一種測量水下沖淤深度的帶狀光纜的制作方法

本發明涉及一種土木水利工程監測裝置，具體涉及一種可以測量港口、海岸堤防等水工結構中淤泥沖刷和淤積深度的溫度式傳感帶狀光纜。

背景技術：

水流對海河岸堤壩防護、橋梁、海洋平臺等結構物樁基的沖刷使樁基附近的基礎被逐漸沖蝕是結構物被破壞的重要原因之一。結構物通常對于水流起阻礙作用，進而導致在結構物附近水流流速過快并產生漩渦，沖蝕結構物附近基礎，使結構處于不安全的狀態。這種狀態下的結構帶著隱患工作，又很難被發現。一旦結構由于沖刷產生破壞，這種破壞屬于脆性破壞，具有突然性，會引起嚴重后果。

目前我國建有各類堤防25萬km，其中主要堤防6.75萬km。我國堤防一般傍河而建堤線選擇受到河勢條件制約，地基多為第四紀松散沉積物，其物質組成、分布及厚度變化大，地質條件復雜。我國河流的堤岸沖刷和淤積現象十分普遍，如長江中下游的堤岸沖刷、北江大堤險段的堤腳淘刷等，堤岸沖刷嚴重威脅堤防安全。因此，沖刷和淤積對橋梁和堤岸造成的破壞已經成為研究的焦點。

目前的沖刷和淤積監測方法主要有人工深度尺、聲納、雷達和時域反射計(TDR)等，但是這些方法在實際工程應用中具有很大局限性，比如存在不能連續監測、精度低、穩定性差、成本高和傳感元件耐久性差等缺點，難于實時、準確監測樁基和堤岸的沖刷和淤積狀態。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種自動監測、高精確性、高耐久性且靈活簡便的溫度式沖淤深度的帶狀光纜，用以監測水下由于沖刷、淤積等作用而造成的水土界面深度變化。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種測量水下沖淤深度的帶狀光纜，包括絕熱層以及與絕熱層相結合的兩條并行的柔性導熱鋼帶；兩條導熱鋼帶之間由絕熱層凸起的絕熱材料隔離；在其中一條導熱鋼帶與絕熱層之間設置有發熱導線一、和發熱導線二，在另一條導熱鋼帶與絕熱層之間設置有測溫光纖一以及測溫光纖二；在所述帶狀光纜的末端，發熱導線一與發熱導線二熔接形成通電回路，測溫光纖一與測溫光纖二熔接形成測溫回路。

進一步，所述帶狀光纜截面為梯形。

進一步，所述帶狀光纜末端為斜坡口結構。

進一步，所述絕熱層由704硅橡膠制作而成。

進一步，發熱導線一、和發熱導線二、測溫光纖一以及測溫光纖二均外包有保護套。

進一步，所述帶狀光纜通過卡扣固定在插入水土環境中的基樁上。

進一步，若干所述卡扣等間隔分布在基樁上。

兩條柔性導熱鋼帶正面與水體或土體等直接接觸，發熱導線產生的熱量可通過導熱鋼帶傳遞至水土界面，再傳遞給測溫光纖。發熱導線、測溫光纖以及兩條柔性鋼帶之間均由絕熱材料隔離，防止熱量從帶狀光纜內部傳遞。帶狀光纜的末端有一個斜坡口，方便隨基樁入土并且防止損壞光纜。使用時，將帶狀光纜貼附在橋墩、人工島等水工結構的基樁上即可。

本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：(1)本發明通過連續的發熱導線發熱，保證發熱導線每個位置以恒定功率發熱，利于對各個位置的溫度差進行對比分析；通過同一環境中兩根測溫光纖在不同距離位置溫度的測量值做對比，可排除其他因素的干擾。；(2)本發明易于安裝，只需將帶狀光纜用卡扣固定在工程樁上隨樁入土即可，在入土一端設計有斜坡口，方便入土；(3)本發明適宜長期監測，基于測溫光纖測溫特性，數據可靠，誤差小；(4)本發明長度可自由定制，可根據實際情況制作任意長度的光纜，靈活簡便；(5)本發明可對多個監測點同時進行沖刷監測，可按照監測需求，在多個監測點安裝本發明的光纜，實現區域性整體沖刷監測；(6)由于采用了帶狀光纜，在存放、運輸過程中可以將其盤起，存放、運輸方便。

附圖說明

圖1為本發明帶狀光纜橫截面結構示意圖。

圖2為帶狀光纜末端發熱導線和測溫光纖熔接方式示意圖。

圖3為帶狀光纜安裝在工程樁上的示意圖。

具體實施方式

容易理解，依據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本發明測量水下沖淤深度的帶狀光纜的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限制或限定。

結合附圖，本發明帶狀光纜包括絕熱層105以及與絕熱層105相結合的兩條并行的導熱鋼帶106；兩條導熱鋼帶106之間由絕熱層105凸起的絕熱材料隔離；在其中一條導熱鋼帶106與絕熱層105之間設置有發熱導線一101、和發熱導線二102，在另一條導熱鋼帶106與絕熱層105之間設置有測溫光纖一103以及測溫光纖二104；在所述帶狀光纜的末端，發熱導線一101與發熱導線二102熔接形成通電回路，測溫光纖一103與測溫光纖二104熔接形成測溫回路。

發熱導線一101、發熱導線二102、測溫光纖一103以及測溫光纖二104均被防腐蝕且導熱的保護套保護，貼附在兩段柔性導熱鋼帶106的背面。兩條柔性導熱鋼帶106中間也用絕熱材料隔開。該帶狀光纜截面為梯形，整體是柔性。絕熱材料可以是704硅橡膠等絕熱且柔性的材料。

該帶狀電纜在基樁上的安裝方式為卡扣201固定，在帶狀電纜貼附在基樁上后，另外每隔50cm用一個卡扣，將其固定在基樁上。基樁202插入水土環境中，帶狀電纜105利用等間隔分布的卡扣201固定在基樁上，使帶狀光纜與水體、土體以及空氣均有接觸。

對發熱導線回路通電使其發熱，由于發熱導線一101、發熱導線二102與測溫光纖一103以及測溫光纖二104之間被絕熱材隔開，發熱導線的熱量將通過柔性導熱鋼帶106從水體或土體環境傳到距離不同的兩根測溫光纖。隨著加熱時間的增加，當所處的環境為水體時，發熱導線熱量散失速度與水流速度呈正相關性，且明顯大于土體環境。因此兩根測溫光纖在各個深度位置上會產生與所在環境不同而不同的溫度曲線與環境特征值。熱量散失速度越快，測溫光纖感知的溫度變化就越慢，溫度變化幅度也越小；通過測溫光纖在每個深度位置的加熱過程中的溫度變化速度和幅度變化，就可以區分測溫光纖每個深度位置所處環境是水體或者土體。通過分析數據，可以精確分辨出水體環境與土體環境所在位置及其分界點，從而精確得到相應水工結構所在位置的沖淤深度數據。

具體分析過程為：分別記錄下兩根測溫光纖相同深度h的兩個點的溫度初始值T₁₀和T₂₀，在對導線通電加熱一段時間后，測量該深度下兩根光纖變化后的溫度T₁和T₂，根據公式λ＝ΔT₁²-ΔT₂²＝(T₁-T₁₀)²-(T₂-T₂₀)²，求解其環境系數λ。若0≤λ≤50，可認為該深度位置h的環境是水環境；若50≤λ≤200，可認為該深度位置h的環境是泥沙環境；若λ＞200，可認為該深度位置h的環境是空氣環境。

本發明所述帶狀光纜的使用方法如下：

第一，將帶狀光纜每隔50cm用一個卡扣201固定在基樁202上。由于光纖的特性，該帶狀光纜在運輸過程中盤起時，且彎曲半徑不宜過小。在安裝時候，應當注意卡扣的位置與密度，底部斜坡口應有一個卡扣，要保證帶狀光纜緊緊貼附在基樁上，不會在沉樁過程中受到損壞。

第二，將基樁202連同依附在上面的帶狀電纜201沉入水下，且使帶狀光纜與水體、土體以及空氣均有接觸。

第三，監測時，帶狀光纜在地上部分應與DTS解調儀和電源連接，其中DTS解調儀測量測溫光纖在不同位置處的溫度，電源對發熱導線通電發熱，并持續利用DTS解調儀測量測溫光纖溫度，通過分析數據，可以精確分辨出水體環境與土體環境所在位置及其分界點，從而精確得到相應水工結構所在位置的沖淤深度數據。由于發熱導線與測溫光纜均在尾端熔接形成回路，因此只需要在地上一個地點將其連通即可，不需要額外鋪設輔助光纜和電纜。