基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统及其试验方法

摘要

本发明提供基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统及其试验方法，包括第一集水箱、第二集水箱、第三集水箱、第一墙体固定片、第二墙体固定片、模型箱、防渗墙。该装置原理基于流体的渗流速度受裂缝的大小，防渗墙两侧的水压差、土壤的类型等影响。当有渗流发生时，渗流裂缝附近的温度场将发生变化。常规的点式或者分布式温度监测手段无法准确探测裂缝渗流的情况。采取加热的形式，使无渗流位置与渗流位置之间的温度场差异更加明显，以此强化防渗墙中渗流的探测能力。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤测量空间温度场分布的传感系统技术领域，尤其涉及基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统及其试验方法。

背景技术

地下建筑结构体渗流场与温度场是相互作用、相互影响的，一般在耦合作用下温度场与渗流场达到动态平衡。一旦渗流场发生变化，场介质的热传导强度将随之发生变化，而且渗流还将带走热量，所以整个温度场将发生变化，因此通过对温度的测量、分析，可以间接得知场内渗流状况。

早期渗漏监测主要通过埋设点式测温计测量。因为测点有限，通常对温度场中的不规则区域漏检。目前对渗流的监测主要有以下几种方式：基于电容式传感器的渗漏监测技术,基于电法探测的渗漏监测技术,基于电磁法探测的渗漏监测技术,光纤布拉格光栅的温度传感原理,分布式光纤测渗流。

分布式光纤温度传感器系统，是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统；系统中，光纤既是传感器，也是信号传输通道；它可以对光纤所通过地方的温度场进行分布式、连续性的实时测量，并利用光时域反射技术OTDR得到测点的位置信息；激光脉冲在光纤中传输时，在激光与光纤分子的作用下，会产生三种散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射；其中拉曼散射和布里渊散射对温度均有敏感性，可以用来测量温度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统及其试验方法。用于地下建筑结构的渗漏监测。

基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统及其试验方法，其特征在于，包括第一集水箱、第二集水箱、第三集水箱、第一墙体固定片、第二墙体固定片；其特征如下：

所述第一集水箱、第二集水箱、第三集水箱底部均接入PVC管；

所述模型箱靠底部位置单侧设有排水孔；

所述防渗墙中部设有三个相同尺寸的渗流通道；

所述模型箱一侧设有显示器、中枢控制器，所述中枢控制器分别连接有显示器、分布式光纤传感器、启动器，所述分布式光纤传感器呈S型安装于防渗墙内，所述启动器由第一触点、第二触点组成。

进一步，所述第一墙体固定片、第二墙体固定片可拆卸安装在模型箱侧面。

进一步，所述模型箱内埋设有第一节板，所述第一节板内滑动连接有第二节板，所述第二节板内滑动连接有第三节板，所述第一节板内设有两个顶起弹簧，每个所述顶起弹簧的两端分别固定连接在第一节板与第三节板上，所述模型箱内设有填料槽、渗流槽，所述填料槽内可拆卸连接有弹性纤维袋，所述第三节板顶端转动连接有第二转轴，所述第二转轴上固定连接有齿状钳块，所述第二转轴与第三节板之间设有扭簧，所述弹性纤维袋的侧边可装夹在齿状钳块、第三节板之间，所述模型箱位于填料槽的外侧设有三个夹持装置，所述夹持装置可装夹弹性纤维袋的侧边，所述夹持装置由第一转轴、L型夹块组成，所述第一转轴固定连接在模型箱上，所述L型夹块转动连接在第一转轴上，所述第一转轴、L型夹块之间设有扭簧，所述防渗墙底部设有凹型定位槽，所述凹型定位槽与第三节板顶端相互匹配，所述防渗墙侧面设有两个定位槽，所述模型箱中填料槽、渗流槽连接处内壁内设有滑槽，所述滑槽内滑动连接有定位块，所述定位块与定位槽相互匹配，所述滑槽内设有定位弹簧，所述定位弹簧的两端分别固定连接在定位块与滑槽内壁上，所述定位块上固定连接有拉杆，所述拉杆滑动连接在模型箱上；

所述第一触点固定连接在定位块上，所述第二触点固定连接在定位槽内，所述第一触点、第二触点相互匹配。

进一步，所述PVC管末端固定连接有自动展开装置，所述自动展开装置由多个弹性支管组成，所述弹性支管内设有输水管、弹性钢丝，每个所述弹性支管内侧管壁均设有多个喷口，每个喷口均与输水管相通，所述弹性钢丝初始状态向PVC管中心线弯曲，所述PVC管内设有出水滑槽，所述出水滑槽内滑动连接有滑块，所述出水滑槽通过渗水网与PVC管内部相通，所述渗水网固定连接在PVC管内，所述渗水网、滑块之间固定连接有第一弹簧，所述滑块远离PVC管一端固定连接有圆形卡盘，所述圆形卡盘上设有多个出水口，所述滑块内设有空腔，空腔分别与出水滑槽、出水口相通，所述PVC管内设有连接腔，所述连接腔与输水管相通，所述连接腔远离输水管的一端固定连接有连接头，所述连接头与出水口相匹配。

进一步，所述方法应用于上述权利要求1至4任意一项所述的基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统中，所述方法包括：

步骤S21：将第一集水箱、第二集水箱、第三集水箱中装入一定量的水，将防渗墙模型布置在模型箱内，从第一集水箱、第二集水箱、第三集水箱底部接入PVC管，然后在PVC管上安插流速控制阀，最后将PVC管安装至模型箱内；

步骤S22：当水流通过阀门，调节流速阀门，使水流速度为V，当水流流过渗流通道，并且水流稳定后，采集此时的分布式光纤传感器温度数据；

步骤S23：对防渗墙内的分布式光纤传感器进行加热，分布式光纤传感器从升温到温度稳定再到降温的过程中每隔5分钟采集一次数据；

步骤S24：控制水流速度为V，分别进行步骤S22和步骤S23步骤，分别采集n次数据；

步骤S25：针对不同尺寸的布设单层分布式光纤传感器的防渗墙模型依次进行步骤S22、步骤S23、步骤S24过程；

步骤S26：针对不同尺寸的布设双层分布式光纤传感器的防渗墙模型，依次进行步骤S22、步骤S23、步骤S24过程；

步骤S27：对上述采集到的数据进行绘图分析，总结不同影响因素下，数据的变化规律，分析防渗墙的实际监测效果；随后可基于BP神经网络的方法对上述过程中的试验数据进行处理。

进一步，所述步骤S21中的PVC管掩埋在土体中。

进一步，所述步骤S21中的PVC管接入到防渗墙的渗流通道上，固定后在其余位置分层堆填土体并进行适当的夯实。

进一步，所述步骤S22中V具体为PVC管流速，其中V具体可分为V

进一步，所述防渗墙厚度为Ds，Ds类型防渗墙里布设单层分布式光纤传感器，Ds类型防渗墙厚度分别为：DS

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明利用分布式光纤传感器监测技术进行试验研究，可准确捕获结构中渗漏的位置及渗流量，相对常规的监测方法具有精度高、抗干扰、易操作等优点；

2、本发明提供的基于分布式光纤技术的地下建筑结构渗漏试验装置通过控制变量法，研究各个因素对结构渗漏的影响，可方便总结规律，为实际工程提供依据；

3、本发明对基于分布式光纤技术的地下建筑结构渗漏试验装置采集的数据，利用BP神经网络技术进行数据分析，结果更加符合实际情况，同时可进行数据预测，提供一个工程分析新思路。

4、本发明提供的基于分布式光纤技术的地下建筑结构渗漏试验装置上设有弹性纤维袋，用来包裹填料槽内所填土料，未安装防渗墙时，由第二节板、第三节板撑起，第三节板装夹弹性纤维袋用于隔绝土料，便于更换不同型号的防渗墙，同时在试验接触后便于清理模型箱。

5、本发明提供的基于分布式光纤技术的地下建筑结构渗漏试验装置的PVC管末端设有插土展开装置，该装置可在入土后展开，使喷头均匀分布在土层底部，操作方便，取出后自动清洗弹性支管外壁内侧，操作方便快捷。

附图说明

图1是本发明中模型箱的示意图；

图2是本发明中流量控制阀示意图；

图3是本发明中防渗墙厚度D和Ds示意图；

图4是本发明中分布式光纤传感器布设D1-Dn为双层分布式光纤传感器布设俯视图；

图5是本发明中分布式光纤传感器布设Ds1-Ds2为单层分布式光纤传感器布设俯视图；

图6是本发明渗流通道与分布式光纤传感器间不同的间隔距离的示意图；

图7是本发明渗流通道、PVC管以及分布式光纤传感器的布设平面示意图；

图8是本发明模型箱内第三节板与夹持装置装夹弹性纤维袋示意图；

图9是本发明模型箱内第二节板、第三节板弹起结构示意图；

图10是本发明模型箱俯视图；

图11是本发明模型箱安装防渗墙时工作示意图；

图12是本发明模型箱安装防渗墙时截面图；

图13是本发明防渗墙结构示意图；

图14是本发明图8中A部分局部放大图；

图15是本发明图8中B部分局部放大图；

图16是本发明图9中C部分局部放大图；

图17是本发明图11中D部分局部放大图；

图18是本发明图11中E部分局部放大图；

图19是本发明图12中F部分局部放大图；

图20是本发明系统结构图；

图21是本发明系统框图；

图22是本发明自动展开装置立体图；

图23是本发明自动展开装置自然状态剖视图；

图24是本发明自动展开装置展开状态剖视图；

图25是本发明图23中G部分局部放大图；

图26是本发明图23中H部分局部放大图；

图27是本发明图23中I部分局部放大图；

图28是本发明图24中M部分局部放大图；

图29是本发明图24中N部分局部放大图；

图30是本发明图24中Y部分局部放大图；

图31是本发明弹性支管结构图；

图32是本发明渗流通道布设示意图。

图中：11、第一集水箱；12、第二集水箱；13、第三集水箱；14、第一墙体固定片；15、第二墙体固定片；16、渗流通道；17、排水孔；101、防渗墙；102、凹型定位槽；103、模型箱；104、第一节板；105、第二节板；106、第三节板；107、顶起弹簧；108、弹性纤维袋；109、夹持装置；201、填料槽；202、渗流槽；203、第一转轴；204、L型夹块；205、第二转轴；206、齿状钳块；207、滑槽；208、定位块；209、拉杆；301、定位弹簧；302、定位槽；303、显示器；304、中枢控制器；305、第一触点；306、第二触点；401、PVC管；402、弹性支管；403、连接腔；404、连接头；405、滑块；406、圆形卡盘；407、出水口；408、渗水网；409、第一弹簧；501、喷口；502、输水管；503、弹性钢丝。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本实施例提供基于分布式光纤的建筑结构渗漏试验系统及其试验方法，其特征在于，包括第一集水箱11、第二集水箱12、第三集水箱13、第一墙体固定片14、第二墙体固定片15；其特征如下：

所述第一集水箱11、第二集水箱12、第三集水箱13底部均接入PVC管401；

所述模型箱103靠底部位置单侧设有排水孔17；

所述防渗墙101中部设有三个相同尺寸的渗流通道16；

所述模型箱103一侧设有显示器303、中枢控制器304，所述中枢控制器304分别连接有显示器303、分布式光纤传感器、启动器，所述分布式光纤传感器呈S型安装于防渗墙101内，所述启动器由第一触点305、第二触点306组成。

具体的，所述第一墙体固定片14、第二墙体固定片15可拆卸安装在模型箱103侧面。

具体的，所述模型箱103内埋设有第一节板104，所述第一节板104内滑动连接有第二节板105，所述第二节板105内滑动连接有第三节板106，所述第一节板104内设有两个顶起弹簧107，每个所述顶起弹簧107的两端分别固定连接在第一节板104与第三节板106上，所述模型箱103内设有填料槽201、渗流槽202，所述填料槽201内可拆卸连接有弹性纤维袋108，所述第三节板106顶端转动连接有第二转轴205，所述第二转轴205上固定连接有齿状钳块206，所述第二转轴205与第三节板106之间设有扭簧，所述弹性纤维袋108的侧边可装夹在齿状钳块206、第三节板106之间，所述模型箱103位于填料槽201的外侧设有三个夹持装置109，所述夹持装置109可装夹弹性纤维袋108的侧边，所述夹持装置109由第一转轴203、L型夹块204组成，所述第一转轴203固定连接在模型箱103上，所述L型夹块204转动连接在第一转轴203上，所述第一转轴203、L型夹块204之间设有扭簧，所述防渗墙101底部设有凹型定位槽102，所述凹型定位槽102与第三节板106顶端相互匹配，所述防渗墙101侧面设有两个定位槽302，所述模型箱103中填料槽201、渗流槽202连接处内壁内设有滑槽207，所述滑槽207内滑动连接有定位块208，所述定位块208与定位槽302相互匹配，所述滑槽207内设有定位弹簧301，所述定位弹簧301的两端分别固定连接在定位块208与滑槽207内壁上，所述定位块208上固定连接有拉杆209，所述拉杆209滑动连接在模型箱103上；

所述第一触点305固定连接在定位块208上，所述第二触点306固定连接在定位槽302内，所述第一触点305、第二触点306相互匹配。

具体的，所述步骤S21中的PVC管401亦可掩埋安装在土体中。

具体的，所述PVC管401末端固定连接有自动展开装置，所述自动展开装置由多个弹性支管402组成，所述弹性支管402内设有输水管502、弹性钢丝503，每个所述弹性支管402内侧管壁均设有多个喷口501，每个喷口501均与输水管502相通，所述弹性钢丝503初始状态向PVC管401中心线弯曲，所述PVC管401内设有出水滑槽，所述出水滑槽内滑动连接有滑块405，所述出水滑槽通过渗水网408与PVC管401内部相通，所述渗水网408固定连接在PVC管401内，所述渗水网408、滑块405之间固定连接有第一弹簧409，所述滑块405远离PVC管401一端固定连接有圆形卡盘406，所述圆形卡盘406上设有多个出水口407，所述滑块405内设有空腔，空腔分别与出水滑槽、出水口407相通，所述PVC管401内设有连接腔403，所述连接腔403与输水管502相通，所述连接腔403远离输水管502的一端固定连接有连接头404，所述连接头404与出水口407相匹配。

具体的，本实施例中流量控制，参考相关文献，将流速度定为V

请参考图3，本实施例中防渗墙101厚度D和Ds，D类型防渗墙101里布设双层分布式光纤传感器，Ds类型防渗墙101里布设单层分布式光纤传感器；

请参考图4、图5，本实施例中D类型防渗墙101厚度分别为：D1、D

请参考图6，本实施例中渗流通道与竖向分布式光纤传感器间隔L在实际工程中，若防渗墙101发生渗漏，渗漏部位有可能正好通过分布式光纤传感器等探测器，也可能在其附近或更远的位置。因此设置了不同的间隔距离，即渗流通道16与分布式光纤传感器间的竖向距离L；L分别设置为：L

请参考图7，本实施例中所示为渗流通道16、PVC管401以及分布式光纤传感器的布设平面示意图，其图示所示的PVC管401的厚度为可用的最大厚度，不是实际厚度。

具体的，所述用于监测地下建筑结构渗漏的试验方法其试验思路具体为：

在控制流速的基础上，针对不同的防渗墙101厚度，不同的竖向间隔以及不同的加热功率进行分布式光纤传感器数据采集；

步骤S11：各个因素影响下，获取分布式光纤传感器加热到稳定温度时所需要的时间，以及恢复到初始温度时所需要的时间；验证同一根分布式光纤传感器在经过数次加热后的完整性和可用性，即疲劳性试验；

步骤S12：针对不同厚度的防渗墙中布设的单层分布式光纤传感器，在不同流速的影响下，分布式光纤传感器能否准确探测到渗流通道16及附近温度场的变化；

步骤S13：针对不同厚度的防渗墙中布设的双层分布式光纤传感器，在不同流速的影响下，分布式光纤传感器能否准确探测到渗流通道16及附近温度场的变化；两层分布式光纤传感器分别感应温度变化的程度；能否识别渗流方向；

步骤S14：针对防渗墙中不同的渗流通道16与分布式光纤传感器竖向间隔，在不同流速的影响下，分布式光纤传感器能否准确探测到渗流通道16及附近温度场的变化；渗流通道16与分布式光纤传感器间隔的远近对温度感应的影响；

步骤S15：寻找各个因素影响的最佳加热功率。

具体的，所述用于监测地下建筑结构渗漏的试验方法其具体过程为：

步骤S21：将第一集水箱11、第二集水箱12、第三集水箱13中装入一定量的水，将防渗墙101模型布置在模型箱103内，从第一集水箱11、第二集水箱12、第三集水箱13底部接入PVC管401，然后在PVC管401上安插流速控制阀，最后将PVC管401安装至模型箱103内；

步骤S22：当水流通过阀门，调节流速阀门，使水流速度为V，当水流流过渗流通道16，并且水流稳定后，采集此时的分布式光纤传感器温度数据；

步骤S23：对防渗墙101内的分布式光纤传感器进行加热，分布式光纤传感器从升温到温度稳定再到降温的过程中每隔5分钟采集一次数据；

步骤S24：控制水流速度为V，分别进行步骤S22和步骤S23步骤，分别采集n次数据；

步骤S25：针对不同尺寸的布设单层分布式光纤传感器的防渗墙101模型依次进行步骤S22、步骤S23、步骤S24过程；

步骤S26：针对不同尺寸的布设双层分布式光纤传感器的防渗墙101模型，依次进行步骤S22、步骤S23、步骤S24过程；

步骤S27：对上述采集到的数据进行绘图分析，总结不同影响因素下，数据的变化规律，分析防渗墙101的实际监测效果；随后可基于BP神经网络的方法对上述过程中的试验数据进行处理。

具体的，所述步骤S21中的PVC管401掩埋在土体中。

具体的，所述步骤S21中的PVC管401接入到防渗墙101的渗流通道16上，固定后在其余位置分层堆填土体并进行适当的夯实。

具体的，所述步骤S22中V具体为PVC管401流速，其中V具体可分为V

具体的，所述防渗墙101厚度为Ds，Ds类型防渗墙101里布设单层分布式光纤传感器，Ds类型防渗墙101厚度分别为：DS

实施例1

模型箱操作过程及工作原理：

实验进行前，实验员先在填料槽201内套入弹性纤维袋108，将弹性纤维袋108的四边分别固定在夹持装置109、第三节板106上，夹持装置109由第一转轴203、L型夹块204组成，L型夹块204转动连接在第一转轴203上，L型夹块204、第一转轴203之间设有扭簧，按动L型夹块204下端使L型夹块204上端翘起，将弹性纤维袋108边角放入上端翘起的L型夹块204内，松开L型夹块204，在扭簧作用下，L型夹块204将弹性纤维袋108边角固定在模型箱103外侧，第三节板106顶端转动连接有第二转轴205,第三节板106、第二转轴205之间设有扭簧，第二转轴205上固定连接有齿状钳块206，掰动齿状钳块206，将弹性纤维袋108边角放入齿状钳块206、弹性纤维袋108之间，使第三节板106、齿状钳块206夹持弹性纤维袋108边角，此时弹性纤维袋108覆盖于第三节板106顶端，弹性纤维袋108装夹完毕后，安装防渗墙101，拉动拉杆209，将防渗墙101底部凹型定位槽102与第三节板106顶端吻合，向下压动，此时第一节板104、第二节板105、第三节板106压缩，当防渗墙101完全进入模型箱103后，松开拉杆209，此时在定位弹簧301作用下推动定位块208向外移动，此时定位块208与定位槽302相互匹配，即安装完成；

同时顶起弹簧107推动第三节板106向上挤压，弹性纤维袋108被第三节板106挤压，此时弹性纤维袋108与定位槽302内壁紧密接触，防止试验过程中液体、砂砾等渗入，进而影响试验误差，此时向填料槽201埋入PVC管401，填入砂砾即可；

当需要更换防渗墙101时，拉动模型箱103两侧拉杆209，使定位块208远离定位槽302，当定位块208与定位槽302相对分离，此时在顶起弹簧107作用下，推动第三节板106、防渗墙101向上移动，当防渗墙101移出砂砾填埋高度时，抽出防渗墙101，更换新型号的防渗墙101，安装即可，安装完成后，填实与防渗墙101接触的砂砾即可，方便快捷；

当试验结束后，取出防渗墙101后，拆卸弹性纤维袋108即可。

实施例2

系统工作原理：

安装防渗墙101，当定位块208与定位槽302相互匹配时，第一触点305、第二触点306相互接触，第一触点305、第二触点306发送信号至中枢控制器204，中枢控制器204启动分布式光纤传感器工作，分布式光纤传感器接收信号传输至中枢控制器204，中枢控制器204接收编写信号传输至显示器303，并在显示器303上显示动态分布图。

实施例3

自动展开装置工作原理：

PVC管401末端设有自动展开装置，当工作人员将填料槽201内填满砂砾后，使用者可直接将PVC管401末端自动展开装置插入砂砾层，当弹性支管402与填料槽201底部接触后，随着下压力的增大，弹性支管402沿PVC管401为中心向外发散展开，随着弹性支管402展开至最大距离时，圆形卡盘406与填料槽201底部接触，此时，圆形卡盘406带动滑块405向上移动，当圆形卡盘406上出水口407与连接头404接触时，PVC管401内的水沿渗水网408、滑块405、出水口407、连接头404、连接腔403通向输水管502，最后沿多个弹性钢丝503喷出，此时PVC管401底部多个弹性支管402展开分布于砂砾层底部，受重力压力影响，难以自动复位，此时装置正常运行，当使用者取出PVC管401后，弹性支管402中弹性钢丝503自动复位，带动弹性支管402自动向内弯曲，此时喷口501逐渐被弹性支管402表面挤压，当弹性支管402弯曲复位后，喷口501被弹性支管402表面封堵，圆形卡盘406在水压与第一弹簧409作用下向下滑动，使出水口407与连接头404分离，此时水沿出水口407喷出，对多个弹性支管402组成的锥形头进行喷淋，达到清洗的作用，粘附的砂砾沿多个弹性支管402底部的口流出，操作方便快捷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。