水管与进水管紧密连接，进水管与沉淀管紧密连接，悬挂杆包含圆形顶盖和圆柱杆两部分，导水管和进水管分别与第一管接头螺纹连接，进水管和沉淀管分别与第二管接头螺纹连接，进水管上有透水孔，光纤为塑料光纤。监测方法包括：光时域反射模块接收塑料光纤的背向散射光，用公式计算水位。本发明有成本低、韧性好、抗腐蚀和抗电磁干扰强等优点，测量数据可靠。

技术领域

本发明属于土石坝安全监测技术领域，具体为一种土石坝浸润线监测装置。

背景技术

浸润线是土石坝渗漏量计算及坝坡抗滑、抗震、抗渗能力复核的主要依据，是衡量土石坝安全程度的重要指标因此，确定浸润线位置是土石坝病害诊断和治理中必须解决的关键问题。根据《碾压土石坝设计规范》(SL274-2000)，《土石坝安全监测技术规范》(SL551-2012)等规范要求，水库管理人员须定期观测坝体浸润线，以评价工程运行是否安全。

传统浸润线监测方法是在土石坝横截面打孔设置测压管或多测点布置渗压计，根据测量某一深度水压力从而换算出水位。水压的测量通常采用渗压计测量，渗压计由弹性薄板、应变敏感元件、密封壳及引出电缆四部分组成。压力水使受压板产生挠曲，使应变敏感元件的方杆产生相对位移，引起电阻比变化，从而测得渗透压力的大小。但渗压计密封性要求较高，长期使用易发生锈蚀，零点漂移等问题，且连接电缆易发生松动变形，造成渗压计高程变化，测量数据准确性难以保障。另外，出现问题后现场校正或维修不方便，通常整体更换造成较大人力和物力的浪费。近年来，基于分布式光纤温度传感技术，通过通电加热光纤观测温度突变来定位浸润线的方法受到广泛关注，例如：专利申请号CN103353322A的中国发明专利“一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法”提出采用拉曼型DTS系统垂直埋设光纤进行测温，专利申请号CN105698897A的中国发明专利“一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统”提出利用布里渊或布里渊-瑞利合成系统和光电复合缆进行监测。但利用分布式光纤传感技术多存在干扰施工，铺设周期长，系统运行成本高且维修等问题，且多采用光纤光栅作为传感元件，其容易断裂，存活率低，且价格昂贵，实际应用中很难推广使用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种可实现实时在线和远程自动监测的土石坝浸润线监测装置，本发明的另一目的是提供利用该装置的监测方法。

技术方案：本发明所述的一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测装置，包括控制箱、导水管、进水管、沉淀管、悬挂杆和用于接收背向散射光的光纤，悬挂杆放置于导水管内，控制箱底部设置第一出光纤孔，光纤的一端通过第一出光纤孔与控制箱相连，另一端弯曲螺旋在悬挂杆上，导水管与进水管连接，进水管与沉淀管连接，悬挂杆包含圆形顶盖和圆柱杆两部分，圆形顶盖预留兼作通风孔的第二出光纤孔，圆柱杆的外侧预留用于缠绕固定光纤的圆柱螺旋状沟槽，导水管和进水管分别与第一管接头螺纹连接，进水管和沉淀管分别与第二管接头螺纹连接，进水管上有透水孔，光纤为塑料光纤。

控制箱固定在立杆上，控制箱包括微处理器、蓄电池、控制器、无线通讯模块和用于向光光纤发射光脉冲并接收背向散射光的光时域反射模块，光时域反射模块与光纤相连，控制器与蓄电池相连，微处理器分别与蓄电池、无线通讯模块和光时域反射模块相连。控制器与太阳能板相连，太阳能板通过支架与立杆相连，无线通讯模块与天线相连，各测点通过GPRS网络连接通讯服务器，与主控制服务器终端连接，统一处理，可得到浸润线整体情况。

本发明所述的一种基于光时域反射的土石坝浸润线监测方法：光时域反射模块向塑料光纤发射光脉冲，并接收塑料光纤的背向散射光，Z为水位，Z₀塑料光纤顶高程，D为塑料光纤圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离，利用以下公式计算水位：