本發(fā)明涉及水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，屬于水工結(jié)構(gòu)體安全隱患的監(jiān)測技術(shù)。

背景技術(shù)：
水工結(jié)構(gòu)體滲流是影響工程安全的重要因素，借鑒可靠的監(jiān)測技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)和獲知其滲流部位和狀況，越來越引起工程領(lǐng)域的關(guān)注和重視，隨著分布式光纖傳感理論的日臻完善、各類傳感器的不斷研制，在小型工程上的應(yīng)用，再到如今水利土木工程中的應(yīng)用，分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)越性越來越得到體現(xiàn)，工程應(yīng)用前景越來越廣泛，但對于水工結(jié)構(gòu)體滲流監(jiān)測探索研究階段，在定量監(jiān)測的理論和實際工程布設(shè)應(yīng)用上還存在許多問題亟待研究和解決，急切地需要研發(fā)一種水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及其配套的測試方法。隨著大型水利工程的建設(shè)和水利現(xiàn)代化的要求，分布式光纖傳感技術(shù)已成功應(yīng)用于大體積混凝土溫度和裂縫監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、面板堆石壩面板裂縫監(jiān)測等，與此同時，滲流流速監(jiān)測、檢測的方法和手段也取得了長足發(fā)展，從傳統(tǒng)的電容、電位、電磁等探測到地質(zhì)雷達(dá)探測、GPS紅外線成像技術(shù)探測，以及光纖光柵監(jiān)測技術(shù)、分布式光纖實時監(jiān)測技術(shù)；滲流監(jiān)測技術(shù)從粗略走向精確，從點式監(jiān)測走向線性與立體監(jiān)測，新方法和新技術(shù)的應(yīng)用使?jié)B流監(jiān)測更趨科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。電法探測、電容式傳感器和光纖光柵溫度傳感技術(shù)屬于點式檢測，但是點式檢測方法對滲漏信息反映不全面，經(jīng)常發(fā)生漏檢；電磁法探測和彈性波檢測技術(shù)屬于整體式檢測，一旦整體式檢測面臨地質(zhì)條件、環(huán)境條件、堤身堤基條件稍微復(fù)雜，該類方法將有可能失效，難以發(fā)揮作用；分布式光纖溫度傳感技術(shù)則屬于分布式檢測，分布式檢測具有分布式測量、抗電磁和高壓、長距離、實時監(jiān)測等諸多優(yōu)點，但是由于其布設(shè)及保護(hù)困難，實際工程的應(yīng)用性不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，具有快速、簡單、高效、精確等特點，有力提高了監(jiān)測水工結(jié)構(gòu)體滲流流速的效果。技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感光纜、主構(gòu)架和位于主構(gòu)架兩側(cè)的第一構(gòu)架和第二構(gòu)架，第一構(gòu)架與主構(gòu)架之間和第二構(gòu)架與主構(gòu)架之間分別交替填充有混凝土和第一介質(zhì)，在混凝土和第一介質(zhì)的下方設(shè)有流速信號前置放大器，流速信號前置放大器下方依次設(shè)有光纖載臺網(wǎng)和流速感應(yīng)桿，流速感應(yīng)桿通過導(dǎo)流細(xì)管與滲水暫容池連接，滲水暫容池通過溢水通管與外界連通，傳感光纜沿著第一構(gòu)架內(nèi)壁進(jìn)入到光纖載臺網(wǎng)繞過主構(gòu)架再一次進(jìn)入到光纖載臺網(wǎng)中，從第二構(gòu)架的內(nèi)壁穿出。作為優(yōu)選，所述主構(gòu)架、第一構(gòu)架和第二構(gòu)架下方均設(shè)有水工結(jié)構(gòu)體滲流構(gòu)架模塊，水工結(jié)構(gòu)體滲流構(gòu)架模塊包含上椎體和內(nèi)尖錐鋼體，所述上椎體上設(shè)有底緣螺桿，底緣螺桿通過螺紋與主構(gòu)架、第一構(gòu)架和第二構(gòu)架上的框柱底緣連接。作為優(yōu)選，所述上椎體內(nèi)安裝有電機(jī)，電機(jī)與電轉(zhuǎn)桿連接，電轉(zhuǎn)桿與轉(zhuǎn)軸圓餅連接，轉(zhuǎn)軸圓餅帶動旋轉(zhuǎn)連軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)連軸與內(nèi)尖錐鋼體固定連接，轉(zhuǎn)軸圓餅與錐臺狀的外削切護(hù)體連接，外削切護(hù)體位于內(nèi)尖錐鋼體外。作為優(yōu)選，第一構(gòu)架和第二構(gòu)架的頂端均設(shè)有軸接，軸接通過連桿軸安裝在第一構(gòu)架和第二構(gòu)架上，軸接上安裝有傳感光纜通過的圓形接端，主構(gòu)架的頂端為弧形接端。一種上述的水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟：第一步，控制上椎體的方向，打開電機(jī)，帶動電轉(zhuǎn)桿的高速轉(zhuǎn)動，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)連軸帶動了內(nèi)尖錐鋼體的高速轉(zhuǎn)動，與此同時，處于內(nèi)尖錐鋼體周向的外削切護(hù)體利用其較高剛度的外緣將內(nèi)尖錐鋼體周向上的土體剝離，內(nèi)尖錐鋼體沿著豎直走向上不斷的向下運(yùn)動；第二步，依據(jù)規(guī)定的距離，按照第一步的方法，將水工結(jié)構(gòu)體滲流構(gòu)架模塊安置于第一構(gòu)架、主構(gòu)架和第二構(gòu)架所對應(yīng)處的地下部分，通過第一構(gòu)架、主構(gòu)架和第二構(gòu)架各自下端面的框柱底緣，將第一構(gòu)架、主構(gòu)架和第二構(gòu)架固定于對應(yīng)的底緣螺桿上；第三步，按照從低到高依次順序配備溢水通管、滲水暫容池、導(dǎo)流細(xì)管、流速感應(yīng)桿、光纖載臺網(wǎng)、流速信號前置放大器，將傳感光纜沿著光纖載臺網(wǎng)進(jìn)行布置，在軸接上焊接圓形接端，將引出的傳感光纜通過圓形接端上的軸接引至外側(cè)，在流速信號前置放大器上端面，且在第一構(gòu)架與主構(gòu)架之間交替循環(huán)備制混凝土介質(zhì)與第一介質(zhì)；第四步，將傳感光纜通過弧形接端引至到光纖載臺網(wǎng)中，按照與前一步驟同樣的方法，將另一側(cè)的溢水通管、滲水暫容池、導(dǎo)流細(xì)管、流速感應(yīng)桿、光纖載臺網(wǎng)、流速信號前置放大器進(jìn)行布置；第五步，連接傳感光纜，打開信息收集系統(tǒng)，標(biāo)定傳感光纜，進(jìn)行通水滲流測試，監(jiān)測流速信號前置放大器和流速感應(yīng)桿的信號變化，時時記錄整個系統(tǒng)信息采集系統(tǒng)的變化情況，基于熱源測風(fēng)速原理，通過半理論半經(jīng)驗的方法，利用流速與加熱功率所對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，繪出不同介質(zhì)下對應(yīng)溫升關(guān)系圖，后建立分布式光纖監(jiān)測滲流流速半經(jīng)驗半理論的數(shù)學(xué)模型lgk＝-nlgu+lgA，其中，lgu為x軸，lgk為y軸，-n為直線斜率，lgA為截距，Aa為光纖和水流間的交熱面積，D為比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、光纜外徑、運(yùn)動粘滯系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)所確定的一個常數(shù)值，n為流體外掠單管的常數(shù)，u為滲流流速，ΔT為光纖表面的溫度與水流溫度的差值，q為功率值，最終實現(xiàn)對水工結(jié)構(gòu)體滲流流速的監(jiān)測與監(jiān)控。常數(shù)值D是由一個固定的計算公式來獲得的，其中，C為比熱容，λw為導(dǎo)熱系數(shù)，d為光纜外徑，u為運(yùn)動粘滯系數(shù)，a為導(dǎo)溫系數(shù)。n為外掠單管特征數(shù)之間特征關(guān)聯(lián)式中的一個常數(shù)，該常數(shù)可以根據(jù)雷諾數(shù)判斷是層流、蠕流、過渡流還是紊流，進(jìn)而通過參數(shù)表查表獲取。本發(fā)明基于水工結(jié)構(gòu)體的材料及力學(xué)特性，設(shè)計研發(fā)了一種實際工程中可很好地回避上述弊端的一種新型的技術(shù)方案，不但保留了傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，也融合了最新的分布式光纖傳感技術(shù)，新舊技術(shù)聯(lián)合使用，在同一系統(tǒng)中同步運(yùn)行，互相校正，極大的增加了實際工程的應(yīng)用能力，在提高水工結(jié)構(gòu)體滲流流速的監(jiān)測效果及降低實際工程監(jiān)測成本方面具有突出優(yōu)勢。本發(fā)明中，導(dǎo)流細(xì)管是引導(dǎo)水流的作用，將導(dǎo)流細(xì)管上部的水體引導(dǎo)入滲水暫容池，滲水暫容池是暫時儲蓄滲流水體的，后經(jīng)過溢水通管排出。混凝土和第一介質(zhì)是我們所研究的水工結(jié)構(gòu)體，是由混凝土和其他介質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)，其是待測體。有益效果：本發(fā)明的水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，依靠獨特設(shè)計的水工結(jié)構(gòu)體滲流構(gòu)架模塊，無需配備大型開挖設(shè)備及配套測試裝置，在任意地形任意位置處隨時可進(jìn)行測試，第一水工結(jié)構(gòu)體滲流測試模塊和第二水工結(jié)構(gòu)體滲流測試模塊的對稱布置，大大增加了測試的對照性及可信性，高效保證了測試結(jié)果，其靈活可變的內(nèi)填介質(zhì)極大地擴(kuò)充了其實際應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)新性設(shè)計的分布式傳感光纖監(jiān)測模塊，極大地保證了其與待監(jiān)測區(qū)域的接觸面積，具有分布式、多向性、同步性等特點，本發(fā)明創(chuàng)造性地構(gòu)建了一種快速、簡單、高效、精確的水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合其測試方法，在有力提高監(jiān)測水工結(jié)構(gòu)體滲流流速的效果及降低實際工程監(jiān)測成本方面具有重大優(yōu)勢。附圖說明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1的左視圖；圖3為第一構(gòu)架底端的細(xì)部結(jié)構(gòu)圖；圖4為第一構(gòu)架底端的1-1剖面圖；其中：100-傳感光纜，101-第一軸接，102-第一圓形接端，103-第一連桿軸，104-第一連桿端，105-第二連桿端，106-第二連桿軸，107-第二軸接，108-第二圓形接端，109-弧形接端，110-主澆筑構(gòu)架，111-第一澆筑構(gòu)架，112-第二澆筑構(gòu)架，113-混凝土介質(zhì)，114-第一介質(zhì)，200-第一流速信號前置放大器，201-第二流速型號前置放大器，202-第一光纖載臺網(wǎng)，203-第二光纖載臺網(wǎng)，204-第一流速感應(yīng)桿，205-第二流速感應(yīng)桿，206-導(dǎo)流細(xì)管，207-第一溢水通管，208-第二溢水通管，209-第一滲水暫容池，210-第二滲水暫容池，300-框柱底緣，301-電機(jī)，302-旋轉(zhuǎn)連軸，303-外削切護(hù)體，304-內(nèi)尖錐鋼體，305-底緣螺桿，306-上椎體，307-轉(zhuǎn)軸圓餅，308-電轉(zhuǎn)桿。具體實施方式如圖1至圖4所示，如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，具體包括了第一土石結(jié)合部滲流測試模塊、第二土石結(jié)合部滲流測試模塊、分布式傳感光纖監(jiān)測模塊、土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊；分布式傳感光纖監(jiān)測模塊內(nèi)置于第一土石結(jié)合部滲流測試模塊和第二土石結(jié)合部滲流測試模塊，第一土石結(jié)合部滲流測試模塊和第二土石結(jié)合部滲流測試模塊通過主構(gòu)架相連接，土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊分布于土石結(jié)合部滲流測試模塊的底端。在本發(fā)明中，第一土石結(jié)合部滲流測試模塊包含構(gòu)建第一土石結(jié)合部滲流測試模塊框架結(jié)構(gòu)的2m高的第一構(gòu)架111，第二土石結(jié)合部滲流測試模塊包含構(gòu)建第二土石結(jié)合部滲流測試模塊框架結(jié)構(gòu)的2m高的第二構(gòu)架112，分布式傳感光纖監(jiān)測模塊包括了直徑為10cm的第一圓形接端102和第二圓形接端108，土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊包含了高度為15cm的上椎體306。在本發(fā)明中，第一構(gòu)架111的下部配備有用于提高滲流流速信號的HGDF-8型第一流速信號前置放大器200，用于連同分布式傳感光纖監(jiān)測模塊的第一光纖載臺網(wǎng)202的長度為5m，且被布設(shè)在HGDF-8型第一流速信號前置放大器200的底端，與HGDF-8型第一流速信號前置放大器200配套使用的第一流速感應(yīng)桿204對稱布置在第一光纖載臺網(wǎng)202的另一側(cè)，緊貼第一流速感應(yīng)桿204的部件為孔徑1cm的導(dǎo)流細(xì)管206，與導(dǎo)流細(xì)管206聯(lián)合協(xié)同發(fā)生作用為5m長的第一滲水暫容池209與孔徑5cm的第一溢水通管207，其緊臨導(dǎo)流細(xì)管206。在本發(fā)明中，第一構(gòu)架111和主構(gòu)架110之間布設(shè)有交錯循環(huán)的C25強(qiáng)度的混凝土介質(zhì)113與堤壩內(nèi)含混合雜質(zhì)的土體第一介質(zhì)114，在交錯循環(huán)的混凝土介質(zhì)113與堤壩內(nèi)含混合雜質(zhì)的土體的第一介質(zhì)114的下部與HGDF-8型第一流速信號前置放大器200連接。在本發(fā)明中，第二構(gòu)架112和主構(gòu)架110之間布設(shè)有交錯循環(huán)的混凝土介質(zhì)113與第一介質(zhì)114，在交錯循環(huán)的混凝土介質(zhì)113與第一介質(zhì)114的下部配備有用于提高滲流流速信號的HGDF-8型第二流速信號前置放大器201，用于連同分布式傳感光纖監(jiān)測模塊的5m長的第二光纖載臺網(wǎng)203被布設(shè)在HGDF-8型第二流速信號前置放大器201的底端，與HGDF-8型第二流速信號前置放大器201配套使用的第二流速感應(yīng)桿205對稱布置在第二光纖載臺網(wǎng)203的另一側(cè)，緊貼第二流速感應(yīng)桿205的部件為孔徑1cm的導(dǎo)流細(xì)管206，與導(dǎo)流細(xì)管206聯(lián)合協(xié)同發(fā)生作用為5m長的第二滲水暫容池210與孔徑5cm的第二溢水通管208，其緊臨導(dǎo)流細(xì)管206；在本發(fā)明中，分布式傳感光纖監(jiān)測模塊中的第一圓形接端102內(nèi)槽中布設(shè)有ZTT-GYXTW-4A1a型的傳感光纜100，第一圓形接端102底面安裝有第一軸接101，第一圓形接端102通過第一連桿軸103被固定于第一連桿端104上；第二圓形接端108的內(nèi)槽中布設(shè)有ZTT-GYXTW-4A1a型的傳感光纜100，在第二圓形接端108底面安裝有第二軸接107，第二圓形接端108通過第二連桿軸106被固定于第二連桿端105上。在本發(fā)明中，土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊包括位于第一土石結(jié)合部滲流測試模塊和第二土石結(jié)合部滲流測試模塊的底端的框柱底緣300，底緣螺桿305將框柱底緣300與上椎體306連接，M3BP-71-MA/3GBP-071-321-ASB型號的電機(jī)301處于上椎體306的底端，M3BP-71-MA/3GBP-071-321-ASB型號的電機(jī)301通過控制電轉(zhuǎn)桿308的轉(zhuǎn)動來控制旋轉(zhuǎn)連軸302，旋轉(zhuǎn)連軸302的轉(zhuǎn)動同時同步帶動了內(nèi)尖錐鋼體304和外削切護(hù)體303的360°軸向轉(zhuǎn)動。在本發(fā)明中，第一土石結(jié)合部滲流測試模塊的第一構(gòu)架111的頂端與分布式傳感光纖監(jiān)測模塊的第一連桿端104連接，第一土石結(jié)合部滲流測試模塊的第一構(gòu)架111的底端與土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊的框柱底緣300連接。在本發(fā)明中，土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊在第一連桿端104、主構(gòu)架110、第二構(gòu)架112的最底端均有布置。一種水工結(jié)構(gòu)體滲流流速分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，包括以下步驟：第一步，選擇某堤壩工程中土石結(jié)合部的待測區(qū)域進(jìn)行測試，首先在該區(qū)域控制好上椎體306豎直向下，打開M3BP-71-MA/3GBP-071-321-ASB型電機(jī)301，帶動電轉(zhuǎn)桿308的高速轉(zhuǎn)動，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)連軸302帶動內(nèi)尖錐鋼體304的高速轉(zhuǎn)動，處于內(nèi)尖錐鋼體304周向的外削切護(hù)體303利用其極高硬度的外緣面將內(nèi)尖錐鋼體304周向上的土石結(jié)合部下的土體進(jìn)行剝離，內(nèi)尖錐鋼體304沿著豎直走向上不斷的向下運(yùn)動；第二步，規(guī)定間距為5m，按照上一步驟的方法，將土石結(jié)合部滲流構(gòu)架模塊安置于第一構(gòu)架111、主構(gòu)架110和第二構(gòu)架112所對應(yīng)處的地下部分，通過高度均為2m的第一構(gòu)架111、主構(gòu)架110和第二構(gòu)架112各自下端面的框柱底緣300，將第一構(gòu)架111、主構(gòu)架110和第二構(gòu)架112固定于對應(yīng)的底緣螺桿305上；第三步，按照該堤壩工程中土石結(jié)合部從低到高的順序，配備第一溢水通管207、第一滲水暫容池209、導(dǎo)流細(xì)管206、第一流速感應(yīng)桿204、第一光纖載臺網(wǎng)202、第一流速信號前置放大器200，將ZTT-GYXTW-4A1a型的傳感光纜100沿著第一光纖載臺網(wǎng)202進(jìn)行布置，將引出的傳感光纜100通過第一圓形接端102上的第一軸接101引至外側(cè)，在HGDF-8型第一流速信號前置放大器200上端面，且在第一構(gòu)架111與主構(gòu)架110之間交替循環(huán)備制混凝土介質(zhì)113與堤壩內(nèi)含混合雜質(zhì)土體的第一介質(zhì)114；第四步，通過主構(gòu)架110將第一土石結(jié)合部滲流測試模塊和第二土石結(jié)合部滲流測試模塊進(jìn)行連接，將ZTT-GYXTW-4A1a型傳感光纜100通過直徑10cm的弧形接端109引至到第二土石結(jié)合部滲流測試模塊，按照前一步驟同樣的方法，將對稱分布的第二土石結(jié)合部滲流測試模塊進(jìn)行布置；第五步，連接ZTT-GYXTW-4A1a型傳感光纜100，打開信息收集系統(tǒng)SentinelDTS-LR，標(biāo)定傳感光纜100，進(jìn)行通水滲流測試，監(jiān)測HGDF-8型第一流速信號前置放大器200和第一流速感應(yīng)桿204的信號變化，時時記錄整個系統(tǒng)信息采集系統(tǒng)的變化情況，基于熱源測風(fēng)速原理，通過半理論半經(jīng)驗的方法，通過HGDF-8流速信號前置放大器獲得斷面各點流速，在同一流速下對光纖加載4W/m、8W/m、12W/m等一系列加熱功率，對應(yīng)加載電壓分別為30.6V、50.0V、60.0V，得到穩(wěn)定溫升，依據(jù)上述思路，可以得到表1。表1各流速在不同加熱功率下光纖穩(wěn)定溫升ΔT表(單位：℃)通過表1可以繪制lgk＝-nlgu+lgA的關(guān)系曲線，進(jìn)而可以得到-n＝-0.467，Aa＝0.15m2，D＝42，ΔT數(shù)值見表1，lgA＝-0.801，最終確定了lgk＝-0.467lgu-0.801的滲流流速的半經(jīng)驗半理論的數(shù)學(xué)監(jiān)控模型，進(jìn)而實現(xiàn)對土石結(jié)合部滲流流速的監(jiān)測與監(jiān)控。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。