专利名称：基于光纤测温原理的内置防渗土工膜破损监测方法
技术领域：
本发明涉及一种防渗工程内部土工膜破损的定位方法，属于水利工程(土木工 程)一防渗技术领域
背景技术：
渗透破坏是导致提坝溃塌灾难的最主要原因。在防渗体的构成材料中，土工膜的 价格低廉、防渗效果好，并具有适应坝体、地基变形的明显优势，在多地震地区、尤其在喀斯 特地貌区域几乎是首选材料。相关技术自二十世纪七十年代引入我国后，已经形成了一套 完整的土工膜生产、检验、防渗体设计、施工质量控制、验收等标准和规程，整体寿命也有明 显提高——期望寿命已经接近一百年。世界各国都在在各种设计规范和施工规范中大力推 荐土工膜作为防渗材料，我国前经贸委、水利部还先后组织了五十多个示范工程，以求尽快 推广其应用范围。但是，土工膜的抗拉、抗剪强度较低，提坝内的土工膜一旦在环境、水土生 物、衬垫外力等作用下受损，其“开裂部位难以确定”这一重大缺陷立即显现出来。由于渗 水穿越土工膜后迅速在土体内扩散，即使提坝内预埋监测仪器也无法确定损伤部位。这一 弊端使得开裂初期短暂的抢修时机丧失，导致撕裂和渗透破坏急剧扩展，严重威胁到提坝 的安全。因此土工膜在提坝、尤其是中高型土石坝中的应用一直受到极大的制约。有关部门的统计表明由于提坝内的土工膜遭受损伤后难以及时察觉、难以定位 修复，大多数工程(甚至是小型工程)都不愿使用土工膜，宁愿以成倍的代价、进行大范围 的灌浆防渗。我国有许多地区属于地震多发区，虽然其震级或破坏烈度通常不大，但由于灌 浆形成的防渗体薄而脆、与坝体材料的亲和力较差，必然在大坝受震变形时发生断裂或接 触带离析。于是在许多地方就出现了灌浆_渗漏_再灌浆_再渗漏的怪圈循环，每次花费 数百万 数千万元的资金灌浆，只能使大坝在2 5年内的渗透指标达到相应的标准。以 申请者承担鉴定的云南大姚县龙林水库为例2001年5月大坝灌浆完毕、当年汛期渗流指 标检验合格；2003年7月地震后随即发现比灌浆前更大的渗漏，并出现流土险情，经安全鉴 定为三类险坝。二百余万元的国债资金只“加固”了这个小(一)型水库大坝两年，使灌溉 用水的成本剧增到无法接受的3000 5000元/m3。相比之下，土工膜属于柔性材料，对坝体坝基变形的适应能力很强，在未遭受外力 刺穿、撕裂的情况下，其老化速度能够满足多数水利工程的经济寿命需求，特别适用于多地 震地区和岩溶地区作为价廉物美的防渗铺盖。例如，昆明金殿水库库区和翠湖等地曾经长 期大量漏水，多次采用混凝土塞、回填混凝土、充填灌浆等均未能解决问题，最后使用土工 膜作盆式铺盖，才达到了止漏防渗的目标。1998年全国大洪水汛期，土工膜也是各地防渗抢 险最普遍采用的措施。一旦土工膜“损伤定位”的问题得到解决，必然提高土工膜的安全性 能、改善防渗体的性价比、明显降低提坝的造价；并且能为土工膜破坏后的提坝争取到宝贵 的抢修时间，有效地防止提坝溃塌引发灾难。资料检索表明，国内外在土工膜相关领域的研究主要集中在两个方面①铺设工 艺的研究，如垫层的筛分、层次、厚度，以及水压的关系，边角截水措施等；②材料改性的研究，如设法增加土工膜的韧性、塑性，改变厚度，延寿抗老化等。但在“内置土工膜受损部位 的确定”方面，尚未检索到任何研究或成果信息。“分布式光纤测温技术”业已成熟，特别适合于需要大范围密集监测的工程，已经 成功应用于混凝土坝的水化热监测、高压电缆的温度监测等领域。温度可以通过饱和或非 饱和的土体传递，且温度在地层中的变化是连续的。水在4°C时密度最大，所以水库底部的 水温通常较低；地层中的温度分布则恰好相反，随着深度的增加而温度稳定升高。诸多研究 已经证明提坝或坝基中发现的低温异常与库水集中渗漏有关，因此可用温度来检测土工 膜破损导致的集中渗漏。此外，柔韧光纤的“加筋”作用，还能明显提高土工膜的各项性能。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供了一种工程内置防渗土工膜破损监测、并快速 确定破损位置的方法，其原理成熟可靠、操作简便、定量分析和计算快捷。解决本发明的技术问题所采用的方案是将连续的光纤与土工膜结合成一体，光 纤在土工膜上呈蛇形状均勻排列，光纤之间的间距小于或等于二倍光纤的温度敏感距离； 以土工膜作为防渗材料，并使整个防渗区域的光纤光路导通；引出光纤的端点至光纤测温 检测装置，覆盖土工膜的保护层；按防渗工程的布置设计，建立光纤长度L与防渗面的XY坐 标值之间的转换式，采用光纤测温检测装置监视土工膜各部位的温度，把出现温度对比异 常的区域判定为渗漏部位，而温度异常最大之处为土工膜破损的中心位置。本发明的具体技术方案还包括所述的光纤直径为4μπι 50 μ m，光纤之间的布置间距< lm，光纤既可夹入土工 膜中或粘贴于土工膜的一侧，或者光纤将布置于土工膜附近的温度敏感区域内；土工膜采 取沿坝轴线方向铺设，不宜在侧面剪断光纤，而是将多余宽度的土工膜向防渗边界(坝顶、 坝基等)嵌入铺设。在各幅土工膜的边缘应留出0. 2m 0. 5m的无光纤交叠区域，用来相互焊接或粘 接，并且采用膜外连接光纤来焊接各幅土工膜的光纤头尾接头，形成一条全面导通的光路。作为挡水建筑物的防渗主体，土工膜的破损部位将出现集中渗漏。在各种环境温 度、各种环境湿度下进行的多次重复实验均证明土工膜破损部位水体的流动，必将导致此 处的温度与破损之前、与附近未破损的部位均有明显区别，因此经过温度对比能够确定土 工膜的破损位置。光纤测温误差<0.03°C，内置土工膜破损的定位误差< 0.3m。上述指标 均足以满足防渗工程安全和除险加固的需要。本发明各重要组成的功能是(1)光纤土工膜土工膜在挡水工程中作为防渗主体；光纤土工膜则以其中的分 布式光纤作为密集的传感器，监测土工膜中各点的温度变化，并以“温度对比异常”作为土 工膜破裂的判定依据。(2)判断温度对比异常土工膜的破损部位将出现集中渗漏，水体的流动导致此 处的温度与破损之前、与附近未破损的部位均有明显区别。光纤测温误差<0. 03°C，通过温 度对比异常来确定土工膜的破损位置。(3)光纤测温系统以光纤为传感器，周而复始地采集土工膜中各测点的温度值，并与该点此前的温度、附近各测点的温度进行自动对比，发现超过阈值的温度异常则自动声光报警、并显示异常点对应的光纤长度L。可使用拉曼光谱议等已有的光纤测温设备。(4)异常点的坐标转换以各工地土工膜的铺设施工设计为依据，将温度对比异 常点至原点的光纤长度L换算成防渗面的XY坐标值，使得定位数据与工程技术人员的惯例 一致，便于快速准确地确定土工膜的破损位置。本发明的工作原理(1)反斯托克斯光强与温度密切相关单色(单频)光在光纤中将发生分子散射，从而产生与“源光频率不同”的拉曼光 谱。其中频率低于源光的成分又称为斯托克斯光，频率高于源光的成分又称为反斯托克斯 光；频率与源光差别较大的两侧谱线称为大拉曼光谱。大拉曼光谱中的反斯托克斯光与斯 托克斯光的光强之商，与分子的振动能级——温度密切相关，已经有成熟的理论和计算式。(2)光的散射与速度与光纤密切相关光纤的材料、细观结构均对拉曼光谱和传播速度产生直接影响。只要现场标定了 光纤中的光速、设定了测点的间隔，依据拉曼光谱的传播时间，就能够很方便地计算出各测 点的光纤长度。(3)光纤测温技术已经成熟在许多领域都有光纤测温技术的成功应用。例如在电网系统，利用光纤测温以监 视超高压输电线的温度异常；在大体积混凝土工程，利用光纤测温以监视结构内部的水化 热超标；在混凝土大坝，利用光纤测温以确定细观渗漏通道的位置；等等不胜枚举。(4)内置土工膜各测点的温度变化与集中渗漏显著关联土工膜的破损部位将出现集中渗漏，水体的流动导致此处的温度与破损之前、与 附近未破损的部位均有明显区别。光纤的测温误差< 0.03°C，通过温度对比异常就能够确 定土工膜的破损位置。本发明的有益效果是(1)提供了内置土工膜破损位置的定位方法提坝内的土工膜遭受损伤后难以察觉和定位修复，这一弊端将丧失抢修时间、导 致渗透破坏的急剧扩展甚至溃坝，因此在全世界范围内土工膜的应用一直都受到很大的制 约。本发明将成熟的“光纤测温”原理引入土工膜防渗技术，结合光纤土工膜创新和防渗铺 设实践，从根本上解决了防渗工程内置土工膜破损后无法定位的难题。试验表明本项发明 的定位误差低于0. 3m，足以满足工程安全和除险加固的要求。(2)推广土工膜的使用、节省工程造价、减灾防灾渗透破坏是提坝的险况和导致溃塌的最主要原因，土工膜是各国规范推荐的柔性 廉价防渗材料，其预期寿命已经能够满足工程经济寿命的要求，在多地震地区、尤其在喀斯 特地貌区域几乎是首选材料，水利部也曾组织了多个示范工程予以推广。我国是世界上提 坝数量最多、病险工程最多的国家，政府每年都拿出数百亿资金用于水利工程的除险加固。 由于本项发明解决了 “内置土工膜破损定位”这一关键问题，土工膜作为价廉物美的防渗 体，其应用范畴必将获得迅速拓展，逐渐取代充填灌浆、帷幕灌浆、乃至高压旋喷灌浆、防渗 墙等高价结构，从而在保证安全的前提下产生显著的经济效益。该技术对于提高土工膜的 安全性能、改善防渗体的性价比、增加坝坡的稳定性、明显节约提坝的除险加固费用等均有 重大意义，并且为土工膜遭受破坏的提坝争取到了宝贵的抢修时间，能够有效地减少提坝溃塌灾难的发生。(3)提出了 “光纤土工膜”的创新得益于通讯领域的迅猛发展，光纤的直径已经达到4μπι，透明度足够，已有使用G652型光纤成功测温30km长度、周边涵盖0. 5m的范例，柔韧性也已完全符合“纤维”属性。 将光纤蛇形植入各种土工膜，不仅布置了密集的监测传感器，还能起到“加筋”的效果，改善 传统土工膜的力学性能。
图1为本发明的光纤土工膜结构示意图；图2为本发明的土工膜铺设状态示意图。图中土工膜1、光纤2、防渗边界3、交叠焊膜区4、膜外连接光纤5、坝顶6。
具体实施例方式(1)制造光纤土工膜参见图1，在传统土工膜1的生产过程中将光纤2以蛇形方式布置其中，从而获得 “光纤土工膜”。设土工膜的幅宽为B，土工膜边缘各留δ (建议0. 25m)作为无光纤交叠焊 接(粘接)区域，则光纤的单长Γ1 = Β-2δ ；光纤对其两侧0.5m内的温度变化较敏感，故 测温光纤之间的间距Γ 2彡Im(建议0. 6m)。(2)铺设光纤土工膜参见图2，在防渗工程的施工过程中以上述光纤土工膜1作为防渗材料，按现行规 范施工。为避免过多的光纤接头和定位计算烦琐，建议沿坝轴线方向铺设；不宜在侧面剪断 光纤2，建议将多余宽度的土工膜向防渗边界3 (坝顶、坝基等)嵌入。(3)接通光谱传感器与设备的光路铺设完毕后，按照通讯光纤的规范，用膜外连接光纤5焊接各幅土工膜1的光纤2 头尾、形成一条全面导通的光路。参见图2，设各膜外连接光纤5的长度分别为Sp S2、…。 引出光纤的起点，将光路连通到拉曼光谱测温系统上，再按现行规范覆盖土工膜的保护层 (坝壳土料、坝坡防护石料等)。(4)建立坐标转换式参见图2，依据防渗工程的布置设计，应用常规数学变换，推导以测温系统入口为 原点0的光纤长度L与XY坐标值之间的转换式。(5)温度监测设定光纤上的测点间隔(建议0. Olm)，标定该工程采用光纤中的光速。用光纤测 温系统(拉曼光谱议，等)周而复始地自动监测土工膜内光纤各测点的温度变化，并与该点 此前的温度、附近各测点的温度进行自动对比；发现超过阈值的温度异常则自动声光报警、 并显示异常点距测温系统入口的光纤长度L。温度异常阈值建议0. 5min间隔，同测点对比 ≥士 0. 6 °C，与附近各测点对比≥0. 2°C。(6)定位值的坐标转换基于步骤(4)建立的转换式，将温度对比区域最大异常点的光纤长度L换算成土 工膜破损位置的XY坐标值。
例如，设图2中H点因土工膜穿孔、温度异常超过阈值，光纤测温系统报警并显示两个光纤异常点的L值分别SL1 = 1089. OOn^PL2 = 1095. 10m，异常温度增量分别为AT1 =0. 58°C和ΔΤ2 = 1. 89°C。则经过下列运算即可确定坝内土工膜破损位置的坐标。①假定由设计和施工记录已知土工膜幅宽B = 6m ；边缘交叠无光纤区域δ = 0. 25m ；5 块土工膜(从上到下)分别长 C1 = 120m, C2 = 113m, C3 = 103m, C4 = 89m, C5 = 70m ；膜外连接光纤(从上到下)分别长S1 = 16m, S2 = 16m, S3 = 9m, S4 = 19m。膜内光纤 间隔Γ 2 = 0. 6m,光纤单长Γ丄=Β-2 δ =5. 5m。②竣工验收计算各土工膜(从上到下)中的光纤长度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光纤监测异常点的坐标转换=L1 < L2 < D1，故两个温度异常点均位于长度为D1 的土工膜内。因int [L1/ (T^r2)] =178，int [L2/ ( Γ ^ Γ 2) ] = 179，余数均为 0. 52 < Γ ！，对 X 值均无影响。故 X1 = int[L1/(T^r2)] X T2 = 106. 80mX2 = int [L2/ ( Γ ^ Γ 2) ] X Γ 2 = 107. 40m因L^L2分别对应的光纤间隔数178为偶数、179为奇数，余数0. 52对Y值分别自 上、自下产生影响-.Y1 = 0. 52m ；Y2 = Γ「0. 52 = 4. 98m。④计算土工膜穿孔点H的坐标点H到两侧光纤温度异常点的距离，与异常温度的 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带入前面获得的数据，即可解出土工膜穿孔点H的坐标为HX 107.26m， Hy ^ 3. 93m。
权利要求
一种基于光纤测温原理的内置防渗土工膜破损监测方法，其特征是将连续的光纤与土工膜结合成一体，光纤在土工膜上呈蛇形状均匀排列，光纤之间的间距小于或等于二倍光纤的温度敏感距离；以土工膜作为防渗材料，使整个防渗区域光纤的光路导通；引出光纤的端点至光纤测温检测装置，覆盖土工膜的保护层；按防渗工程的布置设计，建立光纤长度L与防渗面的XY坐标值之间的转换式，以光纤测温检测装置监视土工膜各部位的温度，把出现温度对比异常的区域判定为渗漏部位，将温度异常最大之处确定位土工膜破损的中心位置。
2.按权利要求1所述的基于光纤测温原理的内置防渗土工膜破损监测方法，其特征 是所述的光纤直径为4μπι 50μπι，光纤之间的布置间距< lm，光纤夹入土工膜中或粘贴 于土工膜的一侧、或者布置于土工膜附近的温度敏感区域内；土工膜采取沿坝轴线方向铺 设，在防渗边界处将多余宽度的土工膜向防渗边界嵌入铺设。
3.按权利要求2所述的基于光纤测温原理的内置防渗土工膜破损监测方法，其特征 是在各幅土工膜的边缘应留出0. 2m 0. 5m的无光纤交叠区域，并且采用膜外连接光纤来 焊接各幅土工膜的光纤头尾接头。
全文摘要
本发明涉及一种防渗工程内部土工膜的破损迅速定位方案，属于水利工程(土木工程)——防渗技术领域。本方法是将连续的光纤与土工膜结合成一体，光纤在土工膜上呈蛇形状均匀排列，光纤之间的间距小于或等于二倍光纤的温度敏感距离；以土工膜作为防渗材料，并使整个防渗区域的光纤光路导通；引出光纤的端点至光纤测温检测装置，覆盖土工膜的保护层；按防渗工程的布置设计，建立光纤长度L与防渗面的XY坐标值之间的转换式，采用光纤测温检测装置监视土工膜各部位的温度，把出现温度对比异常的区域判定为渗漏部位，而温度异常最大之处为土工膜破损的中心位置。本方法解决了土工膜的破损定位的难题，可明显提高以土工膜作为防渗体的堤坝的安全性能。
文档编号G01K11/32GK101799430SQ201010109990
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月20日 优先权日2010年2月20日
发明者刘海波, 吴霞, 李晋豫, 杨华舒, 杨宇璐, 殷小林, 陈刚 申请人:昆明理工大学