本發(fā)明屬于隧道工程、巖土工程、測量工程領(lǐng)域，尤其涉及一種可以實現(xiàn)長距離分布式監(jiān)測隧道排水深度的方法。

背景技術(shù)：

隧道工程在城市地鐵交通、高鐵鐵路、公路的跨越山體、水體的建設中，以其造價相對低、節(jié)省地面空間的優(yōu)點，使用日益廣泛。作為一種相對隱蔽工程，隧道的排水通道施工是整個工程中非常重要的環(huán)節(jié)，排水不暢或者不及時造成隧道內(nèi)水位過高時，往往會造成行車事故，危及人身財產(chǎn)安全。因此對隧道內(nèi)排水通道的水位深度監(jiān)測，作為一項輔助決策工作，其工程意義巨大。

在實際工程中，隧道內(nèi)排水通道內(nèi)的排水深度的監(jiān)測主要靠人工巡檢，這種方式缺點是智能化程度不高，費時費力；不能及時得到反饋信息，容易造成漏檢。因此，有必要設計一種長距離實時監(jiān)測隧道內(nèi)排水通道水位深度的系統(tǒng)及方法。

20世紀70年代提出的基于OTDR的瑞利散射系統(tǒng)的分布式光纖溫度傳感器歷了基于OTDR的喇曼散射和基于OTDR的布里淵散射系統(tǒng)，使得測溫精度和范圍大幅提高，相對各種傳統(tǒng)溫度傳感器已經(jīng)顯示出很大的優(yōu)越性，具有以下幾個優(yōu)點：1、分布式測量，理論上光纖上每點的溫度都可以測量，實際可采用5cm采樣間隔，空間分辨率可達到50cm；2、長距離感測，可測量的光纖長度達到50km以上；3、測試精度高，目前測試溫度精度可達±1℃；4、測試長期穩(wěn)定，不受電磁場等環(huán)境干擾。因此本發(fā)明基于分布式光纖溫度傳感技術(shù)(DTS)設計了一種長距離分布式監(jiān)測隧道內(nèi)排水通道水位深度的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是，解決的現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供一種長距離、分布式、簡單、方便、快捷、長期、實時的監(jiān)測隧道排水深度的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案，一種長距離分布式監(jiān)測隧道內(nèi)排水通道水位深度的方法，其特征在于：包括碳纖維內(nèi)加熱光纜，所述的碳纖維內(nèi)加熱光纜經(jīng)夾具固定在排水通道側(cè)壁，形成回路后與分布式光纖溫度解調(diào)儀連通，所述分布式光纖溫度解調(diào)儀與計算機連通；利用碳纖維內(nèi)加熱光纜加熱后在水與在空氣中的不同介質(zhì)中能量傳播的程度不同，在不同介質(zhì)界面形成的溫度梯度不同，測量出不同的溫度梯度或不同介質(zhì)界面形成的溫度差值，以此解調(diào)出判斷水位的高低。進一步解釋為：將具有內(nèi)加熱功能的碳纖維光纜通電發(fā)熱后，溫度升高，在水和空氣兩種不同介質(zhì)中，其能量傳遞的快慢程度及大小不同，其溫度變化也不一致，由溫度的差值梯度變化來判斷排水通道水位的高低。

本系統(tǒng)中碳纖維內(nèi)加熱光纜所測得的在不同介質(zhì)界面形成的溫度的差值梯度是指布設在排水通道側(cè)壁上的碳纖維內(nèi)加熱光纜通電后，光纜周圍形成的溫度場穩(wěn)定時，在水和空氣交界處形成的溫度差值梯度。

所述的一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道排水深度的方法使用的裝置，使用碳纖維內(nèi)加熱傳感光纜周圍介質(zhì)，將其加熱形成傳感光纜周圍環(huán)境溫度場的變化，再通過DTS分布式溫度測量光纖監(jiān)測其沿線的溫度變化分布得到一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道水位深度的方法，并由碳纖維內(nèi)加熱光纜加熱電源提供給碳纖維、分布式光纖溫度解調(diào)儀、顯示器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。

碳纖維內(nèi)加熱光纜由特制夾具固定在排水通道側(cè)壁上，所述夾具及所用的錨固件均為不銹鋼材質(zhì)，可長期使用并不影響碳纖維內(nèi)加熱光纜的導熱性能。分布式光纖溫度解調(diào)儀的特征是采用基于拉曼背向散射光時域測溫原理進行分布式溫度測量，感溫元件為碳纖維內(nèi)加熱感測光纜。

所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)特征為全自動處理，碳纖維內(nèi)加熱光纜分布式溫度測量的數(shù)據(jù)采集時間和長度間隔可根據(jù)測量精度要求人為或自動設定。一般測量時間間隔1分鐘，長度1-2米為宜，并通過專用數(shù)據(jù)處理軟件實時將分布式光纖溫度解調(diào)設備解調(diào)的溫度信息轉(zhuǎn)化成水位深度分布信息，并將結(jié)果繪制成圖。

本發(fā)明能夠涵蓋所有以本發(fā)明測量原理為基礎開發(fā)的隧道水位深度監(jiān)測的系統(tǒng)及方法。

有益效果：通過分布式光纖溫度解調(diào)技術(shù)(DTS)來測試其加熱后的溫度變化，在水、空氣界面形成的溫度梯度，由此來判斷排水通道內(nèi)的水位高低。本發(fā)明具有分布式監(jiān)測、結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷、成本低廉等優(yōu)點，可實現(xiàn)長距離隧道排水深度的在線分布式實時監(jiān)測。具體效果如下：

1.本發(fā)明實現(xiàn)長距離、分布式監(jiān)測排水通道水位深度，特別適合隧道這種長距離的線性工程，提升了隧道工程的安全監(jiān)測水平，具有較強的市場競爭力和很好的應用前景；

2.實時監(jiān)測排水通道水位深度，保障行車、行人安全；

3.采取鉆孔、鉚釘槍錨固的方法，施工快速便捷；

4.感測光纜鋪設后，由于二氧化硅材質(zhì)的感測光纖穩(wěn)定性好，可滿足隧道排水通道水位的長期測量及監(jiān)測，測量時間可達幾十年；

5.測量時間不受氣候條件的影響；

6.無輻射，對人體無害，安全，經(jīng)濟，實現(xiàn)了一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道水位深度的低成本在線監(jiān)測，為保障隧道安全運行提供了一種新的排水深度的監(jiān)測方法。

附圖說明

圖1A一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道水位深度的方法示意圖，1B是1A的截面圖，1C是1A的局部放大圖；

圖2A碳纖維內(nèi)加熱光纜特制定點夾具，圖2B為外層保護套管示意圖；

圖3本方法解調(diào)溫度數(shù)據(jù)及計算得到的水位高度。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1，附圖2，附圖3，圖中標記如下：1—隧道軌道；2—碳纖維內(nèi)加熱光纜；3—排水通道；4—分布式光纖溫度解調(diào)儀；5—顯示器；6—數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；7—加熱系統(tǒng)；8—定點夾具；Q₁—向空氣中傳播的能量；Q₂—向水中傳播的能量。9—螺絲固定孔；10—定點夾具母片；11—錨固孔；12—定點夾具公片；13—螺絲固定孔；14—外層保護套管。

根據(jù)實施例對本發(fā)明中的布設過程、測量過程進行詳細說明如下：

一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道水位深度方法：利用碳纖維內(nèi)加熱感測光纜測得的水和空氣介質(zhì)中的溫度不同，利用溫度梯度來反推水位的高低程度，從而確定排水深度的深淺。進一步解釋為：空氣和水兩種介質(zhì)，其能量的傳遞速率差異明顯，水的比熱容較大，其熱傳導能力要遠比空氣中大，將具有內(nèi)加熱功能的碳纖維光纜通過特制夾具固定在排水通道的側(cè)壁上，通電后碳纖維光纜發(fā)熱，溫度升高，在水中能量損失較空氣中損失的多，該處溫度下降較大，在水、氣交界處形成溫度梯度。據(jù)此溫度梯度即可判斷排水通道內(nèi)水與空氣的交界面。測試結(jié)果如圖3所示。

本發(fā)明方法中溫度梯度的選取中，溫度梯度區(qū)間的選取取決于內(nèi)加熱光纜的發(fā)熱功率、測量對象的熱力學性質(zhì)和測量精度，可通過率定試驗加以調(diào)試確定。試驗結(jié)果表明：通電加熱電壓220V/30m，功率65-105W/30m，即可形成明顯的溫度梯度。

通過在不同深度的碳纖維內(nèi)加熱光纜反映出的溫度梯度曲線，可分析得到排水通道水位高度。

為了提高整個系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，所述的固定夾具、平頭螺絲和螺帽均為不銹鋼材質(zhì)。

所述碳纖維內(nèi)加熱光纜為多模光纖，在所述的多模光纖外表面包裹有碳纖維絲用以加熱，碳纖維絲外包層還編織有尼龍纖維層，可以提高加熱光纜外包層的強度和耐腐蝕性。

所述的碳纖維內(nèi)加熱光纜外層保護套管為PVC材質(zhì)，可有效緩沖固定夾具對光纜的破壞。

一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道水位深度的方法，其實施的重點是固定夾具的安裝和碳纖維內(nèi)加熱光纜的布設，并且要保證感測光纜與固定夾具01、02等之間充分固定，從而防止光纜滑脫。光纖與固定夾具之間需要用保護套管保護，使光纖不受金屬夾具的損害。具體布設步驟為：

a)根據(jù)隧道排水通道安置形式確定合理的感測光纜布設位置，合理選取監(jiān)測區(qū)帶，標明監(jiān)測區(qū)帶的端點；

b)監(jiān)測區(qū)間排水通道上采用激光打線儀標識直線，以保證碳纖維內(nèi)加熱光纜沿監(jiān)測方向保持固定夾具呈直線，避免彎曲。

c)確定固定夾具位置，用記號筆在管片相應位置做上記號。

d)將沖擊鉆在上述記號處打孔，采用與固定夾具母片配套的φ5的鉆頭，深度5mm-10mm為宜；用鉚釘將夾具母片固定在打孔處；所有母片固定好以后再統(tǒng)一固定光纜。

e)將所有母片固定好以后，在保持預拉力的情況下，預應力保持在能將光纖拉伸平直為宜。將光纜固定在固定夾具的卡槽內(nèi)，同時蓋上夾具公片，用平頭螺絲旋緊固定。

f)將固定好的測線用熔接機連接，通過信號傳輸光纜將測線引出隧道。

g)根據(jù)隧道排水通道水位監(jiān)測要求，確定監(jiān)測周期及監(jiān)測頻率。光纖解調(diào)儀可按照要求進行參數(shù)設置，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸至數(shù)據(jù)處理中心處理，獲得隧道排水通道水位深度。使用碳纖維內(nèi)加熱傳感光纜，將其加熱形成加熱傳感光纜周圍環(huán)境溫度場的變化，再通過DTS分布式溫度測量光纖監(jiān)測其沿線的溫度變化分布得到一種長距離分布式監(jiān)測隧道排水通道水位深度，分布式光纖溫度解調(diào)儀4進行分布式檢測。分布式光纖溫度解調(diào)儀的特征是采用基于拉曼背向散射光時域測溫原理進行分布式溫度測量，感溫元件為碳纖維內(nèi)加熱感測光纜。分布式測量，理論上光纖上每點的溫度都可以測量，實際可采用5-10cm采樣間隔，空間分辨率可達到50cm；長距離感測，可測量的光纖長度達到50km以上；測試精度高，目前測試溫度精度可達±1℃；受電磁場等環(huán)境干擾。因此本發(fā)明是一種長距離分布式監(jiān)測隧道內(nèi)排水通道水位深度的方法。