專利名稱：基于光纖測溫原理的內置防滲土工膜破損監測方法
技術領域：
本發明涉及一種防滲工程內部土工膜破損的定位方法，屬于水利工程(土木工 程)一防滲技術領域
背景技術：
滲透破壞是導致提壩潰塌災難的最主要原因。在防滲體的構成材料中，土工膜的 價格低廉、防滲效果好，并具有適應壩體、地基變形的明顯優勢，在多地震地區、尤其在喀斯 特地貌區域幾乎是首選材料。相關技術自二十世紀七十年代引入我國后，已經形成了一套 完整的土工膜生產、檢驗、防滲體設計、施工質量控制、驗收等標準和規程，整體壽命也有明 顯提高——期望壽命已經接近一百年。世界各國都在在各種設計規范和施工規范中大力推 薦土工膜作為防滲材料，我國前經貿委、水利部還先后組織了五十多個示范工程，以求盡快 推廣其應用范圍。但是，土工膜的抗拉、抗剪強度較低，提壩內的土工膜一旦在環境、水土生 物、襯墊外力等作用下受損，其“開裂部位難以確定”這一重大缺陷立即顯現出來。由于滲 水穿越土工膜后迅速在土體內擴散，即使提壩內預埋監測儀器也無法確定損傷部位。這一 弊端使得開裂初期短暫的搶修時機喪失，導致撕裂和滲透破壞急劇擴展，嚴重威脅到提壩 的安全。因此土工膜在提壩、尤其是中高型土石壩中的應用一直受到極大的制約。有關部門的統計表明由于提壩內的土工膜遭受損傷后難以及時察覺、難以定位 修復，大多數工程(甚至是小型工程)都不愿使用土工膜，寧愿以成倍的代價、進行大范圍 的灌漿防滲。我國有許多地區屬于地震多發區，雖然其震級或破壞烈度通常不大，但由于灌 漿形成的防滲體薄而脆、與壩體材料的親和力較差，必然在大壩受震變形時發生斷裂或接 觸帶離析。于是在許多地方就出現了灌漿_滲漏_再灌漿_再滲漏的怪圈循環，每次花費 數百萬 數千萬元的資金灌漿，只能使大壩在2 5年內的滲透指標達到相應的標準。以 申請者承擔鑒定的云南大姚縣龍林水庫為例2001年5月大壩灌漿完畢、當年汛期滲流指 標檢驗合格；2003年7月地震后隨即發現比灌漿前更大的滲漏，并出現流土險情，經安全鑒 定為三類險壩。二百余萬元的國債資金只“加固”了這個小(一)型水庫大壩兩年，使灌溉 用水的成本劇增到無法接受的3000 5000元/m3。相比之下，土工膜屬于柔性材料，對壩體壩基變形的適應能力很強，在未遭受外力 刺穿、撕裂的情況下，其老化速度能夠滿足多數水利工程的經濟壽命需求，特別適用于多地 震地區和巖溶地區作為價廉物美的防滲鋪蓋。例如，昆明金殿水庫庫區和翠湖等地曾經長 期大量漏水，多次采用混凝土塞、回填混凝土、充填灌漿等均未能解決問題，最后使用土工 膜作盆式鋪蓋，才達到了止漏防滲的目標。1998年全國大洪水汛期，土工膜也是各地防滲搶 險最普遍采用的措施。一旦土工膜“損傷定位”的問題得到解決，必然提高土工膜的安全性 能、改善防滲體的性價比、明顯降低提壩的造價；并且能為土工膜破壞后的提壩爭取到寶貴 的搶修時間，有效地防止提壩潰塌引發災難。資料檢索表明，國內外在土工膜相關領域的研究主要集中在兩個方面①鋪設工 藝的研究，如墊層的篩分、層次、厚度，以及水壓的關系，邊角截水措施等；②材料改性的研究，如設法增加土工膜的韌性、塑性，改變厚度，延壽抗老化等。但在“內置土工膜受損部位 的確定”方面，尚未檢索到任何研究或成果信息。“分布式光纖測溫技術”業已成熟，特別適合于需要大范圍密集監測的工程，已經 成功應用于混凝土壩的水化熱監測、高壓電纜的溫度監測等領域。溫度可以通過飽和或非 飽和的土體傳遞，且溫度在地層中的變化是連續的。水在4°C時密度最大，所以水庫底部的 水溫通常較低；地層中的溫度分布則恰好相反，隨著深度的增加而溫度穩定升高。諸多研究 已經證明提壩或壩基中發現的低溫異常與庫水集中滲漏有關，因此可用溫度來檢測土工 膜破損導致的集中滲漏。此外，柔韌光纖的“加筋”作用，還能明顯提高土工膜的各項性能。
發明內容
本發明所解決的技術問題是提供了一種工程內置防滲土工膜破損監測、并快速 確定破損位置的方法，其原理成熟可靠、操作簡便、定量分析和計算快捷。解決本發明的技術問題所采用的方案是將連續的光纖與土工膜結合成一體，光 纖在土工膜上呈蛇形狀均勻排列，光纖之間的間距小于或等于二倍光纖的溫度敏感距離； 以土工膜作為防滲材料，并使整個防滲區域的光纖光路導通；引出光纖的端點至光纖測溫 檢測裝置，覆蓋土工膜的保護層；按防滲工程的布置設計，建立光纖長度L與防滲面的XY坐 標值之間的轉換式，采用光纖測溫檢測裝置監視土工膜各部位的溫度，把出現溫度對比異 常的區域判定為滲漏部位，而溫度異常最大之處為土工膜破損的中心位置。本發明的具體技術方案還包括所述的光纖直徑為4μπι 50 μ m，光纖之間的布置間距< lm，光纖既可夾入土工 膜中或粘貼于土工膜的一側，或者光纖將布置于土工膜附近的溫度敏感區域內；土工膜采 取沿壩軸線方向鋪設，不宜在側面剪斷光纖，而是將多余寬度的土工膜向防滲邊界(壩頂、 壩基等)嵌入鋪設。在各幅土工膜的邊緣應留出0. 2m 0. 5m的無光纖交疊區域，用來相互焊接或粘 接，并且采用膜外連接光纖來焊接各幅土工膜的光纖頭尾接頭，形成一條全面導通的光路。作為擋水建筑物的防滲主體，土工膜的破損部位將出現集中滲漏。在各種環境溫 度、各種環境濕度下進行的多次重復實驗均證明土工膜破損部位水體的流動，必將導致此 處的溫度與破損之前、與附近未破損的部位均有明顯區別，因此經過溫度對比能夠確定土 工膜的破損位置。光纖測溫誤差<0.03°C，內置土工膜破損的定位誤差< 0.3m。上述指標 均足以滿足防滲工程安全和除險加固的需要。本發明各重要組成的功能是(1)光纖土工膜土工膜在擋水工程中作為防滲主體；光纖土工膜則以其中的分 布式光纖作為密集的傳感器，監測土工膜中各點的溫度變化，并以“溫度對比異常”作為土 工膜破裂的判定依據。(2)判斷溫度對比異常土工膜的破損部位將出現集中滲漏，水體的流動導致此 處的溫度與破損之前、與附近未破損的部位均有明顯區別。光纖測溫誤差<0. 03°C，通過溫 度對比異常來確定土工膜的破損位置。(3)光纖測溫系統以光纖為傳感器，周而復始地采集土工膜中各測點的溫度值，并與該點此前的溫度、附近各測點的溫度進行自動對比，發現超過閾值的溫度異常則自動聲光報警、并顯示異常點對應的光纖長度L。可使用拉曼光譜議等已有的光纖測溫設備。(4)異常點的坐標轉換以各工地土工膜的鋪設施工設計為依據，將溫度對比異 常點至原點的光纖長度L換算成防滲面的XY坐標值，使得定位數據與工程技術人員的慣例 一致，便于快速準確地確定土工膜的破損位置。本發明的工作原理(1)反斯托克斯光強與溫度密切相關單色(單頻)光在光纖中將發生分子散射，從而產生與“源光頻率不同”的拉曼光 譜。其中頻率低于源光的成分又稱為斯托克斯光，頻率高于源光的成分又稱為反斯托克斯 光；頻率與源光差別較大的兩側譜線稱為大拉曼光譜。大拉曼光譜中的反斯托克斯光與斯 托克斯光的光強之商，與分子的振動能級——溫度密切相關，已經有成熟的理論和計算式。(2)光的散射與速度與光纖密切相關光纖的材料、細觀結構均對拉曼光譜和傳播速度產生直接影響。只要現場標定了 光纖中的光速、設定了測點的間隔，依據拉曼光譜的傳播時間，就能夠很方便地計算出各測 點的光纖長度。(3)光纖測溫技術已經成熟在許多領域都有光纖測溫技術的成功應用。例如在電網系統，利用光纖測溫以監 視超高壓輸電線的溫度異常；在大體積混凝土工程，利用光纖測溫以監視結構內部的水化 熱超標；在混凝土大壩，利用光纖測溫以確定細觀滲漏通道的位置；等等不勝枚舉。(4)內置土工膜各測點的溫度變化與集中滲漏顯著關聯土工膜的破損部位將出現集中滲漏，水體的流動導致此處的溫度與破損之前、與 附近未破損的部位均有明顯區別。光纖的測溫誤差< 0.03°C，通過溫度對比異常就能夠確 定土工膜的破損位置。本發明的有益效果是(1)提供了內置土工膜破損位置的定位方法提壩內的土工膜遭受損傷后難以察覺和定位修復，這一弊端將喪失搶修時間、導 致滲透破壞的急劇擴展甚至潰壩，因此在全世界范圍內土工膜的應用一直都受到很大的制 約。本發明將成熟的“光纖測溫”原理引入土工膜防滲技術，結合光纖土工膜創新和防滲鋪 設實踐，從根本上解決了防滲工程內置土工膜破損后無法定位的難題。試驗表明本項發明 的定位誤差低于0. 3m，足以滿足工程安全和除險加固的要求。(2)推廣土工膜的使用、節省工程造價、減災防災滲透破壞是提壩的險況和導致潰塌的最主要原因，土工膜是各國規范推薦的柔性 廉價防滲材料，其預期壽命已經能夠滿足工程經濟壽命的要求，在多地震地區、尤其在喀斯 特地貌區域幾乎是首選材料，水利部也曾組織了多個示范工程予以推廣。我國是世界上提 壩數量最多、病險工程最多的國家，政府每年都拿出數百億資金用于水利工程的除險加固。 由于本項發明解決了 “內置土工膜破損定位”這一關鍵問題，土工膜作為價廉物美的防滲 體，其應用范疇必將獲得迅速拓展，逐漸取代充填灌漿、帷幕灌漿、乃至高壓旋噴灌漿、防滲 墻等高價結構，從而在保證安全的前提下產生顯著的經濟效益。該技術對于提高土工膜的 安全性能、改善防滲體的性價比、增加壩坡的穩定性、明顯節約提壩的除險加固費用等均有 重大意義，并且為土工膜遭受破壞的提壩爭取到了寶貴的搶修時間，能夠有效地減少提壩潰塌災難的發生。(3)提出了 “光纖土工膜”的創新得益于通訊領域的迅猛發展，光纖的直徑已經達到4μπι，透明度足夠，已有使用G652型光纖成功測溫30km長度、周邊涵蓋0. 5m的范例，柔韌性也已完全符合“纖維”屬性。 將光纖蛇形植入各種土工膜，不僅布置了密集的監測傳感器，還能起到“加筋”的效果，改善 傳統土工膜的力學性能。
圖1為本發明的光纖土工膜結構示意圖；圖2為本發明的土工膜鋪設狀態示意圖。圖中土工膜1、光纖2、防滲邊界3、交疊焊膜區4、膜外連接光纖5、壩頂6。
具體實施例方式(1)制造光纖土工膜參見圖1，在傳統土工膜1的生產過程中將光纖2以蛇形方式布置其中，從而獲得 “光纖土工膜”。設土工膜的幅寬為B，土工膜邊緣各留δ (建議0. 25m)作為無光纖交疊焊 接(粘接)區域，則光纖的單長Γ1 = Β-2δ ；光纖對其兩側0.5m內的溫度變化較敏感，故 測溫光纖之間的間距Γ 2彡Im(建議0. 6m)。(2)鋪設光纖土工膜參見圖2，在防滲工程的施工過程中以上述光纖土工膜1作為防滲材料，按現行規 范施工。為避免過多的光纖接頭和定位計算煩瑣，建議沿壩軸線方向鋪設；不宜在側面剪斷 光纖2，建議將多余寬度的土工膜向防滲邊界3 (壩頂、壩基等)嵌入。(3)接通光譜傳感器與設備的光路鋪設完畢后，按照通訊光纖的規范，用膜外連接光纖5焊接各幅土工膜1的光纖2 頭尾、形成一條全面導通的光路。參見圖2，設各膜外連接光纖5的長度分別為Sp S2、…。 引出光纖的起點，將光路連通到拉曼光譜測溫系統上，再按現行規范覆蓋土工膜的保護層 (壩殼土料、壩坡防護石料等)。(4)建立坐標轉換式參見圖2，依據防滲工程的布置設計，應用常規數學變換，推導以測溫系統入口為 原點0的光纖長度L與XY坐標值之間的轉換式。(5)溫度監測設定光纖上的測點間隔(建議0. Olm)，標定該工程采用光纖中的光速。用光纖測 溫系統(拉曼光譜議，等)周而復始地自動監測土工膜內光纖各測點的溫度變化，并與該點 此前的溫度、附近各測點的溫度進行自動對比；發現超過閾值的溫度異常則自動聲光報警、 并顯示異常點距測溫系統入口的光纖長度L。溫度異常閾值建議0. 5min間隔，同測點對比 ≥士 0. 6 °C，與附近各測點對比≥0. 2°C。(6)定位值的坐標轉換基于步驟(4)建立的轉換式，將溫度對比區域最大異常點的光纖長度L換算成土 工膜破損位置的XY坐標值。
例如，設圖2中H點因土工膜穿孔、溫度異常超過閾值，光纖測溫系統報警并顯示兩個光纖異常點的L值分別SL1 = 1089. OOn^PL2 = 1095. 10m，異常溫度增量分別為AT1 =0. 58°C和ΔΤ2 = 1. 89°C。則經過下列運算即可確定壩內土工膜破損位置的坐標。①假定由設計和施工記錄已知土工膜幅寬B = 6m ；邊緣交疊無光纖區域δ = 0. 25m ；5 塊土工膜(從上到下)分別長 C1 = 120m, C2 = 113m, C3 = 103m, C4 = 89m, C5 = 70m ；膜外連接光纖(從上到下)分別長S1 = 16m, S2 = 16m, S3 = 9m, S4 = 19m。膜內光纖 間隔Γ 2 = 0. 6m,光纖單長Γ丄=Β-2 δ =5. 5m。②竣工驗收計算各土工膜(從上到下)中的光纖長度DD1 = (C「2 δ)/Γ2Χ (T^r2)+ T1 = 1220. 42mD2 = (C2-2 δ )/Γ2Χ ( Γ ^ Γ 2) + Γ ! = 1149. 25mD3 = (C3-2 δ)/Γ2Χ(Γ1+Γ2) + Γ1 = 1047. 58mD4 = (C4-2 δ)/Γ2Χ(Γ1+Γ2) + Γ1 = 905. 25mD5 = (C5-2 δ ) / Γ 2 X ( Γ Γ 2) + Γ ！ = 712. 08m③光纖監測異常點的坐標轉換=L1 < L2 < D1，故兩個溫度異常點均位于長度為D1 的土工膜內。因int [L1/ (T^r2)] =178，int [L2/ ( Γ ^ Γ 2) ] = 179，余數均為 0. 52 < Γ ！，對 X 值均無影響。故 X1 = int[L1/(T^r2)] X T2 = 106. 80mX2 = int [L2/ ( Γ ^ Γ 2) ] X Γ 2 = 107. 40m因L^L2分別對應的光纖間隔數178為偶數、179為奇數，余數0. 52對Y值分別自 上、自下產生影響-.Y1 = 0. 52m ；Y2 = Γ「0. 52 = 4. 98m。④計算土工膜穿孔點H的坐標點H到兩側光纖溫度異常點的距離，與異常溫度的 增量Δ T近似成反比。(Hx-X1) (X2-Hx) Δ T2 Δ T1 ； (Hy-Y1) (Y2-Hy) ^ Δ T2 Δ T1帶入前面獲得的數據，即可解出土工膜穿孔點H的坐標為HX 107.26m， Hy ^ 3. 93m。
權利要求
一種基于光纖測溫原理的內置防滲土工膜破損監測方法，其特征是將連續的光纖與土工膜結合成一體，光纖在土工膜上呈蛇形狀均勻排列，光纖之間的間距小于或等于二倍光纖的溫度敏感距離；以土工膜作為防滲材料，使整個防滲區域光纖的光路導通；引出光纖的端點至光纖測溫檢測裝置，覆蓋土工膜的保護層；按防滲工程的布置設計，建立光纖長度L與防滲面的XY坐標值之間的轉換式，以光纖測溫檢測裝置監視土工膜各部位的溫度，把出現溫度對比異常的區域判定為滲漏部位，將溫度異常最大之處確定位土工膜破損的中心位置。
2.按權利要求1所述的基于光纖測溫原理的內置防滲土工膜破損監測方法，其特征 是所述的光纖直徑為4μπι 50μπι，光纖之間的布置間距< lm，光纖夾入土工膜中或粘貼 于土工膜的一側、或者布置于土工膜附近的溫度敏感區域內；土工膜采取沿壩軸線方向鋪 設，在防滲邊界處將多余寬度的土工膜向防滲邊界嵌入鋪設。
3.按權利要求2所述的基于光纖測溫原理的內置防滲土工膜破損監測方法，其特征 是在各幅土工膜的邊緣應留出0. 2m 0. 5m的無光纖交疊區域，并且采用膜外連接光纖來 焊接各幅土工膜的光纖頭尾接頭。
全文摘要
本發明涉及一種防滲工程內部土工膜的破損迅速定位方案，屬于水利工程(土木工程)——防滲技術領域。本方法是將連續的光纖與土工膜結合成一體，光纖在土工膜上呈蛇形狀均勻排列，光纖之間的間距小于或等于二倍光纖的溫度敏感距離；以土工膜作為防滲材料，并使整個防滲區域的光纖光路導通；引出光纖的端點至光纖測溫檢測裝置，覆蓋土工膜的保護層；按防滲工程的布置設計，建立光纖長度L與防滲面的XY坐標值之間的轉換式，采用光纖測溫檢測裝置監視土工膜各部位的溫度，把出現溫度對比異常的區域判定為滲漏部位，而溫度異常最大之處為土工膜破損的中心位置。本方法解決了土工膜的破損定位的難題，可明顯提高以土工膜作為防滲體的堤壩的安全性能。
文檔編號G01K11/32GK101799430SQ201010109990
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月20日 優先權日2010年2月20日
發明者劉海波, 吳霞, 李晉豫, 楊華舒, 楊宇璐, 殷小林, 陳剛 申請人:昆明理工大學