特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法，前期通过工程现场调研获取土层特性参数，在该实验装置中进行土层制样，利用该实验装置搭建堤防工程地区的堤防模型，然后通过调整水位高程、水温、气温等参数，利用分布式光纤传感器实现连续渗漏监测过程，实验结束得到各项参数与设定的渗漏阈值之间的关系，能够为不同堤防工程的渗漏监测提供数据依据，实现不同堤防工程的有效监控和及时预警。
【专利说明】
特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法，属于水利水电工程技术领域。
【背景技术】
[0002]堤防是防御洪水泛滥，保护居民和工农业生产的主要措施。由于大多数堤防沿天然河岸修建，普遍存在堤防基础的渗流问题，渗透破坏是河流堤防中的主要破坏形式之一，必须采取渗流控制措施加以控制。不同地区的堤防，受地质条件、环境温度、降雨量等多项因素的影响，渗流条件不同，渗透破坏的机理、过程和结果也不相同，因此，堤防工程必须进行渗漏监测，以通过有效的渗流控制措施降低渗透破坏，保护堤防安全。
[0003]现有的渗漏监测方法为典型断面监测法，该方法是于典型断面埋设若干渗压计进行渗压测量，由于渗压计在空间分布上存在大量的监测盲区，因而监测结果并不完整、准确，难以起到有效监控、及时预警的作用。
[0004]近年来，分布式光纤监测技术在大坝安全监测领域发展迅速，该技术具有空间分辨率高，光纤布设沿线几乎不存在监测盲点、光纤材料不易受电磁干扰、监测空间距离长、结构简单、定制方便、长期可靠有效性、维护成本低等优势，能够实现时间、空间上的连续测量，特别适于进行渗漏连续监测。
【发明内容】
[0005]鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法，该实验装置能够模拟堤防地质、环境条件，利用分布式光纤传感器进行渗漏连续监测，为堤防工程的渗漏监测提供依据，实现堤防工程的有效监控和及时预警。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]—种特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，包括槽体，该槽体中设置挡水隔板而将槽体内划分为第一空间和第二空间，
[0008]该第二空间中铺设有透水层42，该透水层42中布设有压力传感器，该透水层42上铺设有不透水层，该不透水层中布设有分布式光纤传感器和温度传感器，
[0009]该第一空间中铺设有透水层41，该透水层41上注入水，水可由该透水层41、透水层42渗入该不透水层。
[0010]所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度根据堤防工程现场土样检测结果确定。
[0011]所述挡水隔板与所述槽体底部通过滤网相连接。
[0012]所述挡水隔板于所述透水层42与不透水层交界的位置，沿水平向延伸出挡脚。
[0013]所述第二空间的槽体侧壁上设有阀门。
[0014]所述槽体由若干块有机玻璃利用粘接剂相互粘接而成，所述分布式光纤传感器于所述槽体的出线孔处采用环氧树脂封堵。
[0015]基于上述渗漏连续监测实验装置进行渗漏连续监测实验的方法，包括:
[0016]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数，
[0017]该土层特性参数包括所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度；
[0018]S2:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置，
[0019]制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层41、透水层42、不透水层，同时在所述透水层42中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述温度传感器、分布式光纤传感器；
[0020]S3:向实验用模型装置内加水使得透水层41、透水层42的土样达到饱和状态，
[0021 ] S4:进行渗透破坏实验，
[0022]调整向所述第一空间注入的水位高程、水温，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的渗漏阈值时，判断发生渗漏。
[0023]还包括:
[0024]S5:发生渗漏时，记录并分析水位高程、水温、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力参数与设定的渗漏阈值的关系。
[0025]基于上述渗漏连续监测实验装置进行渗漏连续监测实验的方法，包括:
[0026]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数，
[0027]该土层特性参数包括所述透水层41、透水层42、不透水层的渗透系数和厚度；
[0028]S2:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置，
[0029]制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层41、透水层42、不透水层，同时在所述透水层42中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述温度传感器、分布式光纤传感器；
[0030]S3:向实验用模型装置内加水使得透水层41、透水层42的土样达到饱和状态，
[0031 ] S4':将加水后的实验用模型装置放置于快速冻融试验箱中，进行冻融实验，
[0032]S5':冻融实验结束后，将实验用模型装置置于室温环境下，
[0033]S6':进行渗透破坏实验，
[0034]调整向所述第一空间注入的水位高程、水温，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的渗漏阈值时，判断发生渗漏。
[0035]还包括:
[0036]S7':发生渗漏时，记录并分析水位高程、水温、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力、冻融循环次数参数与设定的渗漏阈值的关系。
[0037]本发明的优点是:
[0038]本发明的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，能够模拟不同堤防工程的堤防地质、环境条件，利用分布式光纤传感器进行渗漏连续监测，得到多项物理参数与渗漏阈值的关系，为不同堤防工程的渗漏监测提供数据依据，进而实现不同堤防工程的有效监控和及时预警。
【附图说明】
[0039]图1是本发明的装置结构示意图。
[0040]图2是本发明的装置结构俯视图。[0041 ]图3是本发明的装置进行渗漏连续监测实验的方法流程示意图。
[0042]图4是本发明的装置进行寒冷地区渗漏连续监测实验的方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0044]如图1、2所示，本发明公开的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，包括槽体I，槽体I中设置挡水隔板2而将槽体I内划分为第一空间100和第二空间200，；
[0045]第一空间100底部铺设有透水层41，透水层41上注入水9，形成上游水，通过调节上游水位，使得不透水层5内发生渗透破坏；
[0046]第二空间200底部铺设有透水层42，透水层42中布设有MEMS压力传感器8，透水层42上方铺设有不透水层5，不透水层5中布设有光纤光栅温度计10，不透水层5中布设有分布式光纤传感器6，分布式光纤传感器6的一端连接光端盒11，另一端接入DTS光纤测温仪12;
[0047]其中，透水层41、透水层42、不透水层5，各自的渗透系数和厚度不同，渗透系数和厚度根据堤防工程现场土样检测结果确定。
[0048]挡水隔板2与槽体I底部通过滤网3相连接，滤网3用于防止第一空间100的透水层41 土料与第二空间200的透水层42 土料相互掺混。
[0049]为防止上游水通过挡水隔板2与不透水层5之间的间隙渗入不透水层5，挡水隔板2于透水层42与不透水层5交界的位置、沿水平向延伸出挡脚21用以延长渗径，保证实验过程中垂直向渗透破坏在不透水层5内发生。
[0050]为保证装置的可靠性和水密性，槽体I可由七块有机玻璃利用耐低温粘接剂相互粘接而成，分布式光纤传感器6于槽体I的出线孔处采用耐低温环氧树脂封堵。
[0051]如图3所示，基于上述渗漏连续监测实验装置进行连续监测实验的方法，包括步骤:
[0052]S1:堤防工程现场调研，获取土层特性参数
[0053]进行堤防工程现场调研，获取代表性土样以进行土样检测，得到土层特性参数，获取堤防沿线地区相关水文、气象、土层资料，获取当地各月平均气温、河道内各月平均水位、各月平均降雨量等资料，根据调研资料及土层特性参数，确定透水层和不透水层的渗透系数及厚度等参数。
[0054]例如，经过堤防工程地质勘察，松花江地区为砂基、双层堤基，工程现场采集砂基、双层堤基等区域的代表性土样，检测得到土样级配组成、孔隙率、比热、导热系数、土体密度、粒径分布、含水率、粘土层(即不透水层)厚度、砂土层(即透水层)厚度等土层特性参数，作为实验制样的基本参数。
[0055]S2:根据得到的土层特性参数，制作实验用模型装置
[0056]根据得到的土层特性参数，按照一定的土体粒径分布、土体密度，分别设定透水层和不透水层的厚度和渗透系数，按照行业标准(《土工试验方法标准》)进行土样的布置;之后，在实验装置中铺设透水层、不透水层，同时设置、连接各仪器，完成实验用模型装置的制作。
[0057]例如，对于松花江地区，根据调研资料及测定的土层特性参数，在槽体I中铺设具有一定渗透系数及厚度的砂土层(透水层41、透水层42)和粘土层(不透水层5)，模拟构建松花江地区的双层堤基模型；
[0058]具体是，于槽体I内铺设具有一定渗透系数和厚度的透水层41、透水层42，铺设具有一定渗透系数和厚度的不透水层5，在透水层42中布设MEMS压力传感器8，用于测量发生渗透破坏时的孔隙水压力，在不透水层5中布设分布式光纤传感器6，用于进行渗漏监测，在不透水层5中布设光纤光栅温度计10，用于测量不透水层5的温度，并校核分布式光纤传感器6的温度测量结果;然后，将分布式光纤传感器6的一个接线端连接光端盒11，另一个接线端(信号输出端)连接DTS光纤测温仪12;之后，将不透水层5表面按照相关规范进行人工或机械整平，上电检测各仪器是否正常运行；向透水层41上方注入一定水位高程的自来水，保持水位稳定并连续测量各仪器的读数，确保各仪器能够正常工作。
[0059]S3:实验用模型装置制作完成后，向装置内加水使得土样饱和
[0060]如图1所示，第二空间200的槽体侧壁上安装有阀门7，实验用模型装置搭建完成后，向槽体I内加水直至透水层41、42的土样达到饱和状态，通过控制阀门7使水面不漫过不透水层5和透水层42的交界面。
[0061 ] S4:进行渗透破坏实验
[0062]向槽体I的第一空间100中注入不同水位高程的水进行渗透实验，注入的水温度较低(低于室温，例如5度)，通过分布式光纤传感器6的感测结果，判断是否发生渗漏;具体的说，低温水未渗入不透水层5中时，不透水层5中的分布式光纤传感器的测温结果值为室温值，低温水渗入透水层5的过程中，分布式光纤传感器的测温结果值降低，设定一渗漏阈值，当分布式光纤传感器的测温结果值等于小于该渗漏阈值时，判定发生渗漏，不透水层5内部发生渗透破坏，此时，记录水位高程、不透水层5的温度值、透水层42的孔隙水压力值等参数，为分析实验结果提供数据依据。
[0063]S5:实验结束，记录并分析实验结果，为堤防工程渗漏监测提供监控和预警依据。
[0064]实验过程中，记录并分析发生渗透破坏时的水位高程、水温、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力等各项参数与设定的渗漏阈值的关系，为堤防工程的渗漏监测提供监控和预警依据。
[0065]如图4所示，对于寒冷地区的渗漏监测，考虑到气温因素的影响，还需要于上述方法的基础上增加冻融实验步骤，具体是，于上述步骤S1-S3之后，进行以下实验步骤:
[0066]S4':将加水后的实验用模型装置整体放置于快速冻融试验箱中，进行冻融实验，模拟寒冷地区的气候条件
[0067]冻融循环温度峰值和周期根据调研资料结果确定，冻融循环次数例如可以是10次、20次、30次、40次等。
[0068]S5':冻融实验结束后，将实验用模型装置置于室温环境下
[0069]S6':进行渗透破坏实验
[0070]待不透水层5的温度恢复到室温，进行渗透破坏实验。
[0071]向第一空间100中注入不同水位高程的水进行渗透实验，注入的水温度较低，通过分布式光纤传感器6的感测结果，判断是否发生渗漏；当分布式光纤传感器6的测温结果值等于小于设定的渗漏阈值时，将光纤光栅温度计10的测温结果与分布式光纤传感器6的测温结果相比较，若相同，则测量结果准确，判定已发生渗漏，不透水层5内部发生渗透破坏，此时，记录水位高程、不透水层5的温度值、透水层42的孔隙水压力值、冻融循环次数等参数，为分析实验结果提供数据依据。
[0072]S7':实验结束，记录并分析实验结果，为寒冷地区的堤防工程渗漏监测提供监控和预警依据。
[0073]实验过程中，记录并分析发生渗透破坏时的水位高程、水温、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力、冻融循环次数等各项参数与设定的渗漏阈值的关系，为寒冷地区的堤防工程渗漏监测提供监控和预警依据，达到有效的监控管理和及时预警。
[0074]本发明的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法，前期通过工程现场调研获取土层特性参数，在实验装置中进行土层制样，利用实验装置搭建堤防工程地区的堤防模型，然后通过调整水位高程、水温、气温等参数，利用分布式光纤传感器实现连续渗漏监测过程，实验结束得到各项参数与渗漏阈值之间的关系，能够为不同堤防工程的渗漏监测提供数据依据，进而实现不同堤防工程的有效监控和及时预警。
[0075]以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
【主权项】
1.特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，其特征在于，包括槽体，该槽体中设置挡水隔板而将槽体内划分为第一空间和第二空间， 该第二空间中铺设有透水层(42)，该透水层(42)中布设有压力传感器，该透水层(42)上铺设有不透水层，该不透水层中布设有分布式光纤传感器和温度传感器， 该第一空间中铺设有透水层(41)，该透水层(41)上注入水，水可由该透水层(41)、透水层(42)渗入该不透水层。2.根据权利要求1所述的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，其特征在于，所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度根据堤防工程现场土样检测结果确定。3.根据权利要求2所述的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，其特征在于，所述挡水隔板与所述槽体底部通过滤网相连接。4.根据权利要求3所述的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，其特征在于，所述挡水隔板于所述透水层(42)与不透水层交界的位置，沿水平向延伸出挡脚。5.根据权利要求4所述的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，其特征在于，所述第二空间的槽体侧壁上设有阀门。6.根据权利要求5所述的特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置，其特征在于，所述槽体由若干块有机玻璃利用粘接剂相互粘接而成，所述分布式光纤传感器于所述槽体的出线孔处采用环氧树脂封堵。7.基于权利要求1-6中任意一项所述渗漏连续监测实验装置进行渗漏连续监测实验的方法，其特征在于，包括: 51:堤防工程现场调研，获取土层特性参数， 该土层特性参数包括所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度； 52:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置， 制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层，同时在所述透水层(42)中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述温度传感器、分布式光纤传感器； S3:向实验用模型装置内加水使得透水层(41)、透水层(42)的土样达到饱和状态， S4:进行渗透破坏实验， 调整向所述第一空间注入的水位高程、水温，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的渗漏阈值时，判断发生渗漏。8.根据权利要求7所述的渗漏连续监测实验方法，其特征在于，还包括: S5:发生渗漏时，记录并分析水位高程、水温、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力参数与设定的渗漏阈值的关系。9.基于权利要求1-6中任意一项所述渗漏连续监测实验装置进行渗漏连续监测实验的方法，其特征在于，包括: 51:堤防工程现场调研，获取土层特性参数， 该土层特性参数包括所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层的渗透系数和厚度； 52:利用获得的土层特性参数，制作实验用模型装置， 制作过程包括利用该土层特性参数，在实验装置中布置所述透水层(41)、透水层(42)、不透水层，同时在所述透水层(42)中布设所述压力传感器，在所述不透水层中布设所述温度传感器、分布式光纤传感器； S3:向实验用模型装置内加水使得透水层(41)、透水层(42)的土样达到饱和状态， S4':将加水后的实验用模型装置放置于快速冻融试验箱中，进行冻融实验， S5':冻融实验结束后，将实验用模型装置置于室温环境下， S6':进行渗透破坏实验， 调整向所述第一空间注入的水位高程、水温，当所述分布式光纤传感器的测温结果达到一预设的渗漏阈值时，判断发生渗漏。10.根据权利要求9所述的渗漏连续监测实验方法，其特征在于，还包括: S7':发生渗漏时，记录并分析水位高程、水温、不透水层的温度、透水层的孔隙水压力、冻融循环次数参数与设定的渗漏阈值的关系。
【文档编号】G01M3/02GK105973533SQ201610547597
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】朱新民, 商峰, 黄涛, 赵丽娜, 聂鼎, 高阳秋晔, 李玥
【申请人】中国水利水电科学研究院