一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏分布式检测系统及检测方法与流程

1.本发明涉及防渗帷幕检测系统及方法领域，具体是一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏分布式检测系统及检测方法。


背景技术：

2.垂直铺塑防渗技术是利用专门的开槽机械，在设计防渗线上开出一定宽度和深度的沟槽，采用泥浆保护槽壁，在槽内用人工分幅置入或人工辅助机械连续置入土工膜后，再用砂土回填沟槽，形成以防渗膜为主体、泥浆为辅助体的防渗体，也称防渗帷幕。垂直铺塑防渗技术充分利用了防渗膜的隔水性，具有适用范围广、防渗效果好、施工方便、经济性高等显著优点，广泛应用于河坝、尾矿坝、垃圾处理场防污染等领域，已成为目前国内该领域中最常见的防渗加固措施之一，具有很好的应用前景。但在垂直铺塑的施工过程中可能会出现以下质量问题：(1)防渗膜虽然具有良好机械强度，但其厚度较薄，大多数情况下不足1cm，在施工过程中，很可能会被施工机械和堤坝中的硬物鼓破或刺破，从而引起防渗结果达不到预期；(2)防渗膜铺不到成型槽底，开槽过程中泥沙在槽内淤积非常快，铺膜很容易被砂淤住，铺设深度不够；(3)防渗膜连接处仍然存在渗漏。两卷防渗膜在连接时通常采用焊接、缝接或搭接。但无论采用哪种方法，防渗膜的连接部分难免存在渗漏问题。由此，垂直铺塑防渗帷幕出现缺陷的可能性是较大的。如果这些缺陷隐患不能及时得到检测和处理，水头压力集中于防渗膜的破损部位导致集中渗漏，造成安全隐患甚至影响工程正常使用。因而，在防渗膜铺设完成后，对防渗帷幕进行及时检测以便及时发现防渗膜存在的问题，准确的了解和认识堤坝整个防渗帷幕的整体状况，这对堤坝安全是至关重要的。
3.垂直铺塑防渗技术因其防渗膜垂直布设，受堤坝土体的限制及其堤坝的边界形态等因素的影响，传统的垃圾填埋场的双电极法及电极栅格法难以直接应用到垂直铺塑的防渗膜质量的检测中，同时电测装置数据采集易受地层、采集装置形式、电噪声等因素影响。大开挖后直接观察法属于微观定量检测法，耗费人力物力，经济性低、安全性较差。相对成熟的地质雷达法、钻孔超声法等都无法针对垂直铺塑防渗帷幕进行全面、准确、有效的检测。从探测技术来讲，对于这类垂直布设于地下、宽度趋于零、横向无限延展以及纵向延展深度有限的三维薄体分布形态的无损探测一直是个难题。因此研究一种既能实时检测防渗帷幕渗漏情况，又能在汛期全面监测其整体连续性的检测方法及系统是非常必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏分布式检测系统及检测方法，以解决现有技术垂直铺塑防渗帷幕渗漏无法准确无损检测的问题。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏分布式检测系统，包括：
7.主动加热式光纤传感器，其包括发热电缆和分布式感测光纤，主动加热式光纤传感器整体固定于防渗帷幕，并随垂直铺设于土体铺塑槽内的防渗帷幕被土体铺塑槽内的土
壤掩埋；
8.电源，其与主动加热式光纤传感器中的发热电缆电连接，以向所述发热电缆通电对土壤进行加热，使所述分布式感测光纤在加热过程中感测土壤温度变化从而产生信号；
9.dts解调设备，其与主动加热式光纤传感器中的分布式感测光纤电连接，以接收分布式感测光纤在发热电缆加热时产生的信号，并进行解调处理得到加热时土壤的温度数据；
10.数据处理分析系统，其与所述dts解调设备电连接，所述数据处理分析系统接收dts解调设备解调处理后得到的温度数据，由数据处理分析系统基于随加热时间变化的温度数据得到温度特征值，并由数据处理分析系统基于温度特征值计算土体铺塑槽内土壤的含水率，最终由数据处理分析系统基于土体铺塑槽内土壤含水率进行防渗帷幕渗漏评估。
11.进一步的，所述主动加热式光纤传感器整体呈蛇形固定于防渗帷幕的单面或双面，主动加热式光纤传感器中的发热电缆、分布式感测光纤各自两端分别从土体铺塑槽内土壤中引出，以对应连接电源、dts解调设备。
12.进一步的，所述dts解调设备基于拉曼光时域反射测量方法从所述分布式感测光纤信号中解调得到温度数据。
13.进一步的，所述发热电缆为直流发热电缆，对应的电源为稳定直流电源。
14.进一步的，所述数据处理分析系统为至少具有处理器、存储器的终端设备。
15.一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏检测方法，包括以下步骤：
16.s1、令电源向主动加热式光纤传感器中的发热电缆提供恒定加热功率，使发热电缆产生热量，进而使主动加热式光纤传感器中的分布式感测光纤在加热时间感测土壤中温度变化，由此分布式感测光纤产生随加热时间变化的信号；
17.s2、所述dts解调设备接收分布式感测光纤产生的随加热时间变化的信号，并进行解调处理得到相应变化的温度数据；
18.s3、所述数据处理分析系统接收dts解调设备解调得到的温度数据，并将加热时间划分为多个相同的周期后，基于每个周期内多个时刻温度数据计算得到该周期的温度特征值，然后基于公式(1)计算得到对应于各个温度特征值的土壤的含水率，公式(1)如下：
19.w＝kt(t) b
ꢀꢀ
(1)，
20.其中：w为土壤的含水率，t(t)为周期t的温度特征值，k、b分别为常数；
21.s4、所述数据处理分析系统根据公式(2)计算含水率增长率，公式(2)如下：
[0022][0023]
其中，w
s
为温度增长率；|w
t 1
‑
w
t
|为温度增量；w
t 1
和w
t
分别为相邻两个周期的温度特征值；
[0024]
s5、所述数据处理分析系统中预设多级土壤含水率变化评估区域，所述数据处理分析系统将步骤s4得到的含水率增长率分别与多级含水率变化评估区域进行匹配，当含水率增长率位于某一级含水率变化评估区域内，则由数据处理分析系统产生对应级别的防渗帷幕渗漏警告结果。
[0025]
进一步的，步骤s3的公式(1)中，k、b常数的确定过程如下：
[0026]
将所述主动加热式光纤传感器依次植入多组预配设定含水率的土壤中，令主动加
热式光纤传感器中的发热电缆产生热量，并由dtc解调设备接收分布式感测光纤产生的随时间变化的信号后，解调得到相应变化的温度数据，接着由数据处理分析系统根据测得的随加热时间变化的温度数据、已知的多组土壤的含水率进行线性拟合，得到如公式(1)所示的线性关系，基于线性关系确定常数k、b。
[0027]
进一步的，所述步骤s3中，取每个周期内多个时刻温度数据的算数平均值，作为该周期的温度特征值。
[0028]
本发明基于主动加热光纤法实现防渗帷幕渗漏的无损检测。主动加热光纤法(actively heated fiber optic，ahfo)是将具有加热功能的光纤传感器布设在土中，根据不同含水率土体的导热系数不同的特点，建立土体导热性能与含水率之间的对应关系，从而确定土体含水率。该方法弥补了土体水分场缺少原位分布式监测的不足，利用主动加热光纤法监测的回填土内光缆的温度变化，将加热后某一时间段温度平均值作为温度特征值，结合温度特征值与含水率的关系，获得含水率的分布情况以判断垂直铺塑防渗帷幕的整体完整性及渗漏情况，以保障人民的生命财产安全。
[0029]
本发明原理：埋设于一定宽度和深度铺塑槽内部的主动加热式光纤传感器，在恒定电流作用下，根据欧姆定律，会以额定功率产生热量。主动加热式光纤传感器被加热后会对周围土体土壤发散热量，光缆本身以及周围的土体也被加热至一定温度。防渗帷幕阻断了渗流水的运输，土壤内含水率分布稳定，当防渗帷幕破损后，破损处出现渗流水，水带走的热量多，导致主动加热式光纤传感器及周围土体的温度发生变化，通过渗水造成温度变化差异，得到光缆异常数据变化，及时检测出防渗帷幕的变化，保证测量结果的探测精度。根据这一原理，通过dts解调设备测定主动加热式光纤传感器温度特征值的变化，就可以得到铺塑槽内回填土壤的含水率分布，进而确定防渗帷幕是否破损，预估防渗帷幕运行情况。通过对防渗帷幕内回填土壤一定区域和深度范围土体含水率的全分布式、实时监测，对垂直铺塑防渗帷幕的快速无损检测，分布式监测的同时，可实现对防渗帷幕的安全运行状况检测和判断，对于防渗帷幕漏洞的反应，由于温度变化，漏洞异常特征和横向位置可明确捕捉，渗漏范围可结合具体情况分析。
[0030]
本发明与传统的垂直铺塑防渗帷幕渗漏检测方法相比，具有以下有益效果：
[0031]
1.传统的垂直铺塑防渗帷幕渗漏检测方法耗费大量人力物力，排查时间长，工作效率低。本发明采集数据速度快，准确性高，分析具有直观性，提升工作效率。
[0032]
2.本发明所使用的光缆设施具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、稳定性高等优点，应用于垂直铺塑防渗帷幕渗漏及运行情况检测，光缆纤细埋置于地下，不对检测体造成损伤，施工便捷且使用年限长。
[0033]
3.本发明适用于垂直铺塑防渗技术施工初期，预先埋设，后期的监测具有无损检测。此外，对于大坝、水库等应用范围广泛。
附图说明
[0034]
图1是本发明检测系统结构原理图。
[0035]
图2是本发明主动加热式光纤传感器与防渗帷幕结构分布图。
[0036]
图3是本发明方法原理图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0038]
如图1、图2所示，本发明一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏分布式检测系统，包括防渗帷幕1、由发热电缆5和分布式感测光纤2构成的主动加热式光纤传感器、稳定直流电源6、dts解调设备7、作为数据处理分析系统的计算机8，计算机8中程序设置有电源与电流控制模块、数据处理模块、数据存储模块、评估模块、预警模块。
[0039]
主动加热式光纤传感器整体呈蛇形多道弯曲固定于防渗帷幕1的单面或双面，并且在每道弯曲处通过固定胶带3进行加固，防渗帷幕1垂直铺设于土体9的铺塑槽4内时，主动加热式光纤传感器随防渗帷幕1被土体9铺塑槽4内回填的土壤掩埋。主动加热式光纤传感器中的发热电缆5、分布式感测光纤2各自两端分别从土体9铺塑槽4内土壤中引出。
[0040]
主动加热式光纤传感器中发热电缆5为直流发热电缆，稳定直流电源6其与发热电缆5电连接，并且稳定直流电源6受控于计算机8，由计算机8中程序设置的电源与电流控制模块控制稳定直流电源向发热电缆5通电，对铺塑槽4内回填的土壤进行加热，加热过程中分布式感测光纤2感测土壤温度变化，从而产生随加热时间变化的信号。基于这一信号能够提取出土壤对应的温度值。
[0041]
dts解调设备7与主动加热式光纤传感器中的分布式感测光纤2电连接，以接收分布式感测光纤2在发热电缆加热时产生的信号，并基于拉曼光时域反射测量方法对分布式感测光纤2信号进行解调处理，得到加热时土壤的温度数据。
[0042]
计算机8与dts解调设备7电连接，计算机8接收dts解调设备解调处理后得到的温度数据，计算机8中程序设置的数据处理模块基于随加热时间变化的温度数据得到温度特征值，并由数据处理模块基于温度特征值计算土体9铺塑槽4内土壤的含水率，计算结果由数据存储模块存储于计算机8的存储器，最终由计算机8程序设置的评估模块基于土体9铺塑槽4内土壤含水率进行防渗帷幕渗漏评估，以及由计算机8程序设置的预警模块产生报警结果。
[0043]
如图3所示，本发明一种垂直铺塑防渗帷幕渗漏检测方法，包括如下步骤：
[0044]
步骤一、确定垂直铺塑开槽线，在锯槽机工作初始成铺塑槽4后，按照防渗帷幕1底部位置的深度和宽度，用固定胶带3将主动加热式光纤传感器等距且呈蛇形固定在防渗帷幕1。
[0045]
步骤二、将防渗帷幕卷置入铺塑槽4内，并随开槽机前行防渗帷幕同步在铺塑槽内展开。同时为保证铺塑深度，通过对防渗帷幕1卷上下端限位，使其在铺塑槽内行走时保持相对垂直。
[0046]
步骤三、向铺塑槽4回填土壤，从防渗帷幕上部侧向铺塑槽4内回填土壤，在铺塑槽4槽口固定好主动加热式光纤传感器测线垂直方向，然后均匀回填土壤。
[0047]
具体的，铺塑槽内底部以上3米范围内回填粘性土4，中部优先选用砂性土进行回填，回填接近槽上口时向槽内注水，使回填土自然下沉，7～10天后向槽补充回填粘性土到设计高程并夯实。
[0048]
步骤四、令稳定直流电源6向主动加热式光纤传感器中的发热电缆5施加固定功率电信号进行脉冲加热，利用dts解调设备7接收分布式感测光纤2的信号进行解调处理得到回填土壤的温度数据，该温度数据随加热时间而变化，dts解调设备7是基于拉曼光时域反
射测量技术进行分布式温度测量。
[0049]
步骤五、令计算机8的数据处理模块接收dts解调设备7解调得到的温度数据，并将加热时间划分为多个相同的周期后，在主动加热式光纤传感器形成的温度场梯度不再改变时，计算每个周期内多个时刻温度数据的算数平均值，由此得到对应周期的温度特征值，然后基于公式(1)计算得到对应于各个温度特征值的土壤的含水率，并由计算机9中的数据存储模块将计算结果存储至存储器，公式(1)如下：
[0050]
w＝kt(t) b
ꢀꢀ
(1)，
[0051]
其中：w为土壤的含水率，t(t)为周期t的温度特征值，k、b分别为常数。
[0052]
计算机中预先根据标定实验中主动加热式光纤传感器测量温度数据和含水率的线性关系，由此获得常数k和b。标定试验是指在对铺塑槽4含水率测试前，用稳定直流电源6对回填土壤中的主动加热式光纤传感器加热，控制加热功率为35w/m，加热时间为20min，加热间隔为20min以上，以保证主动加热式光纤传感器表面温度回复至初值。具体过程如下：
[0053]
将主动加热式光纤传感器依次植入五至七组预配设定含水率的回填土壤中，使发热电缆进行通电加热，利用dts解调设备解调、记录各光缆通电加热过程中的温度值；计算机8计算各个主动加热式光纤传感器温度值，并拟合出主动加热式光纤传感器温度值与土壤含水率之间的线性关系：w1＝kt1(t) b，其中w1为己知的土壤含水率，t1(t)为主动加热式光纤传感器测得的随加热时间变化的温度值，k和b为常数，根据拟合的线性关系，可得到常数k和b。
[0054]
步骤六、计算机8中的评估模块对步骤五中的主动加热式光纤传感器温度特征值及含水率进行评估，过程如下：
[0055]
将含水率变化率用于划分铺塑槽4内回填土壤对应的防渗帷幕对铺塑槽9的渗漏等级分类，为了更好地显示实测含水量变化的详细特征，将每次测得的含水率变化增量与上次加热测得的含水率值之比w定义为含水率增长率，以反映土壤含水量变化，如公式(2)所示：
[0056][0057]
其中，w
s
为含水率增长率；|w
t 1
‑
w
t
|为含水率增量；w
t 1
和w
t
分别为相邻两个周期的土壤含水率。
[0058]
将含水率增长率的大小作为评定单元，并且计算机8的评估模块划分有多个等级，其中0
‑
30％为评估等级一，30％
‑
60％为评估等级二，60％
‑
100％为评估等级三，大于1为评估等级四，各个等级如下：
[0059]
评估等级一，用于根据所述铺塑槽运行预警结果和所述防渗膜1渗漏警告结果，生成相应等级的第一评定结果；
[0060]
评估等级二，用于根据所述铺塑槽运行预警结果和所述防渗膜1渗漏警告结果生成相应等级的第二评定结果；
[0061]
评估等级三，用于根据所述铺塑槽运行预警结果和所述防渗膜1渗漏警告结果生成相应等级的第三评定结果；
[0062]
评估等级四，用于根据所述铺塑槽运行预警结果和所述防渗膜1渗漏警告结果生成相应等级的第四评定结果。
[0063]
步骤七、计算机8中的报警模块根据所述评估等级结果，给出相应等级的防渗帷幕渗漏警告结果，并输出相应的报警信息。
[0064]
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。