CN103364321A - 一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，包括加热系统、渗流系统和DTS系统；是一种基于构建堤坝渗流监测两场耦合简化模型及针对堤坝渗流监测的可操性极强的实用平台；结合DTS系统，对于土石坝及堤坝等多孔介质结构体的渗流监测工程实际应用提供了可能，为各项相关试验研究构建了一个可靠的试验平台；具有测试范围广、精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等众多优点。

Description

一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台

技术领域

本发明涉及一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，属于分布式光纤温度传感技术领域。

背景技术

光纤既作为传感器又作为传输介质，其结构简单，不仅方便施工而且可维护性强、可靠性高，潜在故障率大大低于传统技术。1989年Mendez等首先将光纤传感器埋入混凝土结构中进行结构安全检测以来，各国学者进一步推动了该技术在土木、水利工程中的应用。近年来，随着大型水利工程的建设和水利现代化的要求，分布式光纤温度传感技术已成功应用于大体积混凝土温度、裂缝监测，边坡监测及面板堆石坝面板裂缝监测。

但对于土石坝及堤坝等多孔介质结构体的渗流监测，还处于探索定性阶段。在定量监测的理论和应用上还存在许多问题亟待研究和解决。温度作为一种天然示踪剂，在渗流监测中具有独特的优势，近年来国内外许多案例证实了温度参数对堤坝渗流监测的重要性。分布式光纤温度传感系统（Distributed Fiber Temperature Sensor System）简称为DTS系统，是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该系统中，光纤既是传感器，也是信号的传输通道。利用拉曼散射对温度进行分布式、连续性的实时测量。借助分布式光纤温度传感技术进行堤坝渗漏监测已引起了工程界和学术界的高度关注。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，其可借鉴的经验很少，在技术和施工工艺上都有待于进一步的深入研究。目前，该技术在渗漏监测中的应用研究还停留在定性阶段，即通过监测异常温度点来判断渗漏的大体位置，通常是作为其他监测手段的辅助方式。由于该技术在渗漏监测应用方面的理论还不成熟，特别是目前尚未建立光纤加热温升同环境温度、加热功率、渗流流速之间定量关系模型，因此，进行土石堤坝渗流光纤监测理论研究和模型试验具有重要的意义。

利用光纤测温的渗流监测分为加热法和梯度法，但是现在所有的研究都集中在纯粹的理论方程式的推导或者单纯的试验研究上，导致的结果是理论公式的正确性不置可否及为了试验而试验，由于理论和试验的分离，到目前为止，还没有建立一套真正应用在堤坝渗流监测上的理论和与其相应的可操作实用方法，因此急需要一个土石堤坝渗流测试平台。

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,提供一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，对多孔介质渗流监测应用中存在的问题进行创新性研究，对土石堤坝渗流流速的经验监测和获取及浸润线监测的光纤布设形式和分析方法等一些列问题提供了最可靠的测试平台，且该平台具有稳定性好、可操作性强、精度高、成本低，工程适用性强等众多优点。

技术方案：本发明所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，包括加热系统、渗流系统、DTS系统、数据处理及辅助分析系统；

所述加热系统包括可调节电压的交流电源和负载发热电阻丝，所述可调节电压的交流电源对负载发热电阻丝施加稳定电压进行加热；

所述渗流系统包括模型槽和供水系统，所述供水系统为模型槽内的多孔介质提供渗流； 

所述DTS系统包括分布式光纤测温主机和线性多模感温光纤，所述负载发热电阻丝设置在线性多模感温光纤内，所述线性多模感温光纤埋设于模型槽中的多孔介质内；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；

所述数据处理及辅助分析系统包括数据准备模块、图形查看模块、浸润线分析模块和导热系数计算模块，可对所述DTS系统获得的试验数据进行数据准备、图形查看、浸润线分析和导热系数计算。

进一步地，所述负载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。

所述可调节电压的交流电源包括交流电源、调压器和负载电路，所述交流电源与调压器的输入端连接，所述调压器的输出端与负载电路连接。

由于光纤中的钢丝或者金属铠的电阻比较小，如果需要比较大的加热功率，就需要很大的电流，因此在选用调压器的时候，一定要考虑调压器的额定电流，为了避免接通调压器电源时激发的励磁电流很大，容易引起空气断路器跳闸及对试验及DTS系统造成不良影响，对负载电路进行了改进，所述负载电路包括的第一开关、第二开关、负载发热电阻丝、指示灯和电压表，所述第一开关、第二开关和负载发热电阻丝依次串联在调压器的输出端的正负极之间，所述指示灯与第一开关并联，电压表与第二开关、负载发热电阻丝并联。

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，其内壁铺设防渗层，槽内铺设30cm厚的第一反滤层，第一反滤层上铺设第一反滤网，所述第一反滤网上铺设55cm厚的细砂层，所述细砂层上铺设第二反滤网，所述第二反滤网上铺设30cm厚的第二反滤层，所述模型槽的侧壁上开有进水口、测压管埋设孔和出水口，所述进水口、测压管埋设孔位于第一反滤层内，所述出水口距离槽口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。所述第一反滤层与第二反滤层由不同粒径的介质构成。

所述线性多模感温光纤包含两条光纤，分别为1#光纤和2#光纤，所述1#光纤穿过模型槽的相对两侧壁上的光纤穿墙孔，水平布设在细沙层内，所述2#光纤与1#光纤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。

所述供水系统包括水箱、流速控制阀、水泵和循环水池，所述水箱位于循环水池及模型槽的上方，所述水箱的底端通过进水管、水泵与循环水池连接，所述进水管上设有流速控制阀，所述水箱的底端通过出水管与模型槽的进水口连接，所述出水管上设有流速控制阀，所述水箱的上侧设有溢流管，所述溢流管与循环水池连接。

通过土石堤坝渗流的光纤监测原理，基于简化土石堤坝渗流场和温度场的两场耦合模型，借助推导的适用于堤坝渗流光纤监测的双场定量耦合的控制微分方程，及从两场间相互影响程度的敏感性出发，基于渗流要素和DTS测温信息的关联关系，设计了上述测试平台。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明测试平台（1）是一种基于构建堤坝渗流监测两场耦合简化模型及针对堤坝渗流监测的可操性极强的实用平台；（2）结合DTS系统，开发了一套面向渗流的监测系统，对于土石坝及堤坝等多孔介质结构体的渗流监测工程实际应用提供了可能，为各项相关试验研究构建了一个可靠的试验平台；（3）该测试平台还包括数据处理及辅助分析系统对DTS系统获得的试验数据进行数据准备、图形查看、浸润线分析和导热系数计算；（4）相对于传统的点阵监测本测试平台为全线任一点测试温度平台，且具有测试范围广、精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等众多优点；总体上讲，本测试平台具有设计理念完备新颖、设计思路完整严密、切合理论性强、可操作性强、耐久性好、抗电磁干扰等各项优点。

附图说明

图1为实施例1所述测试平台组成示意图。

图2为实施例1所述光纤加热方式示意图。

图3为实施例1所述负载电路示意图。

图4为实施例1所述数据处理及辅助分析系统示意图。

图5为实施例1中光纤布置及模型槽前视图。

图6为实施例1中模型槽左视断面图。

图7为实施例1中所述供水系统模型示意图。

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：如图1所示，一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，包括加热系统1、渗流系统2、DTS系统3、数据处理及辅助分析系统4。

所述加热系统包括可调节电压的交流电源和负载发热电阻丝，所述负载发热电阻丝为线性多模感温光纤中的钢丝8，所述可调节电压的交流电源对负载发热电阻丝施加稳定电压进行加热。

所述渗流系统包括模型槽和供水系统，所述供水系统为模型槽内的多孔介质提供渗流。

所述DTS系统包括分布式光纤测温主机和线性多模感温光纤，所述线性多模感温光纤埋设于模型槽中的多孔介质内，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；光纤测温主机配设一个脉冲激光设备，它同线性多模感温光纤相连并输出激光脉冲，光纤尾部同光纤连接器相连；所述分布式光纤测温主机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，在得到每一点的温度和位置信息后，即可得到一个整根光纤沿程不同位置的温度曲线。

所述数据处理及辅助分析系统包括数据准备模块、图形查看模块、浸润线分析模块和导热系数计算模块，可对所述DTS系统获得的试验数据进行数据准备、图形查看、浸润线分析和导热系数计算；

本实施例所采用光纤，其最外面为护套层，内为铠装层，护套层和铠装层之间有固定钢丝，铠装层内部为光纤。所述交流电源对光缆内部固定钢丝施加稳定电压进行加热。光缆内部有两根固定钢丝，对钢丝加热有两种方式，如图2所示,方式一是两端接线，仅对一根钢丝加热；方式二是单端接线，另一端将两根钢丝串联。考虑到调压器的额定电流，为了在相同电流下发热效果尽可能好，本实施例选择第二种接线方式。

如图3所示，所述可调节电压的交流电源包括交流电源5、调压器7和负载电路，所述交流电源5与调压器7的输入端连接，所述调压器7的输出端与负载电路连接。

由于光纤中的钢丝电阻比较小，如果需要比较大的加热功率，就需要很大的电流，因此在选用调压器的时候，一定要考虑调压器的额定电流，为了避免接通调压器电源时激发的励磁电流很大，容易引起空气断路器跳闸及对试验及DTS系统造成不良影响，对负载电路进行了改进，所述负载电路包括的第一空气断路器、第二空气断路器、负载发热电阻丝、指示灯和电压表，所述第一空气断路器、第二空气断路器和负载发热电阻丝依次串联在调压器的输出端的正负极之间，所述指示灯与第一空气断路器并联，电压表与第二空气断路器、负载发热电阻丝并联。

如图5和6所示，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。

所述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。

如图7所示，所述供水系统包括水箱17、流速控制阀18、水泵19和循环水池20，所述水箱17位于循环水池20及模型槽的上方，所述水箱17的底端通过进水管、水泵19与循环水池20连接，所述进水管上设有流速控制阀18，所述水箱17的底端通过出水管与模型槽的进水口连接，所述出水管上设有流速控制阀18，所述水箱17的上侧设有溢流管，所述溢流管与循环水池20连接。

上述测试平台主要是研究加热功率、介质含水率和渗流流速三者之间的关系，故主要设计三种工况：非饱和无渗流工况、饱和无渗流工况、饱和渗流工况；非饱和无渗流工况主要用来分析光纤在不同含水率、不同加热功率下的温升情况；饱和无渗流工况为了研究饱和介质中光纤的导热系数，获得加热功率；饱和渗流工况为了研究分析渗流流速与温度的相关关系。

在测试过程中基本要遵守费希尔三原则（重复测试、随机化和局部控制），利用万能表，测出其光纤中金属铠的电阻，选择按照需要的加热功率，并且通过供水系统调整模型槽内的材料物理工况重复进行不同要求工况下的测试实验。

该测试平台采集到试验数据为庞杂的数据，其中包含着监测时间和光纤上位置点、温度、斯托克斯、反斯托克斯光等信息，要挑选出所关心的数据，不仅费时费力，而且人工提取的准确性也难以保证，利用本发明据处理及辅助分析系统可以快速实时并准确的分析试验数据。

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 (8)

1.一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，包括加热系统、渗流系统和DTS系统；

所述加热系统包括可调节电压的交流电源和负载发热电阻丝，所述可调节电压的交流电源对负载发热电阻丝施加稳定电压进行加热；

所述渗流系统包括模型槽和供水系统，所述供水系统为模型槽内的多孔介质提供渗流； 

所述DTS系统包括分布式光纤测温主机和线性多模感温光纤，所述负载发热电阻丝设置在线性多模感温光纤内，所述线性多模感温光纤埋设于模型槽中的多孔介质内；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。

2.根据权利要求1所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，该测试平台还包括数据处理及辅助分析系统，所述数据处理及辅助分析系统包括数据准备模块、图形查看模块、浸润线分析模块和导热系数计算模块，可对所述DTS系统获得的试验数据进行数据准备、图形查看、浸润线分析和导热系数计算。

3.根据权利要求1所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，所述负载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。

4.根据权利要求3所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，所述可调节电压的交流电源包括交流电源、调压器和负载电路，所述交流电源与调压器的输入端连接，所述调压器的输出端与负载电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，所述负载电路包括的第一开关、第二开关、负载发热电阻丝、指示灯和电压表，所述第一开关、第二开关和负载发热电阻丝依次串联在调压器的输出端的正负极之间，所述指示灯与第一开关并联，电压表与第二开关、负载发热电阻丝并联。

6.根据权利要求1所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，所述模型槽的槽内尺寸为：长2.6m、宽1m、高1.15m，其内壁铺设防渗层，槽内铺设30cm厚的第一反滤层，第一反滤层上铺设第一反滤网，所述第一反滤网上铺设55cm厚的细砂层，所述细砂层上铺设第二反滤网，所述第二反滤网上铺设30cm厚的第二反滤层，所述模型槽的侧壁上开有进水口、测压管埋设孔和出水口，所述进水口、测压管埋设孔位于第一反滤层内，所述出水口距离槽口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。

7.根据权利要求6所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，所述线性多模感温光纤包含两条光纤，分别为1#光纤和2#光纤，所述1#光纤穿过模型槽的相对两侧壁上的光纤穿墙孔，水平布设在细沙层内，所述2#光纤与1#光纤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。

8.根据权利要求6所述的一种监测土石堤坝渗流状况的分布式光纤测试平台，其特征在于，所述供水系统包括水箱、流速控制阀、水泵和循环水池，所述水箱位于循环水池及模型槽的上方，所述水箱的底端通过进水管、水泵与循环水池连接，所述进水管上设有流速控制阀，所述水箱的底端通过出水管与模型槽的进水口连接，所述出水管上设有流速控制阀，所述水箱的上侧设有溢流管，所述溢流管与循环水池连接。

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