CN103353322B - 一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，包括如下步骤：（1）在坝体中布设监测光纤；（2）基于DTS系统对埋设于坝体中的光纤进行温度监测；（3）对光纤中发热电阻丝使用单端加热法进行通电加热；（4）当光纤上的温度处于稳定状态时，记录光纤的温度分布，并且记录为状态一；（5）确定并记录参考状态下光纤温度分布，并记为状态零；（6）确定坝体不同含水量对光纤温升的影响规律；（7）确定浸润线的位置；本发明可以准确定位浸润线实际工程的基本位置，对于工程实际中亟待研究的通过埋设光缆达到土石堤坝浸润线准确监测具有重大意义。

Description

一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法。

背景技术

土石堤坝是历史上最为悠久、世界上建造数量最多的一种坝型，其中渗流分析是水工设计方面独有的一项关键内容，监控坝体浸润线的位置对于保障土石堤坝的稳定性以及安全性意义极为重大。

随着社会安全意识的不断增强、自然灾害的频发性出现以及实际工程安全隐患的复杂性和多变性，大量工程经验表明，加强土石堤坝渗漏、渗透变形以及浸润线位置的实时在线监测、动态评估及反馈决策，对保障工程的安全运行具有非常重要的意义。

但是常规的点式监测仪器为采用大间距网格布设形式，监测盲区过大，极易造成监测的空间不连续及漏检等问题，缺少及时性、长效性及全域性的坝体监测。在坝工渗流监控领域中急切的需要新技术、新方法以及新理念的产生。

光纤作为媒质、以光信号为载体，故其不受电磁干扰，灵敏度高，精度高，能够准确测出光纤沿线任一点的温度值，通过光纤组网布设，可以实现分布式测量，作为一种测温手段，其理论和技术应用已经非常成熟。但是，基于分布式光纤温度传感技术的渗漏监测作为该技术的一种新应用，其可借鉴的经验过少，在技术和施工工艺上都有待于进一步的深入研究。急切需要在该领域进行探索性、创新性及突破性的研究，因此进行土石堤坝浸润线的光纤监测理论研究及模型试验具有重要的意义。

利用观测温度来监测渗漏是国内外正在发展中的一项新技术，已在我国及美国、俄罗斯、瑞典等国家得到了成功的应用，并且随着分布式光纤测温系统的推出，温度示踪法研究堤坝渗漏这一课题更加吸引了大量的研究人员；分布式光纤温度传感技术分布式、连续性地实时进行堤坝渗漏监测测量已引起了工程界和学术界的高度关注，但是目前该项技术的研究尚处于起步阶段，急切需要前沿性、首创性的研究，因此进行土石堤坝浸润线光纤监测理论研究，研制浸润线监测方法及装置具有重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，可以准确定位浸润线在实际工程的基本位置，具有及时性、长效性及全域性，对于工程实际中亟待研究的通过埋设光缆达到土石堤坝浸润线准确监测具有重大意义。

技术方案：本发明所述的一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，包括如下步骤：

（1）在坝体中布设监测光纤；

（2）基于DTS系统对埋设于坝体中的光纤进行温度监测；

（3）对光纤中发热电阻丝使用单端加热法进行通电加热；

（4）当光纤上的温度处于稳定状态时，记录光纤的温度分布，并且记录为状态一；

（5）确定并记录参考状态下光纤温度分布，基于判定浸润线位置的需要，参考状态选择光纤处于坝体渗流饱和状态下相同功率的加热稳定状态，并记为状态零；

（6）确定坝体不同含水量对光纤温升的影响规律；

（7）确定浸润线的位置，具体为：将状态一的温度分布值按位置一一对应的减去状态零的温度分布值，得到一个新的分布式光纤温度状态，命名为状态二，状态二上的温度值在浸润线以下为负值，在浸润线以上为正值，而正负变换处，即温度值为零处为浸润线的位置；比照光纤实际埋设位置和光纤温度分布状态二，即可找出浸润线的实际工程位置。

进一步地，所述步骤（1）中的光纤为线性多模感温光纤，基于不同坝体的尺寸，依据具体光纤设计的布设形式，将光纤布置于坝体内，且贯穿饱和水区、毛管水上升区、自然含水区三个坝体内部区域。

所述步骤（2）中，DTS系统主要由分布式光纤测温主机构成，所述分布式光纤测温主机用于采集和分析激光脉冲从线性多模感温光纤的注入端注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息。

所述步骤（3）中的发热电阻丝为线性多模感温光纤中的金属铠或者固定用钢丝。

所述步骤(3)中的单端加热法进行通电加热为交流电源通过调压器为连接在调压器输出端正负极间的线性多模感温光纤中的金属铠或者固定用钢丝加热。

现对上述浸润线监测方法中的各个环节具体说明如下：

第一步中，坝体内部三个区域具体指：土石堤坝挡水后，在上下游水位差的影响作用下，水流将通过坝体和坝基自高水位侧向低水位侧运动，在坝体和坝基内形成渗流，待稳定渗流形成之后，整个坝体将被划分为饱和水区、毛管水上升区和自然水区。

第二步中，DTS系统主要有分布式光纤测温主机构成。分布式光纤测温主机内部封装光器件、激光器、数据处理模块等。该系统采用拉曼散射对温度进行测量，拉曼散射光包含斯托克斯与反斯托克斯光，它们在频谱上呈现为对称分布。这两种光对温度都非常敏感，但是反斯托克斯光对温度的敏感系数比斯托克斯光要大得多，技术上通常采用反斯托克斯拉曼散射作为信号通道，斯托克斯散射作为参考通道，用以消除应力等因素的影响。斯托克斯光、反斯托克斯光与温度关系为：式中：l_as为反斯托克斯光光强，l_s为斯托克斯光光强，α为温度相关系数，h为普朗克系数，C为真空中的光速；V为拉曼平移量；K为鲍尔茨曼常数；T为绝对温度值。

通过斯托克斯光与反斯托克斯光计算出的温度值为：根据上述方法可以得到光缆温度值，但是还需要知道该温度值对应的位置值，OTDR技术（光时域反射技术）可以解决该问题。通过测量入射光与反射光的时间差Δt，就可以知道反射点距发射端的距离X：式中：C为真空中的光速，n为光纤的折射率。

第三步中，供电加热电路系统主要由交流电源、调压器、负载发热电阻丝及控制开关等构成。土石坝及堤防工程中的渗流场和温度场是相互作用、相互影响的。

当布设于多孔介质中的铠装光纤加热稳定之后，可以将其视作处于无限大介质中的有一定直径的稳定线热源。利用此假设，建立控制方程的边界条件，可以求解出稳定渗流场影响下的温度场，其中，单线法中均匀稳恒渗流场影响下的温度场求解模型为：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}-d\frac{\∂T}{\∂x}=0& (x,y)\∈\mathrm{\Ω}\\ -\mathrm{\λ}\frac{\∂T(x,y)}{\∂n}=q& (x,y)\∈{\mathrm{\Γ}}_1\\ T(x,y)=T_0& (x,y)\∈{\mathrm{\Γ}}_0\end{array}\right.,$

式中：Ω为模型区域；Γ₁为模型内边界oabc；Γ₀为模型外边界OABC；λ为介质导热系数；n代表边界面某处的外法线方向。基于上述原理层面，采用上述加热方法达到对土石堤坝的浸润定位和监测的目的是可行的。

第七步中，分析依据和原理是，状态一的温度分布值，在浸润线以下存在垂直于光纤的渗流场，那么该区域的温升值肯定要小于饱和状态下无渗流的光纤温升值（即状态零的温升值）；另一方面，浸润线以上部分处于不饱和状态，按照该介质的光纤温升值随含水量的增加而减少的特性，可以判定状态一的温升值将会大于饱和状态下无渗流的温升值（即状态零的温升值）。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明基于渗流对光纤温度场的影响机理，通过探索介质含水量与光纤加热温升之间定性定量的关系，利用光纤在不同含水率介质中相同加热功率加热下温升不同的原理，首创提出一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，该发明可以准确定位浸润线实际工程的基本位置，对于工程实际中亟待研究的通过埋设光缆达到土石堤坝浸润线准确监测具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1中基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测装置示意图。

图2为实施例1中土石堤坝渗流示意图。

图3为实施例1中模型槽前视图。

图4为实施例1中模型槽左视断面图。

图5为实施例1细砂中含水量与光纤温升的关系曲线。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测装置及其方法：

如图1所示，监测装置由DTS系统、供电加热系统及线性多模感温光纤构成，线性多模感温光纤埋设于土石坝体中，所述供电加热系统为光纤中的钢丝或者金属铠进行加热，DTS系统主要由分布式光纤测温主机构成，用于采集和分析激光脉冲从线性多模感温光纤的注入端注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息。

具体检测方法包括如下步骤：

（1）在坝体中布设光纤；基于不同土石坝坝体的尺寸，依据具体光纤布设形式，将监测光纤布置于土石坝体内，如图2所示，整个坝体被划分为饱和水区4、毛管水上升区5和自然水区6等坝体内部区域，光纤贯穿饱和水区、毛管水上升区、自然含水区三个坝体内部区域，具体监测光纤用铠装光缆ZTT-GYXTW-4A1a，其为50/125um多模四芯，且内置钢丝加强筋。

（2）基于DTS系统（分布式光纤温度传感系统）对埋设于土石坝坝体中的目标光纤进行温度监测，本实施例采用英国Sensornet公司生产的Sentinel DTS-LR型号的分布式光纤测温主机，其为目前市场上最先进的分布式光纤测温仪之一，沿光纤长度可以测量分布式温度，测量距离可达10km（不同型号监测距离不同），空间分辨率为1m，温度分辨率可以达到0.01℃，Sentinel DTS配设一个脉冲激光设备，同50/125多模光纤相连并输出一种10纳秒的光脉冲，其尾部同E2000光纤连接器相连。

（3）选用单线热源法加热，在土石坝及土石堤防的渗流监测中，单线热源法只需在渗流场区域布设一根测温光纤，故本实施例选用单线热源法进行加热。

温度场通过影响渗透系数而影响渗流场的分布，温度场影响下的土石堤坝渗流场基本方程为式中：K=K(x,y,z)=K(T)为土石坝坝体各向同性渗透系数，是温度的函数；S_S为贮水系数；为哈密顿算子。土石坝渗流场水头分布H=H(x,y,z,t)与温度场的分布T=T(x,y,z,t)密切相关，温度通过影响土石坝坝体的渗透系数而影响渗流场；当水库蓄水后，水体从坝体中流过，当两种介质存在温度差时，必然产生热量交换。当介质内存在渗流时，光纤和介质之间的传热方式为热传导和热对流，光纤与水流对流传热量的计算可采用牛顿冷却公式Q_v=A_ah(T_s-T_f)，Q_v为光纤和水流之间的对流热；A_a为光纤和水流之间的换热面积；T_s为光纤表面的温度；T_f为水流温度，h为换热系数， $h={\mathrm{C\λ}}_w{d}^{n-1}{v}^{\frac{1}{3}-n}{a}^{1/3}{u}^n,$ 令 ${\mathrm{C\λ}}_w{d}^{n-1}{v}^{\frac{1}{3}-n}{a}^{1/3}=D,$ 即h=Duⁿ，其中C与n均为流体外掠单管的常数；λ_w为水的导热系数；d为光纤外径；v为运动粘滞系数；u为渗流流速；a为导温系数；光纤和水流由于热传导传递的热量由式来计算，式中：A₀为传热面积，λ_水为水的导热系数，光纤和水流由热对流传递的热量按计算：

本实施例选用TDGC2-5型单相调压器，其工作量程为20A、250V，额定电流为20A，可以输出0～250V内的任何电压值，满足不同加热功率的要求。经分布式光纤温度传感系统监测10分钟之后，通过供电加热系统对目标光缆中固定用钢丝使用单端加热法进行通电加热。

（4）记录待测光纤处于稳定状态时的温度分布，使用DTS系统监测待测光纤的温度，当监测光纤上的温度处于稳定状态时，记录该分布式光纤的温度分布，将其标记为状态一。

（5）确定并记录参考状态下光纤温度分布，基于判定浸润线位置的需要，这一状态可以选择光纤处于该坝体渗流饱和状态下相同功率的温度稳定状态，并记为状态零。

（6）确定含水量对光纤温升的影响规律，为了确定浸润线的位置，需研究含水量对光纤加热温升的影响，在同一加热功率下，光纤的绝对温升是随着介质含水量的增加而减小，但是温升减小值和含水量的变化值不呈线性相关关系。

如图3和4所示，为较好地确定含水量对光纤温升的影响规律，本步骤中搭建了一个模型槽，所述模型槽采用全顺式满浆砌法，槽内尺寸为：长2.6m、宽1m、高1.15m，其内壁铺设塑料薄膜作为防渗层，槽内铺设30cm厚的第一反滤层9，第一反滤层9上铺设第一反滤网10，所述第一反滤网上铺设55cm厚的细砂层11，所述细砂层11上铺设第二反滤网21，所述第二反滤网21上铺设30cm厚的第二反滤层22，所述模型槽的侧壁上开有进水口12、测压管埋设孔14和出水口13，所述进水口12、测压管埋设孔14位于第一反滤层内，所述出水口13距离槽口15cm，所述模型槽的相对两侧壁上分别开有两个距离槽底65cm的光纤穿墙孔，所述光纤穿墙孔位于两侧壁的对称轴上；进、出水口接水管，测压管和光纤同塑料薄膜的接口部分采用橡皮勒紧和502胶水密封防水，利用水流将细砂填筑密实。

模型槽中的线性多模感温光纤包含两条光纤，分别为1#光纤15和2#光纤16，所述1#光纤15穿过模型槽的相对两侧壁上的光纤穿墙孔，水平布设在细沙层11内，所述2#光纤16与1#光纤15布设在同一个铅锤面内并且折成若干与1#光纤平行的水平段，其中有三条水平段位于1#光纤的下方，距离1#光纤的距离分别为5cm、15cm、30cm，两条水平段位于1#光纤的上方，距离1#光纤的距离分别为5cm、15cm。

基于探索确定含水量对光纤温升的影响规律，进行了细砂在不同含水量情况下不同加热功率的多组试验。本实施例选择的加热功率为：3W/m、7W/m、11W/m。附图5给出了以含水量为横坐标、以绝对温升为纵坐标不同加热功率下的含水量～绝对温升关系曲线图。

从附图中可以看出，总体上看，在同一加热功率下，光纤的绝对温升是随着介质含水量的增加而减小，但是温升减小值和含水量的变化值不呈线性相关关系。

（7）确定浸润线的位置。

基于第六步的结论，利用待测光纤在不同含水率介质中相同加热功率加热下温升不同的原理，将状态一的温度分布值按位置一一对应的减去状态零的温度分布值，得到一个新的分布式光纤温度状态，将其命名为状态二，该值在浸润线以下为负值，在浸润线以上为正值，而正负变换处，即温度值为零处，即为浸润线的位置，比照光纤实际埋设位置和光纤温度分布状态二，即可找出浸润线的实际工程位置，利用上述方法即可达到快速准确地确定浸润线位置的效果。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在坝体中布设监测光纤；

（2）基于DTS系统对埋设于坝体中的光纤进行温度监测；

（3）对光纤中发热电阻丝使用单端加热法进行通电加热；

（4）当光纤上的温度处于稳定状态时，记录光纤的温度分布，并且记录为状态一；

（5）确定并记录参考状态下光纤温度分布，基于判定浸润线位置的需要，参考状态选择光纤处于坝体渗流饱和状态下相同功率的温度稳定状态，并记为状态零；

（6）确定坝体不同含水量对光纤温升的影响规律；

（7）确定浸润线的位置，具体为：将状态一的温度分布值按位置一一对应的减去状态零的温度分布值，得到一个新的分布式光纤温度状态，命名为状态二，状态二上的温度值在浸润线以下为负值，在浸润线以上为正值，而正负变换处，即温度值为零处为浸润线的位置；比照光纤实际埋设位置和光纤温度分布状态二，即可找出浸润线的实际工程位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，其特征在于，所述步骤（1）中的光纤为线性多模感温光纤，基于不同坝体的尺寸，依据具体光纤设计的布设形式，将光纤布置于坝体内，且贯穿饱和水区、毛管水上升区、自然含水区三个坝体内部区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，其特征在于，所述步骤（2）中，DTS系统由分布式光纤测温主机构成，所述分布式光纤测温主机用于采集和分析激光脉冲从线性多模感温光纤的注入端注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，其特征在于，所述步骤（3）中的发热电阻丝为线性多模感温光纤中的金属铠或者固定用钢丝。

5.根据权利要求4所述的一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法，其特征在于，所述步骤(3)中的单端加热法进行通电加热为交流电源通过调压器为连接在调压器输出端正负极间的线性多模感温光纤中的金属铠或者固定用钢丝加热。