一种长距离分布式监测隧道排水通道水位深度的方法与系统技术方案

一种长距离分布式监测隧道内排水通道水位深度的方法，包括碳纤维内加热光缆，所述的碳纤维内加热光缆经夹具固定在排水通道侧壁，形成回路后与分布式光纤温度解调仪连通，所述分布式光纤温度解调仪与计算机连通；利用碳纤维内加热光缆碳纤维加热后在水与在空气中的不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此分布式光纤温度解调仪与计算机解调出数据判断水位的高低。本发明专利技术具有分布式监测、结构简单、施工便捷、成本低廉等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道工程、岩土工程、测量工程领域，尤其涉及一种可以实现长距离分布式监测隧道排水深度的方法。
技术介绍
隧道工程在城市地铁交通、高铁铁路、公路的跨越山体、水体的建设中，以其造价相对低、节省地面空间的优点，使用日益广泛。作为一种相对隐蔽工程，隧道的排水通道施工是整个工程中非常重要的环节，排水不畅或者不及时造成隧道内水位过高时，往往会造成行车事故，危及人身财产安全。因此对隧道内排水通道的水位深度监测，作为一项辅助决策工作，其工程意义巨大。在实际工程中，隧道内排水通道内的排水深度的监测主要靠人工巡检，这种方式缺点是智能化程度不高，费时费力；不能及时得到反馈信息，容易造成漏检。因此，有必要设计一种长距离实时监测隧道内排水通道水位深度的系统及方法。20世纪70年代提出的基于OTDR的瑞利散射系统的分布式光纤温度传感器历了基于OTDR的喇曼散射和基于OTDR的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高，相对各种传统温度传感器已经显示出很大的优越性，具有以下几个优点：1、分布式测量，理论上光纤上每点的温度都可以测量，实际可采用5cm采样间隔，空间分辨率可达到50cm；2、长距离感测，可测量的光纤长度达到50km以上；3、测试精度高，目前测试温度精度可达±1℃；4、测试长期稳定，不受电磁场等环境干扰。因此本专利技术基于分布式光纤温度传感技术(DTS)设计了一种长距离分布式监测隧道内排水通道水位深度的方法。
技术实现思路
本专利技术目的是，解决的现有的技术问题，提供一种长距离、分布式、简单、方便、快捷、长期、实时的监测隧道排水深度的方法。本专利技术的技术方案，一种长距离分布式监测隧道内排水通道水位深度的方法，其特征在于：包括碳纤维内加热光缆，所述的碳纤维内加热光缆经夹具固定在排水通道侧壁，形成回路后与分布式光纤温度解调仪连通，所述分布式光纤温度解调仪与计算机连通；利用碳纤维内加热光缆加热后在水与在空气中的不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此解调出判断水位的高低。进一步解释为：将具有内加热功能的碳纤维光缆通电发热后，温度升高，在水和空气两种不同介质中，其能量传递的快慢程度及大小不同，其温度变化也不一致，由温度的差值梯度变化来判断排水通道水位的高低。本系统中碳纤维内加热光缆所测得的在不同介质界面形成的温度的差值梯度是指布设在排水通道侧壁上的碳纤维内加热光缆通电后，光缆周围形成的温度场稳定时，在水和空气交界处形成的温度差值梯度。所述的一种长距离分布式监测隧道排水通道排水深度的方法使用的装置，使用碳纤维内加热传感光缆周围介质，将其加热形成传感光缆周围环境温度场的变化，再通过DTS分布式温度测量光纤监测其沿线的温度变化分布得到一种长距离分布式监测隧道排水通道水位深度的方法，并由碳纤维内加热光缆加热电源提供给碳纤维、分布式光纤温度解调仪、显示器和数据处理系统等构成。碳纤维内加热光缆由特制夹具固定在排水通道侧壁上，所述夹具及所用的锚固件均为不锈钢材质，可长期使用并不影响碳纤维内加热光缆的导热性能。分布式光纤温度解调仪的特征是采用基于拉曼背向散射光时域测温原理进行分布式温度测量，感温元件为碳纤维内加热感测光缆。所述的数据处理系统特征为全自动处理，碳纤维内加热光缆分布式温度测量的数据采集时间和长度间隔可根据测量精度要求人为或自动设定。一般测量时间间隔1分钟，长度1-2米为宜，并通过专用数据处理软件实时将分布式光纤温度解调设备解调的温度信息转化成水位深度分布信息，并将结果绘制成图。本专利技术能够涵盖所有以本专利技术测量原理为基础开发的隧道水位深度监测的系统及方法。有益效果：通过分布式光纤温度解调技术(DTS)来测试其加热后的温度变化，在水、空气界面形成的温度梯度，由此来判断排水通道内的水位高低。本专利技术具有分布式监测、结构简单、施工便捷、成本低廉等优点，可实现长距离隧道排水深度的在线分布式实时监测。具体效果如下：1.本专利技术实现长距离、分布式监测排水通道水位深度，特别适合隧道这种长距离的线性工程，提升了隧道工程的安全监测水平，具有较强的市场竞争力和很好的应用前景；2.实时监测排水通道水位深度，保障行车、行人安全；3.采取钻孔、铆钉枪锚固的方法，施工快速便捷；4.感测光缆铺设后，由于二氧化硅材质的感测光纤稳定性好，可满足隧道排水通道水位的长期测量及监测，测量时间可达几十年；5.测量时间不受气候条件的影响；6.无辐射，对人体无害，安全，经济，实现了一种长距离分布式监测隧道排水通道水位深度的低成本在线监测，为保障隧道安全运行提供了一种新的排水深度的监测方法。附图说明图1A一种长距离分布式监测隧道排水通道水位深度的方法示意图，1B是1A的截面图，1C是1A的局部放大图；图2A碳纤维内加热光缆特制定点夹具，图2B为外层保护套管示意图；图3本方法解调温度数据及计算得到的水位高度。具体实施方式下面结合附图1，附图2，附图3，图中标记如下：1—隧道轨道；2—碳纤维内加热光缆；3—排水通道；4—分布式光纤温度解调仪；5—显示器；6—数据处理系统；7—加热系统；8—定点夹具；Q1—向空气中传播的能量；Q2—向水中传播的能量。9—螺丝固定孔；10—定点夹具母片；11—锚固孔；12—定点夹具公片；13—螺丝固定孔；14—外层保护套管。根据实施例对本专利技术中的布设过程、测量过程进行详细说明如下：一种长距离分布式监测隧道排水通道水位深度方法：利用碳纤维内加热感测光缆测得的水和空气介质中的温度不同，利用温度梯度来反推水位的高低程度，从而确定排水深度的深浅。进一步解释为：空气和水两种介质，其能量的传递速率差异明显，水的比热容较大，其热传导能力要远比空气中大，将具有内加热功能的碳纤维光缆通过特制夹具固定在排水通道的侧壁上，通电后碳纤维光缆发热，温度升高，在水中能量损失较空气中损失的多，该处温度下降较大，在水、气交界处形成温度梯度。据此温度梯度即可判断排水通道内水与空气的交界面。测试结果如图3所示。本专利技术方法中温度梯度的选取中，温度梯度区间的选取取决于内加热光缆的发热功率、测量对象的热力学性质和测量精度，可通过率定试验加以调试确定。试验结果表明：通电加热电压220V/30m，功率65-105W/30m，即可形成明显的温度梯度。通过在不同深度的碳纤维内加热光缆反映出的温度梯度曲线，可分析得到排水通道水位高度。为了提高整个系统的长期稳定性，所述的固定夹具、平头螺丝和螺帽均为不锈钢材质。所述碳纤维内加热光缆为多模光纤，在所述的多模光纤外表面包裹有碳纤维丝用以加热，碳纤维丝外包层还编织有尼龙纤维层，可以提高加热光缆外包层的强度和耐腐蚀性。所述的碳纤维内加热光缆外层保护套管为PVC材质，可有效缓冲固定夹具对光缆的破坏。一种长距离分布式监测隧道排水通道水位深度的方法，其实施的重点是固定夹具的安装和碳纤维内加热光缆的布设，并且要保证感测光缆与固定夹具01、02等之间充分固定，从而防止光缆滑脱。光纤与固定夹具之间需要用保护套管保护，使光纤不受金属夹具的损害。具体布设步骤为：a)根据隧道排水通道安置形式确定合理的感测光缆布设位置，合理选取监测区带，标明监测区带的端点；b)监测区间排水通道上采用激光打线仪标识直线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长距离分布式监测隧道内排水通道水位深度的方法，其特征在于：包括碳纤维内加热光缆，所述的碳纤维内加热光缆经夹具固定在排水通道侧壁，形成回路后与分布式光纤温度解调仪连通，所述分布式光纤温度解调仪与计算机连通；利用碳纤维内加热光缆碳纤维加热后在水与在空气中的不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此分布式光纤温度解调仪与计算机解调出数据判断水位的高低。

【技术特征摘要】
1.一种长距离分布式监测隧道内排水通道水位深度的方法，其特征在于：包括碳纤维内加热光缆，所述的碳纤维内加热光缆经夹具固定在排水通道侧壁，形成回路后与分布式光纤温度解调仪连通，所述分布式光纤温度解调仪与计算机连通；利用碳纤维内加热光缆碳纤维加热后在水与在空气中的不同介质中能量传播的程度不同，在不同介质界面形成的温度梯度不同，测量出不同的温度梯度或不同介质界面形成的温度差值，以此分布式光纤温度解调仪与计算机解调出数据判断水位的高低。2.根据权利要求1的方法，其特征在于：碳纤维内加热光缆所测得的在不同介质界面形成的温度的梯度是指布设在排水通道侧壁上的碳纤维内加热光缆通电后，光缆周围形成的温度场稳定时，在水和空气交界处形成的温度梯度。3.根据权利要求1的方法，其特征是分布式光纤温度解调仪的特征是采用基于拉曼背向散射光时域测温原理进行分布式温度测量，感温元件为碳纤维内加热感测光缆，采用5-10cm采样间隔，空间分辨率可达到50cm；长距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：王占生，施斌，王兴，刘建国，魏广庆，李文峰，张振，
申请(专利权)人：苏州市轨道交通集团有限公司，南京大学，苏州南智传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32