CN103412142B - 多孔介质结构体渗流流速监测试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多孔介质结构体渗流流速监测试验装置，包括加热系统（1）、分布式光纤温度传感系统（2）、埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽（3）和出水系统（4）；所述加热系统（1）、分布式光纤温度传感系统（2）和出水系统（4）分别与所述多孔介质结构体模型槽（3）连接。本发明还公开一种多孔介质结构体渗流流速监测试验方法。本发明方法突破常规的光纤渗流监测方法中监测周期为整个光缆加热的温升周期，准确定位了渗流流速同平均导热系数的线性相关性，监测精度得到可靠保证。

Description

多孔介质结构体渗流流速监测试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多孔介质结构体渗流流速监测试验装置及方法。

背景技术

中央关于水利建设的一号文件，加快了我国水利事业的建设步伐，我国的土石堤坝工程面临的主要问题有渗漏、管涌、坍塌、裂缝、滑坡、护坡破坏、冲刷空蚀等。渗漏是影响堤坝安全的一个重要因素，若渗漏隐患发现的不及时、渗控措施不到位，极有可能引起渗透破坏和坝坡失稳，严重影响工程安全，甚至导致堤坝溃决。据统计，土石坝工程中，超过三分之一的破坏是由于不同程度的渗漏以及渗漏衍生的各种问题所致；堤防溃决90%以上是由于渗漏破坏造成。

大量工程经验表明，加强土石堤坝渗漏与渗透变形的实时定位和定量监测，对保障工程的安全运行具有非常重要的意义，在对传统监测技术进行不断完善和发展的同时，越来越多的新型技术被引入堤坝安全监测领域，开展新技术在坝工领域中监测原理和实现方法、技术等的研究，已成为一个热点科研课题；相对于常规的点式监测仪器的监控盲区大、易造成测值的空间不连续及漏测，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渗流流速、环境温度、加热功率之间定量关系模型，因此进行土石堤坝渗流流速光纤监测理论研究和模型试验具有重要的意义。

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，提供一种高效精确的多孔介质结构体渗流流速监测试验装置及方法。

技术方案：本发明多孔介质结构体渗流流速监测试验装置，包括加热系统、分布式光纤温度传感系统、埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽和出水系统；所述加热系统、分布式光纤温度传感系统和出水系统分别与所述多孔介质结构体模型槽连接。

所述加热系统为主要由交流电源、调压器和负载发热电阻丝组成的并联电路，通过负载发热电阻丝对监测光纤加热，通过调压器控制电压从而控制加热功率。

所述分布式光纤温度传感系统包括分布式光纤测温主机和线性多模感温光缆，所述分布式光纤测温主机通过脉冲激光设备与所述线性多模感温光缆相连并输出光脉冲；所述线性多模感温光缆的尾部与光纤连接器相连。

所述出水系统包括水箱、流速控制阀、水泵及循环水池；所述水箱的位置高于所述循环水池，所述水箱的水位线上部通过溢流管与所述循环水池连接；所述循环水池通过水泵将水输送到水箱中；所述水箱底部通过管道与所述多孔介质结构体模型槽连接；所述流速控制阀分别设置在水箱与所述多孔介质结构体模型槽和循环水池之间的管道上。

多孔介质结构体渗流流速监测试验方法,包括如下步骤:

(1)构建埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽。基于不同试验要求，根据具体设计搭建带监测光纤的多孔介质结构体模型槽。

(2)调整出水系统以形成均匀稳定渗流场。将出水系统阀门调节到某一确定位置，后持续监测出水系统的出流量，待出流量稳定时，认为均匀稳定渗流场已经形成。

(3)基于分布式光纤温度传感系统对埋设于模型槽中的监测光纤进行温度监测；拉曼散射和布里渊散射对温度均有敏感性，可以用来测量温度，考虑到布里渊散射受应力等其他因素影响较大，故主要采用拉曼散射对温度进行测。通过斯托克斯光与反斯托克斯光计算出温度值：

$T=\frac{\mathrm{hCV}}{K[\ln \mathrm{\α}-\ln \left(\frac{l_{\mathrm{as}}}{l_s}\right)]},$

其中，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。通过上述方法可以得到光缆温度值，技术上，还需要知道该温度值对应的位置值，光时域反射技术（OTDR）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。

(4)经分布式光纤温度传感系统监测10分钟之后，通过加热系统对目标光纤做通电加热操作。对监测光缆中固定用钢丝利用单线热源法通电加热，其中单线热源法中均匀稳恒渗流场影响下的温度场求解模型如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}-d\frac{\∂T}{\∂x}=0& (x,y)\∈\mathrm{\Ω}\\ -\mathrm{\λ}\frac{\∂T(x,y)}{\∂n}=q& (x,y)\∈{\mathrm{\Γ}}_1,\\ T(x,y)=T_0& (x,y)\∈{\mathrm{\Γ}}_0\end{array}\right.$ 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。同时不断监测目标光缆的分布式温度并记录下加热功率和起始加热时刻的监测文件名，为以后整理数据提供依据。在一次监测周期完成后，改变加热功率，测得在该渗流速度下不同加热功率的温升曲线。

单线热源法同双线热源法最大的不同在于，单线法只需要一根热源光纤即可反演出渗流流速，而双线法需要一根热源光纤和一根温度场感温光纤。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，利用DTS测温仪测出目标光纤稳定温度T₁、起始温度（即加热时的环境温度）T₀以及目标光纤的加热功率q。利用上述数据即可通过单线热源法反演出渗流流速v。假定光缆埋设方向同渗流方向垂直，单线热源法中目标光纤加热产生的温度场及模型示意图见附图3，图中，a表示温度等值线，b表示目标光纤，c表示加热功率P。将建模区域选为以光缆为轴线，r为半径的空间圆柱体。在1m长度范围内的空间圆柱体内，可以将渗流速度视为不随位置变化的常量。为了确定加热光纤加热后的影响范围，进行了饱和无渗流工况的试验，得到了热源光纤在不同加热功率下的起始温度和稳定温度，利用Marc有限元分析软件中稳定温度场的分析模块，反演圆柱体的半径r，最终确定光缆为中心、边长2r=15c的正方形二维区域作为建模区域，既符合数值计算的反演结果，又符合实际的试验结果，具体反演方法见附图4。

光纤流速反演模型示意图见附图6，其中光缆被简化为1cm×1cm的正方形区域，整个模型求解区间及其剖分形式符合有限差分法的要求，所以采用有限差分法求解单线法中均匀稳恒渗流场影响下的温度场求解模型，分别记网格内点和边界点的集合分别为Ω_h和。在点(x_i,y_j)上用差商表示二阶导数，即：

$\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}{|}_{(x_i,y_j)}=\frac{1}{h^2}[T(x_{i+1},y_j)-2T(x_i,y_j)+T(x_{i-1},y_j)]+o\left(h^2\right),$

$\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{(x_i,y_j)}=\frac{T(x_{i+1},y_j)-T(x_{i-1},y_j)}{2h}+o\left(h^2\right),$

将上述两式代入微分方程

$\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}-d\frac{\∂T}{\∂x}=0,$

可得到差分方程

$\frac{1}{h^2}[T(x_{i+1},y_j)-2T(x_i,y_j)+T(x_{i-1},y_j)]$

$+\frac{1}{h^2}[T(x_i,y_{j+1})-2T(x_i,y_j)+T(x_i,y_{j-1})]-d\frac{T(x_{i+1},y_j)-T(x_{i-1},y_j)}{2h}=0$

用T_i,j表示T(x_i,y_j)的，则上式可表示为

$(1+\frac{\mathrm{ah}}{2})T_{i-1,j}+T_{i,j-1}-4T_{i,j}+T_{i,j+1}+(1-\frac{\mathrm{ah}}{2})T_{i+1,j}=0$ 该式即为单线热源法中均匀稳恒渗流场影响下的温度场求解模型的五点差分格式，在求解域内有多少未知温度的节点，即会建立多少个差分方程，进而进行求解。

(5)在测得该稳定渗流情况下的不同加热功率的温升曲线之后，改变出水系统的流速控制阀门开度，改变渗流场，待渗流场稳定之后，重复上述步骤，测得不同渗流场下不同加热功率的温升曲线。

(6)构建基于热线法的导热系数计算模型；瞬态热线法作为测量液体导热系数的主流方法，已经被公认为最好的导热系数测定方法，其理想模型为无限大介质中的径向一维非稳态导热问题，在初始温度均匀分布的无限介质中，对布设其中的热线加载恒定的加热功率，由于热线半径非常小，所以只要时间τ足够长，热线表面温升θ的表达式可简化为式中：θ为光缆绝对温升，θ＝T-T₀，T为时间τ时光缆的温度，T₀为加热初始光缆温度；q为单位长度加热功率，单位为W/m；λ为导热系数，单位为W·m^-1·K^-1；τ为加热时间；a为热扩散系数，单位为m²/s；r₀为热线半径；C为比热容，单位J·kg^-1·K^-1，上式即为建立的瞬态热线法测量导热系数的基本方程。

(7)计算光缆所在介质的导热系数。根据瞬态热线法测量导热系数的基本方程，基于实验分析，绘制出θ～lnτ关系图，找出其中的直线段并求出其斜率，由该斜率值和加热功率q即可算出导热系数λ，其中λ的表达式为：通过前面推导的热线法计算模型进而可以计算出其导热系数。

(8)通过温升过程线图，得到相应渗流场下的名义导热系数。名义导热系数由本申请中首次提出，分析处于渗流场中的热线（即通电加热的光缆）温升过程线，绘制θ～lnτ关系图。观察该温升过程线图即可发现，同传统热线法一样，图中同样存在着直线段，利用该直线段区间的数据可以拟合出一个斜率，进而可算出一个与之对应的导热系数。与传统热线法对比分析，首创提出了一种包含渗流对热线影响的导热系数，将其称为名义导热系数。

该导热系数不是传统意义上无渗流状态下无限大均匀介质的导热系数，而是一种处于渗流场中，包含了渗流对热线影响的导热系数，该名义导热系数既包含了传统意义上的热传导部分，也包含了渗流对热线的影响。不同的渗流场，与之对应的名义导热系数必定不同，这两者之间存在某种关系，利用直线段区间的数据可以拟合出一个斜率，将该斜率代入导热系数计算模型中，即可算出一个与之对应的名义导热系数。

(9)构建名义导热系数和渗流流速的关系数学模型，从而由不同渗流场的名义导热系数得到各种流速下的渗流流速值。

不同的渗流场，与之对应的名义导热系数必定不同，据此，可以将名义导热系数作为反映相应渗流场特性的一种新的物理参数；基于不同加热功率下的名义导热系数，得到各种流速下的其不同值；通过试验分析、理论研究得出了渗流流速与平均导热系数的关系，渗流流速和平均名义导热系数的线性相关关系非常明显，从而得到了渗流流速的经验计算公式,两者线性相关性非常明显。

当假设多孔介质各向同性，即λ_x＝λ_y＝λ_z＝常数；只考虑光纤定位精度范围内（即1m光纤长度范围）光纤及以光纤为中心的一定半径内的场分布情况；渗流场为稳定渗流场，即渗流速度不随时间和位置而变化，是一个常量。在三维坐标中，可以分解为V_x、V_y、V_z（常量）；无源汇项即Q_T=0；只考虑稳定温度场，即渗流场影响下的三维导热方程可以写为下列形式： ${\▿}^{2}T-\frac{c_w{\mathrm{\ρ}}_w}{\mathrm{\λ}}[v_x\frac{\∂T}{\∂x}+v_y\frac{\∂T}{\∂y}+v_z\frac{\∂T}{\∂z}]=0,$ 令 $-\frac{c_w{\mathrm{\ρ}}_w}{\mathrm{\λ}}{v}_x=a1,$ $-\frac{c_w{\mathrm{\ρ}}_w}{\mathrm{\λ}}{v}_y=a2,$ $-\frac{c_w{\mathrm{\ρ}}_w}{\mathrm{\λ}}{v}_z=a3.$ 则可以化简为 ${\▿}^{2}T+a1\frac{\∂T}{\∂x}+a2\frac{\∂T}{\∂y}+a3\frac{\∂T}{\∂z}=0,$ 该式即为只考虑渗流对温度影响、渗流流速为常数的监测模型方程式。可以看出，对于给定的边值条件，温度场的分布只与系数a1、a2、a3有关，而对于某一特定介质，为常数，所以温度场的分布只与渗流流速v有关系，流速v会和温度场形成一一对应关系。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、本发明方法突破常规的光纤渗流监测方法中监测周期为整个光缆加热的温升周期，准确定位了渗流流速同平均导热系数的线性相关性，监测精度得到可靠保证。2、该发明通过了理论研究、试验验证，首创提出了一种包含渗流对热线影响的名义导热系数，本发明结果真实可靠，对于亟待研究的实际工程中埋设光缆的渗流流速监测具有重大意义。3、本发明解决了分布式光纤温度传感技术中渗流流速的监测问题，使其工程实际应用提供了可能。

附图说明

图1为本发明多孔介质结构体渗流流速监测试验装置示意图；

图2为多孔介质结构体渗流流速监测试验装置的供水系统示意图；

图3为单线热源法中目标光纤加热产生的温度场及模型示意图；

图4为单线法反演流速示意图；

图5为多孔介质结构体渗流流速监测试验装置的加热系统示意图；

图6为光纤流速反演模型示意图；

图7为多孔介质结构体渗流流速监测试验装置模型槽前视图；

图8为多孔介质结构体渗流流速监测试验装置模型槽左视断面图；

图9为多孔介质结构体渗流流速监测试验装置DTS测量仪示意图；

图10为多模光纤结构示意图；

图11为E2000光纤连接器示意图；

图12为v=0.0571×10-3m/s下不同加热功率下的θ～lnτ图；

图13为v=0.0730×10^-3m/s下不同加热功率下的θ～lnτ图；

图14为0.1515×10^-3m/s下不同加热功率下的θ～lnτ图；

图15为v=0.0974ⅹ10^-3m/s下不同加热功率下的θ～lnτ图；

图16为v=0.1964ⅹ10^-3m/s下不同加热功率下的θ～lnτ图；

图17为渗流流速和导热系数关系图。

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：本发明所述的多孔介质结构体渗流流速监测试验装置，其装置示意图如图1所示，包括加热系统1、分布式光纤温度传感系统2、埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽3和出水系统4；所述加热系统1、分布式光纤温度传感系统2和出水系统4分别与所述多孔介质结构体模型槽3连接。

所述加热系统如图5所示，主要由交流电源9、调压器10和负载发热电阻丝11组成的并联电路，通过负载发热电阻丝11对监测光纤加热，通过调压器10控制电压从而控制加热功率；所述分布式光纤温度传感系统包括分布式光纤测温主机和线性多模感温光缆，所述分布式光纤测温主机通过脉冲激光设备与所述线性多模感温光缆相连并输出光脉冲；所述线性多模感温光缆的尾部与光纤连接器相连；所述出水系统如图2所示，包括水箱5、流速控制阀6、水泵7及循环水池8；所述水箱5的位置高于所述循环水池8，所述水箱5的水位线上部通过溢流管与所述循环水池8连接；所述循环水池8通过水泵7将水输送到水箱5中；所述水箱5底部通过管道与所述多孔介质结构体模型槽3连接；所述流速控制阀6分别设置在水箱5与所述多孔介质结构体模型槽3和循环水池8之间的管道上。

本发明多孔介质结构体渗流流速监测试验方法,包括如下步骤:

（1）设计试验中不同流速及加热功率工况。通过控制出水系统来设计试验中不同的流速工况；通过控制加热系统来设计试验中不同的加热功率工况，由于加热电路相同，所以采用控制电压来控制不同的加热功率工况。本试验设计了六种不同流速工况：0m/s、0.0571×10-3m/s、0.0730×10-3m/s、0.1515×10-3m/s、0.0974×10-3m/s、0.1964×10-3m/s。由于加热电路相同，所以采用电压来控制加热功率，采用了6种不同的加热电压：7V、9V、11V、13V、15V、17V；

（2）构建埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽。基于不同试验要求，根据具体设计搭建带光纤的多孔介质结构体的待监测模型槽，本实施例主要砌筑一个长2.6m、宽1m、高1.15m的模型槽，并用M5水泥砂浆砌筑，M10砂浆抹面;水池内壁铺设塑料薄膜作为进一步的防渗材料在高度为1m的长度方向墙上预留两个50mm外径的出水口。进、出水口连接进水管12、出水管13，测压管14和光缆15同塑料薄膜的接口部分采用橡皮勒紧和502胶水密封防水；水池底部铺设30cm由各种粒径组成的反滤层16；反滤层上面铺设反滤网17；其上铺设55cm厚的细砂18，细砂上面依旧是反滤网17和反滤层16；在水池的两个宽度方向面的中心，高度为65cm的位置预留目标光纤15布置用的穿墙孔。具体见附图7、8。

（3）调整出水系统以形成均匀稳定渗流场。基于不同设计的试验工况，经多次调试，将供水系统阀门调节到某一确定位置，后持续监测出水系统的出流量，待出流量稳定时，可认为均匀稳定渗流场已经形成。

（4）基于分布式光纤温度传感系统对埋设于模型槽中的监测光纤进行温度监测；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（见附图9），Sentinel DTS配设一个脉冲激光设备，它同50/125多模光纤（见附图10）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（见附图11）。

（5）确定加热方式。本实施例采用单线热源法加热，在土石坝及土石堤防的渗流监测中，单线热源法同双线热源法最大的不同在于，单线热源法只需在渗流场区域布设一根测温光纤，利用DTS测温仪测出目标光纤稳定温度T₁、起始温度（即加热时的环境温度）T₀以及1#光纤的加热功率q。利用上述数据即可通过单线热源法反演出渗流流速v。

（6）通过加热系统对目标光纤做通电加热操作。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。本装置选用TDGC2-5型单相调压器可调节电压交流电源可以选用调压器。并且设置了防跳闸启动加载电路；经分布式光纤温度传感系统监测10分钟之后，开始对目标光缆中固定用钢丝利用即单端加热法通电加热，同时不断监测目标光缆的分布式温度并记录下加热功率和起始加热时刻的监测文件名，为以后整理数据提供依据。在一次监测周期完成后，改变加热功率，测得在该渗流速度下不同加热功率的温升曲线。

（7）在测得该稳定渗流情况下的不同加热功率的温升曲线之后，改变供水系统的流速控制阀门开度，改变渗流场，待该渗流场稳定之后，重复上述步骤，测得不同渗流场下不同加热功率的温升曲线。

（8）构建基于热线法的导热系数计算模型。热线表面温升θ的表达式可简化为式中：θ为光缆绝对温升，θ＝T-T₀，T为时间τ时光缆的温度，T₀为加热初始光缆温度；q为单位长度加热功率，单位为W/m；λ为导热系数，单位为W·m^-1·K^-1；τ为加热时间；a为热扩散系数，单位为m²/s；r₀为热线半径；C为比热容，单位J·kg^-1·K^-1，上式即为建立的瞬态热线法测量导热系数的基本方程。

（9）计算光缆所在介质的导热系数。根据瞬态热线法测量导热系数的基本方程，基于实验分析，绘制出θ～lnτ关系图，找出其中的直线段并求出其斜率，由该斜率值和加热功率q即可算出导热系数λ，其中λ的表达式为：通过前面推导的热线法计算模型进而可以计算出其导热系数。

（10）首创提出相应渗流场下的名义导热系数。提取本试验中监测光纤5m位置处的有效数据，得到不同流速工况下该点的温度变化过程线，绘制θ～lnτ关系图，见附图12～16。观察该温升过程线图即可发现，同传统热线法一样，图中同样存在着直线段，利用该直线段区间的数据可以拟合出一个斜率，进而可算出一个与之对应的导热系数。与传统热线法对比分析，提出了一种包含渗流对热线影响的导热系数，将其称为名义导热系数。

该导热系数不是传统意义上无渗流状态下无限大均匀介质的导热系数，而是一种处于渗流场中，包含了渗流对热线影响的导热系数，该名义导热系数既包含了传统意义上的热传导部分，也包含了渗流对热线的影响。不同的渗流场，与之对应的名义导热系数必定不同，这两者之间存在某种关系，利用直线段区间的数据可以拟合出一个斜率，将该斜率代入导热系数计算模型中，即可算出一个与之对应的名义导热系数，其计算结果见附表1。

表1不同工况下的名义导热系数计算表

（11）确定名义导热系数和渗流流速的关系数学模型。不同的渗流场，与之对应的名义导热系数必定不同，以渗流流速为y轴，平均导热系数为x轴，绘制散点图，见附图17；从附图17中可以看出，渗流流速和平均名义导热系数的线性相关关系非常明显；对该散点图进行线性拟合得渗流流速的计算公式v＝5.5848λ-2.7727；式中：v为渗流速度，单位10^-3m/s；λ为名义导热系数，单位W/(m·k)；复相关系数R=0.9877，两者线性相关性非常明显，据此，建立了名义导热系数和渗流流速的关系数学模型。

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 (2)

1.一种多孔介质结构体渗流流速监测试验方法,其特征在于包括如下步骤:

(1) 构建埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽；

(2) 调整出水系统以形成均匀稳定渗流场；

(3) 基于分布式光纤温度传感系统对埋设于模型槽中的监测光纤进行温度监测；

(4) 经分布式光纤温度传感系统监测10分钟之后，通过加热系统对目标光纤做通电加热操作；

(5) 在测得该稳定渗流情况下的不同加热功率的温升曲线之后，改变出水系统的流速控制阀门开度，改变渗流场，待渗流场稳定之后，重复步骤（4），测得不同渗流场下不同加热功率的温升曲线；

(6) 构建基于热线法的导热系数计算模型；

(7) 计算光缆所在介质的导热系数；

(8) 通过温升过程线图，得到相应渗流场下的名义导热系数；

(9) 构建名义导热系数和渗流流速的关系数学模型，从而由不同渗流场的名义导热系数得到各种流速下的渗流流速值。

2.根据权利要求1所述的多孔介质结构体渗流流速监测试验方法,其特征在于：

步骤（2）中，将出水系统阀门调节到某一确定位置，后持续监测出水系统的出流量，待出流量稳定时，认为均匀稳定渗流场已经形成。