一种渗流监测装置和方法

摘要

本发明提供一种渗流监测装置和方法，渗流监测装置，包括渗流场监测设施和温度场监测设施；所述渗流场监测设施包括多个测压管，每个所述测压管布置于防渗体系下游侧的每个监测点位，所述测压管的底部穿过监测点位地面和地面下方的渗流监测地层；每个所述测压管的管内安装水位测量装置；所述温度场监测设施包括第一测温光缆、第二测温光缆、钢球、渗流测量控制箱、通信光缆、光纤温度测量系统、电源电缆和电源。本发明综合渗流场和温度场的异常变化分析防渗体系渗漏情况，从而实现渗漏通道或渗漏部位的追踪/定位。本发明能有效提高渗流监测的灵敏度，并能够准确追踪/定位防渗体系渗漏通道。

权利要求

1.一种渗流监测装置，其特征在于，包括渗流场监测设施和温度场监测设施；

所述渗流场监测设施包括多个测压管(2)，每个所述测压管(2)布置于防渗体系下游侧的每个监测点位，所述测压管(2)的底部穿过监测点位地面和地面下方的渗流监测地层；每个所述测压管(2)的管内安装水位测量装置(4)；

所述温度场监测设施包括第一测温光缆(5‑1)、第二测温光缆(5‑2)、渗流测量控制箱(7)、通信光缆(8)、光纤温度测量系统(9)、电源电缆(15)和电源(16)；

所述第一测温光缆(5‑1)整段连续，所述第一测温光缆(5‑1)的两端与所述渗流测量控制箱(7)连接，所述第一测温光缆(5‑1)的中部，在每个监测点位下沉入对应的所述测压管(2)的管底；

所述第二测温光缆(5‑2)的两端与所述渗流测量控制箱(7)连接，所述第二测温光缆(5‑2)的中部经过防渗体系上游侧；

各个所述测压管(2)内的所述水位测量装置(4)接入所述渗流测量控制箱(7)；所述渗流测量控制箱(7)通过通信光缆(8)与所述光纤温度测量系统(9)连接；所述电源(16)通过所述电源电缆(15)，分别与所述渗流测量控制箱(7)和所述光纤温度测量系统(9)连接；

其中，所述第一测温光缆(5‑1)的一端与所述渗流测量控制箱(7)连接，所述第一测温光缆(5‑1)的另一端伸入到一个所述测压管(2)的管底后，再向上折弯从所述测压管(2)的管口伸出，使所述第一测温光缆(5‑1)在所述测压管(2)的管内呈U型形状，在所述测压管(2)内放置钢球(6)对所述第一测温光缆(5‑1)的U型形状进行限位；然后，从所述测压管(2)的管口伸出的所述第一测温光缆(5‑1)，再采用U型形状下放至另一个所述测压管(2)的管内，如此使所述第一测温光缆(5‑1)经过各个所述测压管(2)后，形成测温网络，再接入到所述渗流测量控制箱(7)。

2.根据权利要求1所述的一种渗流监测装置，其特征在于，每个所述渗流测量控制箱(7)安装有电源避雷器(14)。

3.根据权利要求1所述的一种渗流监测装置，其特征在于，所述光纤温度测量系统(9)内集成安装分布式光纤温度测量仪(10)、交换机(11)、服务器(12)和控制计算机(13)。

4.一种基于权利要求1‑3任一项所述的渗流监测装置的渗流监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，渗流场的监测：

防渗体系下游侧呈网格状分布多个监测点位，每个监测点位安装一个测压管(2)，所述测压管(2)内安装一个水位测量装置(4)，因此，每个监测点位的水位测量装置(4)自动测量其水位值，并发送给渗流测量控制箱(7)，由此得到每个监测时刻每个监测点位的水位值，形成渗流场；

步骤2，温度场的监测：

在每个监测时刻，通过第二测温光缆(5‑2)测量得到防渗体系上游侧库水温；同时，分别采用梯度法和电热脉冲法，通过第一测温光缆(5‑1)测量每个监测点位沿测压管深度方向的梯度法温度分布和电热脉冲法温度分布；

不同监测时刻的防渗体系上游侧库水温，形成库水温温度分布；

各个所述监测点位的梯度法温度分布，形成梯度法温度场；各个所述监测点位的电热脉冲法温度分布，形成电热脉冲法温度场；

步骤3，对防渗体系下游侧的渗流场、库水温温度分布、梯度法温度场和电热脉冲法温度场进行综合分析，定位渗漏部位的地理位置以及渗漏通道经过的地层位置。

说明书

一种渗流监测装置和方法

技术领域

[0001] 本发明属于水利水电工程安全监测技术领域，具体涉及一种渗流监测装置和方法。

背景技术

[0002] 现有渗流监测技术，通过监测防渗体系下游岩土体内地下水位获取渗流场，根据渗流场水位与库水位的相关程度及渗流场水力梯度的异常变化，分析评判防渗体系防渗效果，具有灵敏度低、分析难度大且不能分析定位渗漏通道的不足。

发明内容

[0003] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种渗流监测装置和方法，可有效解决上述问题。

[0004] 本发明采用的技术方案如下：

[0005] 本发明提供一种渗流监测装置，包括渗流场监测设施和温度场监测设施；

[0006] 所述渗流场监测设施包括多个测压管（2），每个所述测压管（2）布置于防渗体系下游侧的每个监测点位，所述测压管（2）的底部穿过监测点位地面和地面下方的渗流监测地层；每个所述测压管（2）的管内安装水位测量装置（4）；

[0007] 所述温度场监测设施包括第一测温光缆（5‑1）、第二测温光缆（5‑2）、渗流测量控制箱（7）、通信光缆（8）、光纤温度测量系统（9）、电源电缆（15）和电源（16）；

[0008] 所述第一测温光缆（5‑1）整段连续，所述第一测温光缆（5‑1）的两端与所述渗流测量控制箱（7）连接，所述第一测温光缆（5‑1）的中部，在每个监测点位下沉入对应的所述测压管（2）的管底；

[0009] 所述第二测温光缆（5‑2）的两端与所述渗流测量控制箱（7）连接，所述第二测温光缆（5‑2）的中部经过防渗体系上游侧；

[0010] 各个所述测压管（2）内的所述水位测量装置（4）接入所述渗流测量控制箱（7）；所述渗流测量控制箱（7）通过通信光缆（8）与所述光纤温度测量系统（9）连接；所述电源（16）通过所述电源电缆（15），分别与所述渗流测量控制箱（7）和所述光纤温度测量系统（9）连接。

[0011] 优选的，所述第一测温光缆（5‑1）的一端与所述渗流测量控制箱（7）连接，所述第一测温光缆（5‑1）的另一端伸入到一个所述测压管（2）的管底后，再向上折弯从所述测压管（2）的管口伸出，使所述第一测温光缆（5‑1）在所述测压管（2）的管内呈U型形状，在所述测压管（2）内放置钢球（6）对所述第一测温光缆（5‑1）的U型形状进行限位；然后，从所述测压管（2）的管口伸出的所述第一测温光缆（5‑1），再采用U型形状下放至另一个所述测压管（2）的管内，如此使所述第一测温光缆（5‑1）经过各个所述测压管（2）后，形成测温网络，再接入到所述渗流测量控制箱（7）。

[0012] 优选的，每个所述渗流测量控制箱（7）安装有电源避雷器（14）。

[0013] 优选的，所述光纤温度测量系统（9）内集成安装分布式光纤温度测量仪（10）、交换机（11）、服务器（12）和控制计算机（13）。

[0014] 本发明还提供一种渗流监测装置的渗流监测方法，包括以下步骤：

[0015] 步骤1，渗流场的监测：

[0016] 防渗体系下游侧呈网格状分布多个监测点位，每个监测点位安装一个测压管（2），所述测压管（2）内安装一个水位测量装置（4），因此，每个监测点位的水位测量装置（4）自动测量其水位值，并发送给渗流测量控制箱（7），由此得到每个监测时刻每个监测点位的水位值，形成渗流场；

[0017] 步骤2，温度场的监测：

[0018] 在每个监测时刻，通过第二测温光缆（5‑2）测量得到防渗体系上游侧库水温；同时，分别采用梯度法和电热脉冲法，通过第一测温光缆（5‑1）测量每个监测点位沿测压管深度方向的梯度法温度分布和电热脉冲法温度分布；

[0019] 不同监测时刻的防渗体系上游侧库水温，形成库水温温度分布；

[0020] 各个所述监测点位的梯度法温度分布，形成梯度法温度场；各个所述监测点位的电热脉冲法温度分布，形成电热脉冲法温度场；

[0021] 步骤3，对防渗体系下游侧的渗流场、库水温温度分布、梯度法温度场和电热脉冲法温度场进行综合分析，定位渗漏部位的地理位置以及渗漏通道经过的地层位置。

[0022] 本发明提供的一种渗流监测装置和方法具有以下优点：

[0023] 本发明综合渗流场和温度场的异常变化分析防渗体系渗漏情况，从而实现渗漏通道或渗漏部位的追踪/定位。本发明能有效提高渗流监测的灵敏度，并能够准确追踪/定位防渗体系渗漏通道。

附图说明

[0024] 图1为本发明提供的渗流监测装置的结构图；

[0025] 图2为本发明提供的某沥青混凝土心墙坝防渗体系渗流监测布置图；

[0026] 图3为本发明提供的某面板砂砾石坝水温观测孔位置图；

[0027] 图4为本发明提供的观测孔温度随高程分布曲线图。

具体实施方式

[0028] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0029] 本发明在现有（平面）渗流监测技术的基础上，通过监测分布在渗流场各监测点位沿深度的水温分布获取温度场，综合渗流场和温度场的异常变化分析防渗体系渗漏情况，根据温度场异常变化映射（三维）渗流场变化，从而实现渗漏通道或渗漏部位的追踪/定位。本发明能有效提高渗流监测的灵敏度，并能够准确追踪/定位防渗体系渗漏通道。

[0030] 本发明依据的原理：

[0031] 当防渗体系发生渗漏时，渗漏部位和渗漏通道的水力梯度增大，相应地层的渗流流速变大，若渗漏水与流经地层存在温差时，渗漏部位和渗漏通道的温度将被改变，这种温度变化利用测温光纤/缆采用梯度法（即直接量测测压管水温分布的异常变化）即可量测并追踪/定位；若渗漏水与流经地层温度相当时，渗流流速变大将使加热光纤/缆温升的速度变慢，温度分布在渗漏水流经光纤/缆的部位因温升慢而出现温度低谷，利用测温光纤/缆采用电热脉冲法（即加热测温光缆的金属套或特制的电导体使测温光缆升温后量测测压管水温分布的异常变化）可量测并追踪/定位这种温度低谷。

[0032] 参考图1，本发明提供一种渗流监测装置，包括渗流场监测设施和温度场监测设施；

[0033] 渗流场监测设施包括多个测压管2，每个测压管2布置于防渗体系下游侧的每个监测点位，测压管2的底部穿过监测点位地面和地面下方的渗流监测地层；每个测压管2的管内安装水位测量装置4；水位测量装置4可采用压力式水位计；

[0034] 温度场监测设施包括第一测温光缆5‑1、第二测温光缆5‑2、渗流测量控制箱7、通信光缆8、光纤温度测量系统9、电源电缆15和电源16；

[0035] 第一测温光缆5‑1整段连续，第一测温光缆5‑1的两端与渗流测量控制箱7连接，第一测温光缆5‑1的中部，在每个监测点位下沉入对应的测压管2的管底；具体的，第一测温光缆5‑1的一端与渗流测量控制箱7连接，第一测温光缆5‑1的另一端伸入到一个测压管2的管底后，再向上折弯从测压管2的管口伸出，使第一测温光缆5‑1在测压管2的管内呈U型形状，在测压管2内放置钢球6对第一测温光缆5‑1的U型形状进行限位；然后，从测压管2的管口伸出的第一测温光缆5‑1，再采用U型形状下放至另一个测压管2的管内，如此使第一测温光缆5‑1经过各个测压管2后，形成测温网络，再接入到渗流测量控制箱7。

[0036] 第二测温光缆5‑2的两端与渗流测量控制箱7连接，第二测温光缆5‑2的中部经过防渗体系上游侧；

[0037] 各个测压管2内的水位测量装置4接入渗流测量控制箱7；渗流测量控制箱7通过通信光缆8与光纤温度测量系统9连接；电源16通过电源电缆15，分别与渗流测量控制箱7和光纤温度测量系统9连接。

[0038] 电源16通过电源电缆15，分别与渗流测量控制箱7和光纤温度测量系统9连接。电源16可采用UPS不间断电源。

[0039] 另外，每个渗流测量控制箱7安装有电源避雷器14。

[0040] 光纤温度测量系统9内集成安装分布式光纤温度测量仪10、交换机11、服务器12和控制计算机13。其中，分布式光纤温度测量仪10可采用分布式光纤温度测量仪DTS，实现每个测温光缆的温度的测量。其中，测温光缆内置电导体。

[0041] 在图1中，1‑‑‑防渗体系；2‑‑‑测压管；3‑‑‑测压管水位；4‑‑‑水位测量装置；5‑1‑‑‑第一测温光缆；5‑2‑‑‑第二测温光缆；6‑‑‑钢球；7‑‑‑渗流测量控制箱；8‑‑‑通信光缆；
9‑‑‑光纤温度测量系统；10‑‑‑分布式光纤温度测量仪；11‑‑‑交换机；12‑‑‑服务器；13‑‑‑控制计算机；14‑‑‑电源避雷器；15‑‑‑电源电缆；16‑‑‑电源。

[0042] 在具体实现上， 测温光缆可设置多个回路，在防渗体系上游侧设置1个回路，在防渗体系下游侧设置1个或多个回路；各回路测温光缆总长度不超过测量仪DTS所能量测的极限长度时，也可将上、下游回路合并为1个连续回路。

[0043] 防渗体系上游侧的测温光缆敷设范围至少应包含自库底至水库最高水位之间的范围，有条件时宜包含整个防渗体系的高程范围。

[0044] 防渗体系下游侧每个回路的测温光缆应整根连续，测压管处以“U”形下放至测压管管底。

[0045] 测压管同时固定安装水位测量装置，可接入渗流测量控制箱。

[0046] 测温光缆每个端头接入1个渗流测量控制箱，每个渗流测量控制箱的通信光缆接入分布式光纤温度测量仪DTS的1个通道。

[0047] 每个渗流测量控制箱的电源电缆接口处均设置1个电源避雷器；渗流测量控制箱的电源电缆从UPS不间断电源引出至室外前，设置1个总电源避雷器。

[0048] 室内光纤温度测量系统的用电设备从UPS不间断电源直接取电（无需设置避雷器）。

[0049] 本发明还提供一种渗流监测装置的渗流监测方法，包括以下步骤：

[0050] 步骤1，渗流场的监测：

[0051] 防渗体系下游侧呈网格状分布多个监测点位，每个监测点位安装一个测压管2，所述测压管2内安装一个水位测量装置4，因此，每个监测点位的水位测量装置4自动测量其水位值，并发送给渗流测量控制箱7，由此得到每个监测时刻每个监测点位的水位值，形成渗流场；

[0052] 步骤2，温度场的监测：

[0053] 在每个监测时刻，通过第二测温光缆5‑2测量得到防渗体系上游侧库水温；同时，分别采用梯度法和电热脉冲法，通过第一测温光缆5‑1测量每个监测点位沿测压管深度方向的梯度法温度分布和电热脉冲法温度分布；

[0054] 不同监测时刻的防渗体系上游侧库水温，形成库水温温度分布；

[0055] 各个所述监测点位的梯度法温度分布，形成梯度法温度场；各个所述监测点位的电热脉冲法温度分布，形成电热脉冲法温度场；

[0056] 步骤3，对防渗体系下游侧的渗流场、库水温温度分布、梯度法温度场和电热脉冲法温度场进行综合分析，定位渗漏部位的地理位置以及渗漏通道经过的地层位置。

[0057] 本发明中，对于同一个监测点位，同时获得梯度法温度场和电热脉冲法温度场，然后，梯度法温度场和电热脉冲法温度场可分别进行渗漏部位和渗漏通道定位的分析，分析结果还可以相互验证，提高渗漏部位和渗漏通道定位的准确度。

[0058] 获得库水温温度分布的作用为：可用于判断渗漏水来源，例如，如果下游渗漏水温度与某深度库水温相同，则渗漏水来源于该深度库水的可能性相对较高，并对应渗漏部位。

[0059] 在具体实现上，可采用以下方式：

[0060] ①在防渗体下游侧岩土体内，结合渗流场按网格状布设监测断面，在监测断面网格交点处钻孔设置渗流场监测设施，其中，沿流线方向的监测断面数量根据拟监测渗流场宽度确定，垂直流线方向的断面不少于2排，可在防渗体下游侧布设1排；

[0061] ②将温度场监测设施的测温光缆整根连续的在每个渗流场监测设施处以“U”形下放至其测压管管底，形成测温网络，并在防渗体系上游设置库水温测温光缆；

[0062] ③测压管内同时固定安装水位测量装置；

[0063] ④量测测压管的初始水位获取初始渗流场，量测测压管沿深度的初始水温分布获取初始温度场；

[0064] ⑤定期量测测压管水位和水温分布，获取渗流场和温度场，温度场分别采用梯度法和电热脉冲法获取；

[0065] ⑥排除降雨、地下水等客水影响，根据渗流场水位与库水位的相关程度、渗流场较初始状态水位异常升高或水力梯度异常增加情况，温度场温度分布的异常变化情况，分析评判防渗体系是否有渗漏发生，并根据温度场温度发生突变的分布情况，追踪渗漏通道从而定位或推断防渗体渗漏部位或范围。

[0066] 本发明的渗流监测装置和方法，提高了渗流场异常变化监测的灵敏度和空间定位精度，并可追踪/定位渗漏通道或渗漏部位，拓展了渗流监测方法，同时能够为发现和查找防渗体系缺陷提供可靠数据，使消缺处理的准确性和成功率得到明显提升。

[0067] 下面介绍一个实施例：

[0068] 某工程沥青混凝土心墙坝，坝址河谷较为开阔，坝基置于深厚覆盖层上，厚度变化较大，一般厚度在60～80 m之间，最厚可达91.2m。防渗体系主要由沥青混凝土心墙、坝基覆盖层内防渗墙、防渗墙下灌浆帷幕和两岸坝肩灌浆帷幕组成。河床覆盖层结构复杂，从上至下可以分为六大层，依次为：①砂卵砾石层，属强透水层，②低液限粘土层，属极微透水层，局部分布有粘土质砂透镜体，属中等透水层，③卵石混合土层，局部分布有粘土质砂透镜体，属中等透水层，④（含）细粒土质砂（砾）层，属中等透水层，⑤混合土卵石（碎石）层，分布有低液限粘土和含泥砂层等透镜体，属中等透水层，⑥冰积块碎石，属中等透水层。经研究，坝后量水堰需采用全断面防渗墙拦截覆盖层内渗流后设置量水堰，工程投资预计高达5026.48万元，且监测效果存在不确定性，故未设置坝后量水堰。

[0069] 为监测防渗体系防渗效果，采用本发明的测压管内置测温光缆/纤渗流监测方案，如图2所示，其中，1A‑‑‑防渗墙下游侧廊道内测压管；2A‑‑‑坝下游平台测压管；3A‑‑‑第一测温光缆回路（廊道内）；4A‑‑‑第二测温光缆回路（平台）；5A‑‑‑第三测温光缆回路（库水温）；6A‑‑‑光纤温度测量仪DTS（监测室内）。

[0070] 具体布置如下。

[0071] 测压管布置：

[0072] （1）在坝基廊道内钻设一排位于坝基防渗墙下游侧的测压管，即防渗墙下游侧廊道内测压管1A，共设置8个有压测压管，其中7个测压管管底均穿透第④层冲积细粒土质砂层进入第⑤层混合土卵石层中部，选择最大断面附近1个测压管其管底深入至基覆界线附近。同时在每个测压管内均设置1支渗压计，进行自动化监测。

[0073] （2）在拦河坝下游石渣压重平台沿水流方向设置两排测压管，沿上下游方向设置6个监测横断面，共设置测压管12个，即坝下游平台测压管2A，管底进入第③层卵石混合土层中部。同时选择最大断面及其右侧断面设置4个测压管，管底均穿透第④层冲积细粒土质砂层。 共设置测压管16个，并在每个测压管内均设置1支渗压计，进行自动化监测。

[0074] 测温光缆布置：（1）根据坝基廊道和石渣压重平台测压管布置，设置两个测温光缆回路，第一测温光缆回路3A负责串联防渗墙下游侧廊道内测压管1A，第二测温光缆回路4A负责串联坝下游平台测压管2A。每条测温光缆回路上的光缆采用单根串联方式，即在测压管中呈现U型布设，端部采用钢球等重物将光缆带入。（2）同时在坝前库底至坝顶区域固定设置第三测温光缆回路5A，用于坝前水温测温。（3）三条测温光缆回路均敷设至坝后左岸监测室内，接入渗流测量控制箱和光纤温度测量仪DTS 6A，实现测温光缆温度场数据的采集和处理。

[0075] 上述渗流监测实施方案工程总投资340.73万元，较全断面防渗墙坝后量水堰方案节省工程投资为4685.75万元。

[0076] 分析例

[0077] 图3为某百米级高面板砂砾石坝的地下水温度观测孔位置，图4为典型的观测孔水温随孔深变化曲线。库水温度4℃，量水堰渗漏水温度5.3℃，表明坝区受低温库水的补给。为寻找其渗漏路径，对长观孔和坝基测压管进行温度测量，各孔位置见图3；监测表明两坝肩温度都超过9℃，说明渗漏通道位于主河道。主河道上的DU2、DU4孔深部温度较低，约为
7.2℃，但是孔深‑温度曲线平稳过渡，表明两孔只是受低温水的热传导形成低温；而DU3孔最低温度5.6℃，位置靠近量水堰且曲线有明显的低热谷，其可能位于渗透通道上；后又补充钻探了XZ1～XZ3孔，XZ1、XZ3孔之间存在渗透通道，进而判断出渗透通道的位置。

[0078] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。