区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法，前期通过工程现场调研获取土层特性参数，在该实验装置中进行土层制样，利用该实验装置搭建堤防工程地区的堤防模型，然后通过调整水位高程、水温、降雨强度、雨水温度、加热单元的加热温度等参数，利用分布式光纤传感器单独进行降雨入渗或渗透破坏连续监测实验，同时进行降雨入渗及渗透破坏连续监测实验，得到不同实验条件下，各项物理参数与设定的阈值的关系，可有效区别降雨入渗环境与降雨入渗、渗透破坏两种环境条件，为不同堤防工程的渗漏监测提供数据依据，进而实现不同堤防工程的有效监控和及时预警。
【专利说明】
区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法，属于水利水电工程技术领域。
【背景技术】
[0002]堤防是防御洪水泛滥，保护居民和工农业生产的主要措施。由于大多数堤防沿天然河岸修建，普遍存在堤防基础的渗流问题，渗透破坏是河流堤防中的主要破坏形式之一，必须采取渗流控制措施加以控制。不同地区的堤防，受地质条件、环境温度、降雨量等多项因素的影响，渗流条件不同，渗透破坏的机理、过程和结果也不相同，因此，堤防工程必须进行渗漏监测，以通过有效的渗流控制措施降低渗透破坏，保护堤防安全。
[0003]近年来，分布式光纤监测技术在大坝安全监测领域发展迅速，该技术具有空间分辨率高，光纤布设沿线几乎不存在监测盲点、光纤材料不易受电磁干扰、监测空间距离长、结构简单、定制方便、长期可靠有效性、维护成本低等优势，能够实现时间、空间上的连续测量，特别适于进行渗漏连续监测。
[0004]实际堤防工程在汛期有可能同时遭遇强降雨和下游坝脚渗透破坏的现象，给利用分布式光纤传感器进行渗透破坏的监测带来了困难，强降雨引发的降雨入渗会干扰预警工作，造成误报、漏报。如何利用分布式光纤传感器区别监测降雨入渗、渗透破坏以及二者共同作用对堤坝的影响，是工程中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法，该实验装置能够模拟堤防地质条件、降雨等环境条件，利用分布式光纤传感器分别进行降雨入渗、渗透破坏监测实验，还可同时进行降雨入渗与渗透破坏监测实验，有效区别不同的环境条件，实现堤防工程的有效监控和及时预警。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]—种区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，包括槽体，该槽体中设置挡水隔板而将槽体内划分为第一空间和第二空间，
[0008]该第二空间中铺设有透水层42，该透水层42中布设有压力传感器，该透水层42上铺设有不透水层，该不透水层中布设有分布式光纤传感器、加热单元、温度传感器，该第二空间上方设置模拟降雨机构，
[0009]该第一空间中铺设有透水层41，该透水层41上注入水，水可由该透水层41、透水层42渗入该不透水层。
[0010]进一步的，
[0011]所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度根据堤防工程现场土样检测结果确定。
[0012]所述挡水隔板于所述透水层42与不透水层交界的位置，沿水平向延伸出挡板，该挡板与所述槽体的侧壁通过一水平滤网相连接，该档板与水平滤网的长度相等。
[0013]所述挡水隔板与所述槽体底部通过滤网相连接。
[0014]所述第二空间的槽体侧壁上设有阀门。
[0015]所述模拟降雨机构包括台架、水箱、喷头，该台架架设于所述第二空间之上，该台架上方固定该水箱，下方固定该喷头，该水箱的出口端通过管道连通该喷头，该管道上安装有用于控制该水箱的出水量的控制阀。
[0016]基于上述连续监测实验装置进行降雨入渗连续监测实验的方法，包括步骤:
[0017]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数，
[0018]该土层特性参数包括所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度；
[0019]S2:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置，
[0020]制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层41、透水层42，同时在所述透水层42中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述分布式光纤传感器、加热单元和温度传感器；
[0021]S3:向实验用模型装置内加水使得透水层41、透水层42的土样达到饱和状态，
[0022]S4:进行降雨入渗实验，
[0023]调节所述模拟降雨机构的控制阀和水箱中的水温，调节所述加热单元的加热温度，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的入渗阈值时，判断发生降雨入渗。
[0024]基于上述连续监测实验装置进行渗透破坏连续监测实验的方法，包括步骤:
[0025]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数，
[0026]该土层特性参数包括所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度；
[0027]S2:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置，
[0028]制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层41、透水层42、不透水层，同时在所述透水层41中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述分布式光纤传感器、加热单元和温度传感器；
[0029]S3:向实验用模型装置内加水使得透水层41、透水层42的土样达到饱和状态，
[0030]S4':进行渗透破坏实验，
[0031]调节向所述第一空间注入的水位高程、水温，调节所述加热单元的加热温度，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的第一渗漏阈值时，判断发生渗漏。
[0032]基于上述连续监测实验装置进行降雨入渗与渗透破坏连续监测实验的方法，包括步骤:
[0033]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数，
[0034]该土层特性参数包括所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度；
[0035]S2:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置，
[0036]制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层41、透水层42、不透水层，同时在所述透水层41中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述分布式光纤传感器、加热单元和温度传感器；
[0037]S3:向实验用模型装置内加水使得透水层41、透水层42的土样达到饱和状态，
[0038]S4'':同时进行降雨入渗与渗透破坏实验，
[0039]调节所述模拟降雨机构的控制阀和水箱中的水温，调节所述加热单元的加热温度，调节向所述第一空间注入的水位高程、水温，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的第二渗漏阈值时，判断发生渗漏。
[0040]该降雨入渗与渗透破坏连续监测实验方法，还包括:将所述水平滤网上方的分布式光纤传感器的测温结果值，与所述挡板上方的分布式光纤传感器的测温结果值，二者的差值作为确定所述第二渗漏阈值的依据。
[0041]本发明的优点是:
[0042]本发明的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法，能够模拟不同堤防工程的堤防地质条件、降雨等环境条件，利用分布式光纤传感器分别进行降雨入渗或渗透破坏连续监测实验，同时进行降雨入渗与渗透破坏连续监测实验，得到不同实验条件下，各项物理参数与设定的阈值的关系，有效区别降雨入渗环境与降雨入渗、渗透破坏两种环境条件，为不同堤防工程的渗漏监测提供数据依据，进而实现不同堤防工程的有效监控和及时预警。
【附图说明】
[0043]图1是本发明的装置结构示意图。
[0044]图2是本发明的装置进行降雨入渗连续监测实验的方法流程示意图。
[0045]图3是本发明的装置进行渗透破坏连续监测实验的方法流程示意图。
[0046]图4是本发明的装置同时进行降雨入渗与渗透破坏连续监测实验的方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0047]以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0048]如图1、2所示，本发明公开的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，包括槽体I，槽体I中设置挡水隔板2而将槽体I内划分为第一空间100和第二空间200，；
[0049]第一空间100底部铺设有透水层41，透水层41上注入水16，形成上游水，通过调节上游水位，可使不透水层5内发生渗透破坏；
[0050]第二空间200底部铺设有透水层42，透水层42中布设有MEMS压力传感器6，透水层42上方铺设有不透水层5，不透水层5中布设有光纤光栅温度计11，不透水层5中布设有分布式光纤传感器10、伴热电缆9，分布式光纤传感器10的一端连接光端盒，另一端接入DTS光纤测温仪(图中未示)；第二空间200上方设置模拟降雨机构，该模拟降雨机构包括台架15、水箱14、喷头12、控制阀13，台架15架设于第二空间之上，台架15上方固定水箱14，下方固定喷头12，水箱14的出口端通过管道连通喷头12，该管道上安装有用于控制水箱14的出水量的控制阀13。
[0051]透水层41、透水层42、不透水层5，各自的渗透系数和厚度不同，渗透系数和厚度根据堤防工程现场土样检测结果确定。
[0052]挡水隔板2于透水层42与不透水层5交界的位置、沿水平向延伸出挡板21，挡板21端部通过水平滤网7与槽体I侧壁连接，挡板21可以延长渗径，保证实验过程中垂直向渗透破坏在不透水层5内发生，水平滤网7可以防止透水层42 土料与不透水层5 土料相互掺混;为使装置单独进行降雨入渗实验，与同时进行降雨入渗、渗透破坏实验的环境条件下，实验结果更为准确，以有效区别不同的环境条件，挡板21与水平滤网7的长度相等。
[0053]挡水隔板2与槽体I底部通过滤网3相连接，滤网3用于防止第一空间100的透水层41 土料与第二空间200的透水层42 土料相互掺混。
[0054]为保证装置的可靠性和水密性，槽体I可由七块有机玻璃利用粘接剂相互粘接而成，分布式光纤传感器10于槽体I的出线孔处采用环氧树脂封堵。
[0055]如图2所示，基于上述连续监测实验装置进行降雨入渗连续监测实验的方法，包括步骤:
[0056]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数
[0057]进行堤防工程现场调研，获取代表性土样以进行土样检测，得到土层特性参数，获取堤防沿线地区相关水文、气象、土层资料，获取当地各月平均气温、河道内各月平均水位、各月平均降雨量等资料，根据调研资料及土层特性参数，确定透水层和不透水层的渗透系数及厚度等参数。
[0058]例如，经过堤防工程地质勘察，某沿江地区为砂基、双层堤基，工程现场采集砂基、双层堤基等区域的代表性土样，检测得到土样级配组成、孔隙率、比热、导热系数、土体密度、粒径分布、含水率、粘土层(即不透水层)厚度、砂土层(即透水层)厚度等土层特性参数，作为实验制样的基本参数。
[0059]S2:根据得到的土层特性参数，制作实验用模型装置
[0060]根据得到的土层特性参数，按照一定的土体粒径分布、土体密度，分别设定透水层和不透水层的厚度和渗透系数，按照行业标准(《土工试验方法标准》)进行土样的布置;之后，在实验装置中铺设透水层、不透水层，同时设置、连接各仪器，完成实验用模型装置的制作。
[0061]例如，对于上述沿江地区，根据调研资料及测定的土层特性参数，在槽体I中铺设具有一定渗透系数及厚度的砂土层(透水层41、透水层42)和粘土层(不透水层5)，模拟构建该沿江地区的双层堤基模型；
[0062]具体是，于槽体I内铺设具有一定渗透系数和厚度的透水层41、透水层42，铺设具有一定渗透系数和厚度的不透水层5，在透水层42中布设MEMS压力传感器6，用于测量降雨入渗过程及渗透破坏时的孔隙水压力，在不透水层5中布设分布式光纤传感器10和伴热电缆9，分布式光纤传感器10用于进行入渗和渗漏监测，伴热电缆9用于对其周围土体加热，提高分布式光纤传感器遇到渗流时的温度敏感性，在不透水层5中布设光纤光栅温度计11，用于测量不透水层5的温度，并校核分布式光纤传感器10的测温结果;然后，将分布式光纤传感器10的一个接线端连接光端盒，另一个接线端(信号输出端)连接DTS光纤测温仪;之后，将不透水层5表面按照相关规范进行人工或机械整平，上电检测各仪器是否正常运行;在槽体I的第二空间200上方搭建模拟降雨机构；向透水层41上方注入一定水位高程的自来水，保持水位稳定并连续测量各仪器的读数，确保各仪器能够正常工作。
[0063]S3:实验用模型装置制作完成后，向装置内加水使得土样饱和
[0064]如图1所示，第二空间200的槽体侧壁上安装有阀门8，实验用模型装置搭建完成后，向槽体I内加水直至透水层41、42的土样达到饱和状态，通过控制阀门8使水面不漫过不透水层5和透水层42的交界面。
[0065]S4:进行降雨入渗实验
[0066]通过调节模拟降雨机构的控制阀13和水箱14中水的温度，控制降雨强度、雨水温度，通过调节伴热电缆9的加热温度(工作功率)，调节伴热电缆9周围土体温度，实验过程中，记录降雨强度、雨水温度、伴热电缆加热温度、不透水层温度等各项参数与分布式光纤传感器10的测温结果的变化关系，记录分布式光纤传感器10的测温结果随降雨时长的变化关系。
[0067]设定一入渗阈值，当分布式光纤传感器10的测温结果等于或低于该入渗阈值时，判断发生降雨入渗。具体的说，低温水未渗入不透水层5中时，不透水层5中的分布式光纤传感器的测温结果值为室温值，低温水渗入透水层5的过程中，分布式光纤传感器的测温结果值降低，当分布式光纤传感器的测温结果值等于小于该入渗阈值时，判定发生降雨入渗;在不透水层5中加入伴热电缆9用以增加分布式光纤传感器周围的土体温度，进而提高渗水与分布式光纤传感器周围土体的温差，提高分布式光纤传感器的测温灵敏度。
[0068]S5:实验结束，记录并分析实验结果，为堤防工程降雨入渗条件下的渗漏监测提供监控和预警依据。
[0069]实验过程中，记录并分析降雨入渗过程中，降水强度、雨水温度、伴热电缆的加热温度、降雨时长、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力等各项参数与设定的入渗阈值的关系，为堤防工程的降雨入渗条件下的渗漏监测提供监控和预警依据。
[0070]如图3所示，基于上述连续监测实验装置进行渗透破坏连续监测实验的方法，是于上述步骤S1-S3之后，进行以下实验步骤:
[0071 ] S4':进行渗透破坏实验
[0072]向第一空间100中注入不同水位高程的水进行渗透实验，注入的水温度较低(低于室温，例如5度)，通过调节伴热电缆9的加热温度，调节伴热电缆9周围土体温度;通过分布式光纤传感器10的感测结果，判断是否发生渗漏，当分布式光纤传感器10的测温结果值等于小于设定的第一渗漏阈值时，将光纤光栅温度计11的测温结果与分布式光纤传感器10的测温结果相比较，若相同，则测量结果准确，判定已发生渗漏，不透水层5内部发生渗透破坏，此时，记录水位高程、水温、伴热电缆9的加热温度、不透水层的温度值、透水层42的孔隙水压力值等参数，为分析实验结果提供数据依据。
[0073]S5':实验结束，记录并分析实验结果，为堤防工程渗漏监测提供监控和预警依据。
[0074]实验过程中，记录并分析发生渗透破坏时的水位高程、水温、伴热电缆的加热温度、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力等各项参数与设定的第一渗漏阈值的关系，为堤防工程的渗漏监测提供监控和预警依据。
[0075]如图4所示，基于上述连续监测实验装置，同时进行降雨入渗与渗透破坏连续监测实验的方法，是于前述步骤S1-S3之后，进行以下实验步骤:
[0076]S4'':同时进行降雨入渗与渗透破坏实验
[0077]向第一空间100中注入不同水位高程的水进行渗透实验，通过调节模拟降雨机构的控制阀13和水箱14中水的温度，控制降雨强度、雨水温度，通过调节伴热电缆9的加热温度，调节伴热电缆9周围土体温度;通过分布式光纤传感器10的测温结果，判断是否发生渗漏，当分布式光纤传感器10的测温结果值等于小于设定的第二渗漏阈值时，判定发生渗漏；
[0078]实验过程中，记录降雨强度、雨水温度、伴热电缆加热温度、不透水层温度等各项参数与分布式光纤传感器的测温结果的变化关系，记录分布式光纤传感器的测温结果随降雨时长的关系；发生渗漏时，记录降雨强度、雨水温度、伴热电缆的加热温度、水位高程、水温、不透水层的温度值、透水层42的孔隙水压力值等参数。
[0079]S5'':实验结束，记录并分析实验结果，为堤防工程降雨条件下的渗漏监测提供监控和预警依据。
[0080]实验过程中，记录并分析降雨入渗过程、渗透破坏时的水位高程、水温、降雨强度、雨水温度、降雨时长、伴热电缆的加热温度、不透水层的温度、透水层42的孔隙水压力等各项参数与设定的第二渗漏阈值的关系，该第二渗漏阈值的确定需要排除降雨因素的影响，具体方法是:
[0081]将水平滤网7上方的分布式光纤传感器的测温结果Tl，减去挡板21上方的分布式光纤传感器的测温结果T2，记录温差值T(T = T1-T2)与各项参数的变化，根据该温差值T设定第二渗漏阈值;举例而言，假设不透水层5的初始温度为Τ0，降雨入渗因素引起温度降至dTl(挡板21上方分布式光纤传感器的测温结果值)，降雨入渗与渗透破坏两种因素引起温度降至dT2(水平滤网7上方分布式光纤传感器的测温结果值)，则，排除降雨入渗因素，由渗透破坏因素引起的温度变化即为温差值T，T = dT2-dTl = (T0-dTl)-(T0-dT2)，从而可有效区分出降雨入渗环境与降雨入渗、渗透破坏两种环境条件，减小降雨条件下渗漏监测的误判、漏报情况，为堤防工程降雨条件下的渗漏监测提供监控和预警依据。
[0082]本发明的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置及方法，前期通过工程现场调研获取土层特性参数，在实验装置中进行土层制样，利用实验装置搭建堤防工程地区的堤防模型，然后通过调整水位高程、水温、降雨强度、雨水温度、降雨时长、伴热电缆加热温度等参数，利用分布式光纤传感器分别进行降雨入渗或渗透破坏连续监测实验，同时进行降雨入渗及渗透破坏连续监测实验，得到不同实验条件下，各项物理参数与设定的阈值的关系，有效区别降雨入渗环境与降雨入渗、渗透破坏两种环境条件，为不同堤防工程的渗漏监测提供数据依据，进而实现不同堤防工程的有效监控和及时预警。
[0083]以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
【主权项】
1.区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，其特征在于，包括槽体，该槽体中设置挡水隔板而将槽体内划分为第一空间和第二空间， 该第二空间中铺设有透水层(42)，该透水层(42)中布设有压力传感器，该透水层(42)上铺设有不透水层，该不透水层中布设有分布式光纤传感器、加热单元、温度传感器，该第二空间上方设置模拟降雨机构， 该第一空间中铺设有透水层(41)，该透水层(41)上注入水，水可由该透水层(41)、透水层(42)渗入该不透水层。2.根据权利要求1所述的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，其特征在于，所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度根据堤防工程现场土样检测结果确定。3.根据权利要求2所述的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，其特征在于，所述挡水隔板于所述透水层(42)与不透水层交界的位置，沿水平向延伸出挡板，该挡板与所述槽体的侧壁通过一水平滤网相连接，该档板与水平滤网的长度相等。4.根据权利要求3所述的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，其特征在于，所述挡水隔板与所述槽体底部通过滤网相连接。5.根据权利要求4所述的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，其特征在于，所述第二空间的槽体侧壁上设有阀门。6.根据权利要求5所述的区别降雨入渗与渗透破坏的连续监测实验装置，其特征在于，所述模拟降雨机构包括台架、水箱、喷头，该台架架设于所述第二空间之上，该台架上方固定该水箱，下方固定该喷头，该水箱的出口端通过管道连通该喷头，该管道上安装有用于控制该水箱的出水量的控制阀。7.基于权利要求1-6中任意一项所述连续监测实验装置进行降雨入渗连续监测实验的方法，其特征在于，包括步骤: 51:堤防工程现场调研，获取土层特性参数， 该土层特性参数包括所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度； 52:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置， 制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层(41)、透水层(42)，同时在所述透水层(42)中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述分布式光纤传感器、加热单元和温度传感器； S3:向实验用模型装置内加水使得透水层(41)、透水层(42)的土样达到饱和状态， S4:进行降雨入渗实验， 调节所述模拟降雨机构的控制阀和水箱中的水温，调节所述加热单元的加热温度，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的入渗阈值时，判断发生降雨入渗。8.基于权利要求1-6中任意一项所述连续监测实验装置进行渗透破坏连续监测实验的方法，其特征在于，包括步骤: 51:堤防工程现场调研，获取土层特性参数， 该土层特性参数包括所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度； 52:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置， 制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层(41)、透水层(2)、不透水层，同时在所述透水层(41)中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述分布式光纤传感器、加热单元和温度传感器； S3:向实验用模型装置内加水使得透水层(41)、透水层(42)的土样达到饱和状态， S4':进行渗透破坏实验， 调节向所述第一空间注入的水位高程、水温，调节所述加热单元的加热温度，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的第一渗漏阈值时，判断发生渗漏。9.基于权利要求1-6中任意一项所述连续监测实验装置进行降雨入渗与渗透破坏连续监测实验的方法，其特征在于，包括步骤: 51:堤防工程现场调研，获取土层特性参数， 该土层特性参数包括所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度； 52:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置， 制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层，同时在所述透水层(41)中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述分布式光纤传感器、加热单元和温度传感器； S3:向实验用模型装置内加水使得透水层(41)、透水层(42)的土样达到饱和状态， S4'':同时进行降雨入渗与渗透破坏实验， 调节所述模拟降雨机构的控制阀和水箱中的水温，调节所述加热单元的加热温度，调节向所述第一空间注入的水位高程、水温，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的第二渗漏阈值时，判断发生渗漏。10.根据权利要求9所述的降雨入渗与渗透破坏连续监测实验方法，其特征在于，还包括:将所述水平滤网上方的分布式光纤传感器的测温结果值，与所述挡板上方的分布式光纤传感器的测温结果值，二者的差值作为确定所述第二渗漏阈值的依据。
【文档编号】G01N13/04GK105928839SQ201610546753
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】商峰, 朱新民, 黄涛, 赵丽娜, 聂鼎, 高阳秋晔, 李玥
【申请人】中国水利水电科学研究院