一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统与流程

1.本发明涉及隧道渗漏水监测领域和分布式光纤传感的温度解调技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统。


背景技术：

2.我国交通隧道建设蓬勃发展，但隧道渗漏水一直是隧道安全和健康面临的重要问题。渗漏水是运营隧道主要病害之一，也是引起隧道其他病害的根源。在空间相对封闭的长隧道中，一旦发生渗漏水灾害，可能会造成人员和隧道设施的重大损失。隧道渗漏水会使得衬砌侵蚀、隧底下沉、电力电器设备锈蚀，也会破坏隧道衬砌混凝土及围岩内部结构，改变隧道结构应力体系，从而严重影响隧道的安全运营，缩短隧道的使用寿命。隧道长期带病运营极有可能带来致命性破坏，严重时会给人民生命财产和国家经济带来巨大损失。
3.当隧道某一区域发生渗漏水时，会导致其周围的温度场发生明显的温度变化，因此可以利用温度变化信息来定位隧道的渗漏水点及区域。
4.传统的光学式传感器、机械式传感器、液压式传感器、气压式传感器、电测式传感器等在实际应用中具有一定弊端，单位数据采集成本高，数据采集频次低，数据采集选点离散，容易发生采集漏检、盲区；数据采集稳定性低，传感器读数易受干扰，数据精度和耐久性不足，隧道状态评估缺少数据支撑；人力要求高，地铁运营决定了监测时段有限，地下工作环境差长期监测对员工身体有害，单个项目的经济性较差。
5.分布式光纤温度传感系统可针对隧道内的漏水点进行较精确地监测，并且光纤可以进行长距离的铺设，可适应隧道的实际监测需求。但是在现有技术中，分布式光纤温度传感系统多为针对漏水点的位置进行简单的判别，并不能对漏水水量及漏水速度进行精确监测。
6.因此在现实应用中需要对隧道的漏水涌水点进行水量及水流速度的精确监测，更加科学准确的提供灾难预警。


技术实现要素：

7.本发明公开了一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统，利用分布式温度光纤可以对隧道漏水涌水位置、水位高度及水流速度进行精确监测，本发明为隧道维护提供了更加科学的灾难预警，为及时排除隐患提供准确及时帮助。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测系统，包括3道分布式温度光纤，光纤解调仪，计算机终端；
10.3道所述分布式温度光纤以不同高度平行分别布置于隧道内部并相互串联后与所述光纤解调仪相连，所述光纤解调仪可对隧道内温度变化进行实时监测；所述光纤解调仪与所述计算机终端相连；所述光纤解调仪对光信号进行解调，并利用滤波器差分方程滤掉
解调仪数据中的高频波动部分，处理后的数据生成光纤温度曲线；根据3道分布式温度光纤的温度差异变化可判别渗水涌水位置和水位高度；利用基于分布式光纤监测数据的数据分析方法生成光纤温度云图，识别光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域，通过对异常区域进行一次线性拟合可计算出渗水涌水温度水流速度；所述计算机终端为数据图形信息显示终端。
11.作为本发明进一步的方案：3道所述分布式温度光纤其中第一道分布式温度光纤铺设于隧道排水沟底部，贯穿整条隧道，第二道分布式温度光纤铺设于隧道侧壁排水沟顶部，仅铺设在离隧道出入口100米范围内，第三道分布式温度光纤铺设于隧道侧壁轨道道床平面，仅铺设在离隧道出入口100米范围内，此种光纤布置方案满足城市轨道交通设施运营监测技术规范和城市轨道交通运营技术规范的要求，同时也考虑了控制投入成本以及隧道出入口附近涌水风险大等问题。
12.一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法，包括以下步骤：
13.s1、所述分布式温度光纤对隧道内温度进行监测，并将光信号传输给所述光纤解调仪；
14.s2、所述光纤解调仪将光信号进行解调，并利用滤波器差分方程滤掉解调仪数据中的高频波动部分，处理后的数据生成光纤温度曲线，根据光纤温度曲线温度异常判别渗水涌水位置和水位高度；
15.s3、所述光纤解调仪生成的光纤温度曲线通过基于分布式光纤监测数据的数据分析方法生成光纤温度云图，识别光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域，通过对异常区域进行一次线性拟合可计算出渗水涌水温度水流速度。
16.作为本发明进一步的方案：
17.所述基于分布式光纤监测数据的数据分析方法包括：生成经过初步处理的隧道分布式温度数据；选取每48小时的温度数据；以里程为横轴，以时间为纵轴，不同颜色代表不同温度，生成每48小时的所述光纤温度云图；识别所述光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域；对所述异常区域进行一次线性拟合，线性的斜率可以作为该段隧道的渗水涌水速度。
18.作为本发明进一步的方案：
19.渗水涌水位置和水位高度判定方法：
20.1)以第三道分布式温度光纤温度测量值为参考值，如果第一道分布式温度光纤在《0.2m局部范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生局部渗水；
21.2)以第三道分布式温度光纤温度测量值为参考值，如果第一道分布式温度光纤在0.2m-2m小范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生局部滴漏；
22.3)以第三道分布式温度光纤温度测量值为参考值，如果第一道分布式温度光纤在2m-10m大范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生局部漏水；
23.4)以第三道分布式温度光纤温度测量值为参考值，如果第一道和第二道分布式温度光纤在》10m大范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生小规模涌水；
24.5)以隧道背景温度为参考值，如果所有3道分布式温度光纤在》10m大范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生大规模喷涌或洪水；
25.作为本发明进一步的方案：
26.基于光纤温度云图的水流速度计算方法：
27.光纤温度云图以横轴为隧道里程，纵轴为时间，不同颜色代表温度，颜色由蓝色到红色代表温度由低到高，蓝色为隧道背景温度，温度云图可以显示水流随着时间流动，识别光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域，通过对异常区域进行一次线性拟合可计算出渗水涌水水流速度。
28.作为本发明进一步的方案：
29.识别所述光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域方法：
30.所述光纤温度云图中，在温度随时间变化的函数中，识别出温度在1小时内出现温度变化的突起，所述突起为温度先增加后减小或者先减小后增加的异常变化，所述温度异常区域突起温度变化值》0.5℃；获取所述温度异常区域中每个测点的里程值和时间值，对这些点坐标值进行线性插值，并计算线性相关系数，当所述线性相关系数r2》0.8时可以判定为该异常区域是隧道渗水或者涌水，所述线性的斜率可以作为水流速度。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
32.基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统，包括3道以不同高度平行布置的分布式温度光纤，光纤解调仪，计算机终端；分布式温度光纤可将光信号传送给光纤解调仪，光纤解调仪通过分析光信号数据生成光纤温度曲线，根据温度差异变化可判别渗水涌水位置和水位高度；通过基于分布式光纤监测数据的数据分析方法生成光纤温度云图并可计算出渗水涌水水流速度，计算机终端与光纤解调仪相连并可对数据图片进行高清显示。本基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统，利用分布式温度光纤可以对隧道漏水涌水位置和水位高度及水流速度进行精确监测，提供了更加科学的灾难预警，为及时排除隐患提供及时帮助。
附图说明
33.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
34.在附图中：
35.图1为本发明一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统的流程示意图。
36.图2为本发明基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测系统的结构示意图。
37.图3为本发明一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统的光纤温度曲线图。
38.图4为本发明中基于分布式光纤监测的数据分析方法以及基于光纤温度云图的渗水涌水水流速度计算方法。
39.图5为本发明一种基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统的光纤温度云图。
40.附图标记注释：
41.1、分布式温度光纤；11、第一道分布式温度光纤；12、第二道分布式温度光纤；13、第三道分布式温度光纤；2、光纤解调仪；3、计算机终端；
具体实施方式
42.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
43.需要说明，实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
44.另外，在实施例中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
45.为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：如图1-5所示：
46.基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测系统，包括3道分布式温度光纤1，光纤解调仪2及计算机终端3。
47.3道分布式温度光纤1以不同高度平行分布，其中第一道分布式温度光纤11铺设于隧道排水沟底部，贯通整条隧道，第二道分布式温度光纤12铺设于隧道排水沟顶部，仅铺设在离隧道出入口100米范围内，第三道分布式温度光纤13铺设于轨道道床平面，仅铺设在离隧道出入口100米范围内，该布置方案满足城市轨道交通设施运营监测技术规范和城市轨道交通运营技术规范的要求，同时也考虑了控制投入成本以及隧道出入口附近涌水风险大等问题。
48.3道分布式温度光纤1相互串联后与光纤解调仪2相连，隧道内温度变化可通过分布式温度光纤1传送给光纤解调仪2，光纤解调仪2可对隧道内温度变化进行实时监测；光纤解调仪2将光信号进行解调，并利用滤波器差分方程滤掉光纤解调仪数据中的高频波动部分，处理后的数据生成光纤温度曲线，根据温度异常判别渗水涌水位置和水位高度。
49.基于分布式光纤监测数据的数据分析方法将温度变化数据转换为光纤温度云图，根据光纤温度云图三维显示数据可计算温度水流速度。
50.计算机终端3与光纤解调仪2相连，计算机终端3可将光纤温度曲线和光纤温度云图进行高清显示。
51.基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法，包括以下步骤：
52.s1、分布式温度光纤1对隧道内温度进行监测，并将光信号传输给光纤解调仪2；
53.s2、所述光纤解调仪2将光信号进行解调，并利用滤波器差分方程滤掉解调仪数据中的高频波动部分，处理后的数据生成光纤温度曲线，根据温度异常判别渗水涌水位置和水位高度；
54.s3、所述光纤解调仪2生成的光纤温度曲线通过基于分布式光纤监测数据的数据
分析方法生成光纤温度云图，识别光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域，通过对异常区域进行一次线性拟合可计算出渗水涌水温度水流速度。
55.其中：
56.基于分布式光纤监测数据的数据分析方法包括：
57.生成经过初步处理的隧道分布式温度数据；选取每48小时的温度数据；以里程为横轴，以时间为纵轴，不同颜色代表不同温度，生成每48小时的温度云图；识别云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域；对该异常区域进行一次线性拟合，线性的斜率可以作为该段隧道的渗水涌水速度。
58.渗水涌水水量判定方法：
59.1)以第三道分布式温度光纤13温度测量值为参考值，如果第一道分布式温度光纤11在《0.2m局部范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生局部渗水；
60.2)以第三道分布式温度光纤13温度测量值为参考值，如果第一道分布式温度光纤11在0.2m-2m小范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生局部滴漏；
61.3)以第三道分布式温度光纤13温度测量值为参考值，如果第一道分布式温度光纤11在2m-10m大范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生局部漏水；
62.4)以第三道分布式温度光纤13温度测量值为参考值，如果第一道和第二道分布式温度光纤11、12在》10m大范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生小规模涌水；
63.5)以隧道初始温度为参考值，如果所有3道分布式温度光纤1在》10m大范围内温度变化值》0.5℃，系统判定隧道发生大规模喷涌或洪水；
64.基于温度云图的水流速度计算方法：
65.光纤温度云图以横轴为隧道里程，纵轴为时间，不同颜色代表温度，颜色由蓝色到红色代表温度由低到高，蓝色为隧道背景温度，温度云图可以显示水流随着时间流动，识别云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域，通过对异常区域进行一次线性拟合可计算出渗水涌水温度水流速度。
66.识别所述光纤温度云图中具有一定时间和空间分布规律的温度异常区域方法：
67.光纤温度云图中，在温度随时间变化的函数中，识别出温度在1小时内出现温度变化的突起，突起为温度先增加后减小或者先减小后增加的异常变化，温度异常区域突起温度变化值》0.5℃；获取温度异常区域中每个测点的里程值和时间值，对这些点坐标值进行线性插值，并计算线性相关系数，当线性相关系数r2》0.8时可以判定为该异常区域是隧道渗水或者涌水，线性的斜率可以作为水流速度。
68.在光纤温度云图中，水流沿分布式温度光纤方向进行流动，光纤温度云图中横轴为里程，水流在光纤温度云图中接近呈现一条直线。
69.基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统，包括3道以不同高度平行布置的分布式温度光纤1，光纤解调仪2及计算机终端3；分布式温度光纤1可将温度信息传送给光纤解调仪2，光纤解调仪2将光信号进行解调，并利用滤波器差分方程滤掉光纤解调仪数据中的高频波动部分，处理后的数据生成光纤温度曲线，根据温度异常判别渗水涌水位置和水位高度；通过基于分布式光纤监测数据的数据分析方法生成光纤温度云图并可计算出渗水涌水温度水流速度。计算机终端与光纤解调仪相连，计算机终端可将光纤温度曲线和光纤温度云图进行高清显示。
70.基于分布式光纤监测的隧道渗水涌水监测方法与监测系统，利用分布式温度光纤1可以对隧道漏水涌水位置和水位高度及水流速度进行精确监测，本发明提供了更加科学的灾难预警，为及时排除隐患提供了及时帮助。
71.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。