專利名稱：光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種土木水利工程監(jiān)測裝置，具體涉及一種光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鳌?br> 背景技術(shù)：
水流對樁基的沖刷使橋墩附近的基礎(chǔ)被逐漸沖蝕是橋梁結(jié)構(gòu)被破壞的重要原因之一。橋墩通常對于水流起阻礙作用，進而導(dǎo)致在橋墩附近水流流速過快并產(chǎn)生漩渦，沖蝕橋墩附近基礎(chǔ)，使橋梁處于不安全的狀態(tài)。這種狀態(tài)下的橋梁帶著隱患工作，又很難被發(fā)現(xiàn)。一旦橋梁由于沖刷產(chǎn)生破壞，這種破壞屬于脆性破壞，具有突然性，會引起嚴重后果。另一方面江河堤防是我國防洪工程體系的重要組成部分。目前我國建有各類堤防25萬km，其中主要堤防6.75萬km。我國堤防一般傍河而建堤線選擇受到河勢條件制約，地基多為第四紀松散沉積物，其物質(zhì)組成、分布及厚度變化大，地質(zhì)條件復(fù)雜。我國河流的堤岸沖刷和淤積現(xiàn)象十分普遍，如長江中下游的堤岸沖刷、北江大堤險段的堤腳淘刷等，堤岸沖刷嚴重威脅堤防安全。因此，沖刷和淤積對橋梁和堤岸造成的破壞已經(jīng)成為研究的焦點。目前的沖刷和淤積監(jiān)測方法主要有人工深度尺、聲納、雷達和時域反射計(TDR)等，但是這些方法在實際工程應(yīng)用中具有很大局限性，比如有離線、精度低、穩(wěn)定性差、成本高和傳感元件耐久性差等缺點，難于實時、準確監(jiān)測樁基和堤岸的沖刷和淤積狀態(tài)。光纖光柵傳感技術(shù)除了具有普通光纖傳感技術(shù)的本質(zhì)防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾、對電絕緣、無電傳輸?shù)仍S多優(yōu)點外，還有一些明顯優(yōu)于其它光纖傳感技術(shù)的特點:波長編碼的數(shù)字式傳感，使用可靠性高，壽命長，能進行長期安全監(jiān)測。由于以上優(yōu)點，目前光纖測量已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。通過對國內(nèi)外的相關(guān)專利文獻的查閱和分析來看，國內(nèi)外對基于光纖光柵的沖刷和淤積監(jiān)測系統(tǒng)研究較少，目前國內(nèi)東南大學(xué)開發(fā)了一種長標距光纖光柵沖刷傳感器，該傳感器包括彈性直桿和與彈性直桿封裝為一體的長標距光纖光柵傳感探頭陣列。其原理是利用水流對彈性直桿作用而使得布設(shè)在彈性直桿上的位于泥層上方的長標距光纖光柵波長由應(yīng)變作用發(fā)生較大變化，從而獲得沖刷深度。但是這種方法容易受到水下土體輸移的干擾。大連理工大學(xué)開發(fā)了一種基于光纖光柵的沖刷傳感器，其傳感探頭一旦由于沖刷而露出河床的時候，傳感器兩側(cè)將產(chǎn)生動水壓力，傳感探頭裝置兩側(cè)的膜片產(chǎn)生變形，帶動連桿的運動，并繼而帶動裝置內(nèi)的等強度梁發(fā)生撓曲，并由封裝在等強度梁上的光纖光柵監(jiān)測其應(yīng)變，從而判斷有無沖刷。其原理是由于在動水中柱體繞流，在其迎流面和背流面分別產(chǎn)生正的和負的動水壓力，使得等強度梁發(fā)生變形。但是這種傳感器受探頭數(shù)量限制、無法精確測量水土界面位置，容易受到水下紊流干擾。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種具有高精確度、高耐久性、溫度自適應(yīng)以及能夠抵御水土輸移干擾的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，用以監(jiān)測水下由于沖刷、淤積等作用而造成的水土界面深度變化。[0006]實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為:一種光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅靼ü潭芎蜏y壓管，固定架包括保護段和錨固段；錨固段位于保護段底端。錨固段頂面周向開有固定槽，用于在光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅靼惭b時固定鋼護筒，保護段在固定槽范圍之內(nèi)；測壓管包括測壓管管身、透水板和若干個相同的光纖光柵傳感探頭，并設(shè)有注水口 ；透水板固定在測壓管管身的一個側(cè)面，其他三側(cè)沿縱向分別布置若干個相同的光纖光柵傳感探頭，注水口焊接在測壓管管身的頂端；測壓管固定在固定架的保護段內(nèi)。保護段是由L形型鋼焊接而成的格構(gòu)式管架；錨固段為圓錐形，頂面設(shè)有圓形固定槽，保護段在固定槽范圍之內(nèi)。測壓管豎直安裝在固定架保護段內(nèi)，測壓管管身為方形(也可采用圓形)，底面封閉，頂面設(shè)可封閉的注水口 ；四個側(cè)面中有一個側(cè)面為透水面，由透水板組成；其他三個側(cè)面為傳感面，沿縱向均勻布置相同的光纖光柵傳感探頭，承受管外的水土壓力和管內(nèi)的水壓力。針對不同的水文地質(zhì)條件和測量要求，光纖光柵傳感探頭的形式有兩種:單膜式傳感探頭和雙膜式傳感探頭。單膜式傳感探頭包括面板、背環(huán)、測壓膜、防水膜、刻寫在光纖導(dǎo)線上的光纖光柵、第一螺母和第二螺母；光纖導(dǎo)線的一端與光纖光柵相連，另一端從背環(huán)中引出；光纖光柵粘接在測壓膜和防水膜內(nèi)側(cè)的中間部位；面板上開有一圓洞，圓洞面積為面板面積的1/21/5，背環(huán)為金屬環(huán)片，背環(huán)的內(nèi)直徑與圓洞內(nèi)直徑相同，測壓膜和防水膜固定在面板與背環(huán)之間，面板與背環(huán)通過第一螺母固定連接，單膜式傳感探頭通過第二螺母固定在測壓管管身上。雙膜式傳感探頭包括兩個完全相同的傳壓部件和一個傳感部件，傳壓部件包括受壓殼、內(nèi)膜和硅油；受壓殼為一次成型的金屬蓋，受壓殼蓋面作為外膜，受壓殼內(nèi)壁側(cè)面靠近封閉端開有一圈凹槽，內(nèi)膜焊接在該凹槽外邊緣；硅油填充在內(nèi)膜和受壓殼封閉端之間；傳感部件包括傳壓片、等強度懸臂梁、支座、光纖光柵和光纖導(dǎo)線；等強度懸臂梁窄端插入傳壓片中，寬端上下表面分別粘有相同的兩個支座，中部上下表面分別粘有光纖光柵；光纖導(dǎo)線一端與光纖光柵相連，另一端從與上述光纖光柵同側(cè)的支和受壓殼中引出；傳感部件位于兩個完全相同的傳壓部件中部，將兩個完全相同的傳壓部件和一個傳感部件壓合封裝形成雙膜式傳感探頭。一般情況下，單膜式傳感探頭用于淺水環(huán)境的監(jiān)測，雙膜式傳感探頭用于深水環(huán)境的監(jiān)測，也可根據(jù)實際情況進行選擇。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:(I)本實用新型的測量原理簡單可靠，不易受水土輸移的干擾:在水中的傳感器，管內(nèi)是水壓力，而管外是水體輸移產(chǎn)生的水壓力，所以光纖光柵傳感探頭測量得到的有可能是正壓力(迎水流面)，也可能是負壓力(背水流沖刷面)。在土中的傳感器，由于受到土壓力的作用，無論水流發(fā)生什么樣的變化，其光纖光柵傳感探頭測量得到的都是正壓力，如果土體出現(xiàn)輸移，也只會在最多兩個方向上造成比靜止土壓力更大的側(cè)向土壓力，在同一高度的三只傳感器總有一只可以不受土體輸移的干擾。因此，水體輸移只會對水中的探頭造成正負變動，對土中的傳感器沒有任何干擾，而土體輸移的干擾也可以通過同一高度的三只傳感器進行抵消；(2)本實用新型的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅髦谱鞴に嚭唵?。本實用新型主要有固定架和多個光纖光柵傳感探頭組成的測壓管，制作簡單，安裝方便，有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟效益；(3)本實用新型的測試精度高，其測試精度可達0.lm，并且可以根據(jù)具體要求改變精度，其精度主要可以通過改變光纖光柵傳感探頭數(shù)量以及探頭間距大小實現(xiàn)；(4)本實用新型無需對安裝位置進行限制，只要保證有兩個不同深度的光纖光柵傳感探頭在土層中即可；(5)本實用新型可對多點同時進行沖刷監(jiān)測，可按照監(jiān)測需求，在多個監(jiān)測點植入光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，實現(xiàn)一個區(qū)域的整體沖刷和淤積監(jiān)測。

圖1為本發(fā)明的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅髟韴D。圖2為本發(fā)明的固定架結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖2 (a)為固定架前視圖，圖2 (b)為固定架1-1剖面圖，圖2 (C)為固定架2-2剖面圖。圖3為本發(fā)明的測壓管結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖3 (a)為測壓管前視圖，圖3 (b)為測壓管1-1剖面圖。圖4為本發(fā)明的單膜式傳感探頭結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖4 (a)為單膜式傳感探頭后視圖，圖4 (b)為單膜式傳感探頭右視圖。圖5為本發(fā)明的雙膜式傳感探頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標號:保護段1，錨固段2，固定槽21，測壓管管身3，光纖光柵傳感探頭31，面板3110，背環(huán)3111，測壓膜3112，防水膜3113，第一螺母3114，第二螺母3115，受壓殼3120，硅油3122，內(nèi)膜3123，傳壓片3124，等強度懸臂梁3125，支座3126，光纖光柵313，光纖導(dǎo)線314，透水板32，注水口 33。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。結(jié)合圖1、圖2和圖3，本實用新型的一種光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，包括固定架和測壓管；固定架包括保護段I和錨固段2，錨固段2固定在保護段I底端。保護段I是由L形型鋼焊接而成的格構(gòu)式管架；錨固段2為鋼制圓錐筒，頂面設(shè)有圓形固定槽21，保護段I在固定槽21范圍之內(nèi)。測壓管包括測壓管管身3、透水板32和若干個相同的光纖光柵傳感探頭31，并設(shè)有注水口 33 ;透水板32固定在測壓管管身3的一個側(cè)面，其他三側(cè)沿縱向分別布置若干個相同的光纖光柵傳感探頭31，注水口 33焊接在測壓管管身3的頂端，且注水口 33可密封；測壓管固定在固定架的保護段I內(nèi)。光纖光柵傳感探頭31根據(jù)形式可分為單膜式傳感探頭和雙膜式傳感探頭。結(jié)合圖4，單膜式傳感探頭包括面板3110、背環(huán)3111、測壓膜3112、防水膜3113、刻寫在光纖導(dǎo)線314上的光纖光柵313、第一螺母3114和第二螺母3115 ;光纖導(dǎo)線314的一端與光纖光柵313相連，另一端從背環(huán)3111中引出；光纖光柵313粘接在測壓膜3112和防水膜3113內(nèi)側(cè)的中間部位；面板3110上開有一圓洞，圓洞面積為面板3110面積的1/2 4/5，背環(huán)3111為金屬環(huán)片，背環(huán)3111的內(nèi)直徑與圓洞內(nèi)直徑相同，測壓膜3112和防水膜3113固定在面板3110與背環(huán)3111之間，面板3110與背環(huán)3111通過第一螺母3114固定連接，單膜式傳感探頭通過第二螺母3115固定在測壓管管身3上。結(jié)合圖5，雙膜式傳感探頭包括兩個完全相同的傳壓部件和一個傳感部件，傳壓部件包括受壓殼3120、內(nèi)膜3123和硅油3122 ;受壓殼3120為一次成型的金屬蓋，受壓殼3120的蓋面作為外膜，受壓殼3120內(nèi)壁側(cè)面靠近封閉端開有一圈凹槽，內(nèi)膜3123焊接在該凹槽外邊緣；硅油3122填充在內(nèi)膜3123和受壓殼3120封閉端之間；傳感部件包括傳壓片3124、等強度懸臂梁3125、支座3126、光纖光柵313和光纖導(dǎo)線314 ;等強度懸臂梁3125窄端插入傳壓片3124中，寬端上下表面分別粘有相同的兩個支座3126，中部上下表面分別粘有光纖光柵313 ;光纖導(dǎo)線314 —端與光纖光柵313相連,另一端從與上述光纖光柵313同側(cè)的支座3126和受壓殼3120中引出；傳感部件位于兩個完全相同的傳壓部件中部，將兩個完全相同的傳壓部件和一個傳感部件壓合封裝形成雙膜式傳感探頭。光纖光柵傳感探頭31數(shù)量可以實際使用要求的精度進行設(shè)置，其光纖導(dǎo)線314在測壓管管身3頂部引出。封裝形成的測壓管具有很好的對環(huán)境的耐久性。本結(jié)合圖1和圖3，實用新型的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鞯闹谱靼惭b方法，，包括以下幾個步驟:(al)制作固定架保護段I和錨固段2，錨固段2固定在保護段I底端；(a2)制作測壓管管身3，管身3上方設(shè)置可封閉式注水口 33，管身3的一個側(cè)面安裝透水板32，其他三個側(cè)面沿縱向開設(shè)傳感探頭31的安裝窗口 ；(a3)制作光纖光柵傳感探頭31，將光纖光柵傳感探頭31依次沿縱向固定到測壓管管身3上，光纖導(dǎo)線314從頂部引出；(a4)將測壓管裝到固定架保護段I內(nèi)，頂部用螺栓固定；(a5)將一粗細適中空心的鋼護筒套在固定架外側(cè)，其中鋼護筒的內(nèi)直徑大于保護段I的外直徑，且鋼護筒正好可以卡在錨固段2上部的固定槽21中，鋼護筒套在保護段I上并且鋼護筒下端卡在固定槽21中；(a6)將鋼護筒連同光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅饕煌⒅糜诒O(jiān)測點；(a7)錘擊鋼護筒，使鋼護筒帶動光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鞑迦胪林?，直至光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鞯拇蟛糠衷谒两缑嬉韵?、小部分在水土界面以上的位置，然后拔出鋼護筒，完成單個光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅髯罱K的安裝。如果安裝位置附近有水下結(jié)構(gòu)，也可將固定架安裝在水下結(jié)構(gòu)表面。上述單膜式傳感探頭的制作方法，包括以下幾個步驟:(a31-l)將光纖光柵313粘接在向背環(huán)3111 —側(cè)的測壓膜3112上；(a32-l)將光纖導(dǎo)線314 —端與光纖光柵313連接,另一端引出背環(huán)3111;(a33-l)在光纖光柵313另一側(cè)表面覆蓋一層防水膜3113 ;(a34-l)將面板3110與背環(huán)3111通過第一螺母3114互夾對接。結(jié)合圖5，上述雙膜式傳感探頭的制作方法，包括以下幾個步驟:(a31-2)將兩片內(nèi)膜3123分別焊接在兩塊受壓殼3120內(nèi)壁凹槽外邊緣；(a32-2)在內(nèi)膜3123與受壓殼3120封閉端之間充填硅油3122 ；(a33-2)將等強度懸臂梁3125窄端插入傳壓片3124，寬端上下表面粘上支座3126,中部上下表面貼有光纖光柵313 ；(a34-2)將光纖導(dǎo)線314 —端與光纖光柵313連接,另一端從與上述光纖光柵313同側(cè)的支座3126和受壓殼3120中引出；(a35-2)將傳感部安裝于兩個完全相同的傳壓部件中部，兩個完全相同的傳壓部件和一個傳感部件壓合封裝形成雙膜式傳感探頭。本實用新型的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，可以根?jù)沖刷(或淤積)區(qū)域的監(jiān)測要求，布設(shè)由多個傳感器組成的光纖光柵水土界面監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)由傳輸光纜連接到監(jiān)控中心，實現(xiàn)該區(qū)域沖刷(或淤積)狀態(tài)的遠程實時自動監(jiān)測。本實施例中，保護段I與錨固段2用焊接或者螺栓連接；測壓管安裝在固定架保護段I內(nèi)，頂部螺栓連接。本實施例中，測壓管管身3為PE塑料材質(zhì)；單膜式傳感探頭測壓膜3112為磷銅薄膜材質(zhì)，防水膜3113為高分子防水薄膜材質(zhì)，背環(huán)3111為不銹鋼環(huán)片材質(zhì)；雙膜式傳感探頭受壓殼3120、內(nèi)膜3123均為磷銅材質(zhì)。本實用新型光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟砣缦?本實用新型光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅髦饕抢盟两缑嫦峦馏w側(cè)向土壓力與深度正相關(guān)的原理而設(shè)計的:水下土體內(nèi)的水平方向壓力由土體側(cè)向壓力和水壓力組成，并且伴隨著深度的增加，土體側(cè)向壓力和水壓力也相應(yīng)增大，而水體中的水平方向壓力則只有水體壓力，因此，通過一只能夠正面受土體側(cè)向壓力和水壓力作用、背面受水壓力作用的光纖光柵傳感探頭31，測量正面和背面的壓力差就能夠得到土體側(cè)向壓力，將若干只這樣的光纖光柵傳感探頭31按一定深度間隔放置在水下(部分埋入土中)，就可以擬合出土體側(cè)向壓力隨深度變化的壓力分布曲線，最終得到土體側(cè)向壓力為零的臨界深度位置，即為沖刷面高度。本實用新型的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，可以根?jù)沖刷(或淤積)區(qū)域的監(jiān)測要求，布設(shè)由多個傳感器組成的光纖光柵水土界面監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)由傳輸光纜連接到監(jiān)控中心，實現(xiàn)該區(qū)域沖刷(或淤積)狀態(tài)的遠程實時自動監(jiān)測。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟?包括固定架和測壓管；固定架包括保護段(I)和錨固段(2)，錨固段(2)固定在保護段(I)的底端；錨固段(2)頂面周向開有固定槽(21)，用于在光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅靼惭b時固定鋼護筒，保護段(I)在固定槽(21)范圍之內(nèi)；測壓管包括測壓管管身(3)、透水板(32)和若干個相同的光纖光柵傳感探頭(31)，并設(shè)有注水口(33);透水板(32)固定在測壓管管身(3)的一個側(cè)面，其他三側(cè)沿縱向分別布置若干個相同的光纖光柵傳感探頭(31)，注水口(33)焊接在測壓管管身(3)的頂端；測壓管固定在固定架的保護段(I)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，其特征在?所述注水口(33)可密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，其特征在?所述光纖光柵傳感探頭(31)為單膜式傳感探頭或雙膜式傳感探頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，其特征在?所述單膜式傳感探頭包括面板(3110)、背環(huán)(3111)、測壓膜(3112)、防水膜(3113)、刻寫在光纖導(dǎo)線(314)上的光纖光柵(313)、第一螺母(3114)和第二螺母(3115);光纖導(dǎo)線(314)的一端與光纖光柵(313)相連，另一端從背環(huán)(3111)中引出；光纖光柵(313)粘接在測壓膜(3112)和防水膜(3113)內(nèi)側(cè)的中間部位；面板(3110)上開有一圓洞，圓洞面積為面板(3110)面積的1/2 4/5，背環(huán)(3111)為金屬環(huán)片，背環(huán)(3111)的內(nèi)直徑與圓洞內(nèi)直徑相同，測壓膜(3112)和防水膜(3113)固定在面板(3110)與背環(huán)(3111)之間，面板(3110)與背環(huán)(3111)通過第一螺母(3114)固定連接，單膜式傳感探頭通過第二螺母(3115)固定在測壓管管身(3)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，其特征在?所述雙膜式傳感探頭包括兩個完全相同的傳壓部件和一個傳感部件，傳壓部件包括受壓殼(3120)、內(nèi)膜(3123)和硅油(3122);受壓殼(3120)為一次成型的金屬蓋，受壓殼(3120)的蓋面作為外膜，受壓殼(3120)內(nèi)壁側(cè)面靠近封閉端開有一圈凹槽，內(nèi)膜(3123)焊接在該凹槽外邊緣；硅油(3122)填充在內(nèi)膜(3123)和受壓殼(3120)封閉端之間；傳感部件包括傳壓片(3124)、等強度懸臂梁(3125)、支座(3126)、光纖光柵(313)和光纖導(dǎo)線(314);等強度懸臂梁(3125)窄端插入傳壓片(3124)中，寬端上下表面分別粘有相同的兩個支座(3126)，中部上下表面分別粘有光纖光柵(313);光纖導(dǎo)線(314) —端與光纖光柵(313)相連,另一端從與上述光纖光柵(313)同側(cè)的支座(3126)和受壓殼(3120)中引出；傳感部件位于兩個完全相同的傳壓部件中部，將兩個完全相同的傳壓部件和傳感部件壓合封裝形成雙膜式傳感探頭。
專利摘要本實用新型公開了一種光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，由固定架和測壓管組成。固定架起到保護和固定測壓管的作用；測壓管由管身和一系列按深度間隔排布的光纖光柵傳感探頭組成，探頭為雙面構(gòu)造，正面承受管外水土壓力，背面承受管內(nèi)水壓力，通過測量正面和背面的壓力差可以精確測量管外側(cè)土壓力，再對不同深度的側(cè)向土壓力進行擬合計算，最終得到水土界面的深度位置。本實用新型的光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅鞑皇芩w紊流和土體輸移的干擾，測試精度高，可根據(jù)使用條件和要求改變測量精度和測量深度范圍；本實用新型可按照監(jiān)測需求，在多個監(jiān)測地點植入光纖光柵水土界面?zhèn)鞲衅?，實現(xiàn)一個區(qū)域的沖刷和淤積監(jiān)測。
文檔編號G01F23/14GK203053517SQ20132003003
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者丁勇, 方海東 申請人:南京理工大學(xué)