CN103439239B - 一种岩土体渗流速率分布式监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土体渗流速率分布式监测方法及系统，所述方法包括如下步骤：碳纤维光缆埋设于岩土体中；通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；运用数据处理分析系统确定碳纤维光缆特征温度值，根据碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,计算出岩土体渗流速率，其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数。所述系统包括电源与电流控制系统、碳纤维光缆、DTS解调设备、数据处理分析系统。本发明采用了碳纤维光缆内加热的方法，对碳纤维光缆进行主动加热，使碳纤维光缆与周围岩土间产生较大的温差，大大提高了DTS解调设备对渗流速率的监测精度和敏感性。

Description

一种岩土体渗流速率分布式监测方法及系统

技术领域

本发明涉及岩土体渗流灾害防治领域，具体涉及一种岩土体渗流速率分布式监测方法及系统。

背景技术

岩土体中的渗流场是影响水库大坝、江河堤防、边坡基坑等稳定性的主要因素，因此，对岩土体中渗流场的监测是岩土工程防灾减灾中必不可少的工作。多年来，相关领域的科研以及工程实践从不同方面对渗漏危害、渗流监测等方面的研究工作投入了大量的精力并取得了丰硕的成果。渗流监测工作是治理各类渗漏灾害、开展渗漏机理研究的重要基础性工作。高效的渗流场监测方法在实际工程使用中有着广泛的应用，具有十分重要的意义。

目前，业界普遍使用的渗流场监测方式主要有以下几种：电磁法、热阻抗法、电阻率法、分布式光纤测温技术（DTS）等电磁法在使用中无需在岩土体中打钻，可操作性强，缺点在于结果具有多解性，且无法推断渗流速度；热阻抗法能够对于渗流速度进行分布式定量化监测，缺点在于监测介质的热阻抗标定难度较大；电阻率法能够精确测量介质的电阻率，缺点在于影响电阻率的因素较多，且容易被干扰。因此这几种方法都不适宜于渗流场的监测。

近年来，DTS技术开始应用于岩土体的渗流场监测，但同时也出现了不少问题，如对于流速较小的渗流因与周围岩土体温差较小而无法监测到；又如测量精度易受环境温差的影响等，因而，目前DTS技术只能适用于温差较大、流速较大的渗流场监测，还不能满足所有渗流场的监测。

但是基于这些技术的渗流场监测方法都有其缺点和适用的范围，无法完全满足岩土体中渗流场监测的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种岩土体渗流速率分布式监测方法及系统，基于DTS技术，运用碳纤维光缆内加热、温度感测的特点，通过碳纤维光缆特征温度值来确定岩土体渗流速率，解决了现有DTS技术只能适用于温差较大、流速较大的渗流场监测等缺点。

本发明为解决上述问题，采用以下技术方案：

一种岩土体渗流速率分布式监测方法，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆埋设于岩土体中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，包括加热光缆和感测光纤；

步骤二、对步骤一所述碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据处理分析系统采集、分析步骤二得到的温度值，确定碳纤维光缆特征温度值，根据碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,计算出岩土体渗流速率，其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数，通过标定试验确定；所述碳纤维光缆特征温度值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场稳定时的温度。

进一步地，步骤一所述加热光缆包括碳纤维加热丝、导线、内护套和外护套，碳纤维加热丝位于内护套和外护套之间，导线连接在碳纤维加热丝两端；所述感测光纤位于加热光缆中心，由内到外依次包括纤芯、包层、涂敷层和护套。

进一步地，步骤一所述碳纤维光缆按绕圈密度为75-330圈/m缠绕在管外径5-20cm的管子上，将所述管子封装保护后再埋设于岩土体中。

进一步地，所述管子为PVC管或金属管或软管。

进一步地，步骤三所述标定试验，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆埋设于若干组预配渗流速率的岩土体中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，包括加热光缆和感测光纤；

步骤二、对步骤一所述各碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录各碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据处理分析系统采集、分析步骤二得到的温度值，确定各碳纤维光缆特征温度值，拟合出碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数；所述碳纤维光缆特征温度值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场稳定时的温度。

一种岩土体渗流速率分布式监测系统，包括电源与电流控制系统、碳纤维光缆、DTS解调设备、数据处理分析系统；所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，包括加热光缆和感测光纤，所述加热光缆包括碳纤维加热丝、导线、内护套和外护套，碳纤维加热丝位于内护套和外护套之间，导线连接在碳纤维加热丝两端；所述感测光纤位于加热光缆中心，由内到外依次包括纤芯、包层、涂敷层和护套；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述碳纤维光缆；所述导线连接电源与电流控制系统，所述感测光纤连接DTS解调设备，所述DTS解调设备再与数据处理分析系统连接。

本发明原理：埋设于岩土体中具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，在恒定电流作用下，根据欧姆定律，会以额定功率产生热量。碳纤维光缆被加热后会对周围岩土体发散热量，碳纤维光缆以及周围的岩土体也被加热至一定温度。岩土体的导热特性与岩土中的渗流存在密切的关系，渗流能够将岩土体中的热量吸收并带走，使岩土体降温，降温的程度与渗流速率成正比线性关系。当渗流速率较小时，渗流在单位时间内带出的热量就小，对岩土体的降温影响也就小；而当流速较大时，渗流带走的热量就多，对岩土体的降温影响也就大；当渗流带走的热量与加热碳纤维光缆产生的热量相等时，就达到热量动态平衡，碳纤维光缆及周围岩土体的温度也就不会发生变化。我们把达到热量动态平衡时，碳纤维光缆所测得的温度称为特征温度。显然特征温度的大小与渗流速率同样成线性关系。根据这一原理，通过DTS测定碳纤维光缆特征温度值，就可以得到碳纤维光缆沿线的渗流流速分布。

本发明有益效果：

（1）采用了碳纤维光缆内加热的方法，对碳纤维光缆进行主动加热，使碳纤维光缆与周围岩土间产生较大的温差，大大提高了DTS解调设备对渗流速率的监测精度和敏感性；

（2）温度特征值T_max概念的提出，使岩土体渗流速率V的分布式监测变得容易和简单；

（3）分布式监测的特点，可对长距离、大范围的不均匀渗流场进行掌控。

（4）本发明系统安装简单、测量精确、自动化程度高、性能价格比好。

附图说明

图1是基于DTS碳纤维光缆的渗流场分布监测系统示意图。

图2是碳纤维光缆的剖面示意图。

图3是数据处理分析系统界面示意图。

图4是实施例1标定试验装置。

图5是实施例1标定试验渗流速率与碳纤维光缆特征温度间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更进一步的解释。

如图1和图2所示，一种岩土体渗流速率分布式监测系统，包括电源与电流控制系统1、碳纤维光缆2、DTS解调设备3、数据处理分析系统4。图1中A和B表示两处不同渗流大小的发生区域。

所述碳纤维光缆2为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，包括加热光缆和感测光纤15，所述加热光缆包括碳纤维加热丝5、导线10、内护套6和外护套7，碳纤维加热丝5位于内护套6和外护套7之间，导线10连接在碳纤维加热丝5两端；所述感测光纤15位于加热光缆中心，由内到外依次包括纤芯8、包层、涂敷层和护套9，其中，纤芯8和包层为感测光纤15的主体，对光波的传播起着决定作用，而涂敷层与护套9主要用于隔离杂光。加热光缆对感测光纤15进行加热，人为地使感测光纤15与周围岩土体环境产生足够的温差以提高测量精度和敏感性，同时加热光缆还使感测光纤15的整体强度增强，起到了保护作用。以下实施例采用的碳纤维光缆2是苏州南智传感科技有限公司生产的碳纤维内加热温度感测光缆NZS-DTS-C11。

所述DTS解调设备3是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述碳纤维光缆2，目前国内外均有十分成熟的相关产品，一般测温精度0.1℃，空间分辨率1米，测量长度20-30公里。以下实施例采用的是苏州南智传感科技有限公司生产的DTS06解调仪对岩土体中的光纤温度进行了分布式测量。

所述数据处理分析系统4由数据采集系统和数据处理软件构成，集标定、数据采集、结果呈现与数据处理功能为一体，可进行环境温度标定，设置监测对象以及感测光缆采样时间间隔、空间分辨率等。以下实施例采用的数据处理分析系统4为苏州南智传感科技有限公司研发的基于DTS解调设备3的DTS06解调仪的配套数据分析系统。集监测开始前软件自动进行环境温度标定，以确定前述关系式中的修正系数。标定结束后设置监测对象以及光缆采样时间、空间间隔，保存数据形式以及保存时间间隔。软件界面由自动与半自动界面组成。自动界面显示了该监测环境下的采样空间、时间间隔，光缆长度以及由前述采样空间决定的不同位置的上一次采集温度数据；半自动界面能进行查看光缆任意点的历史温度数据、累计采样时间以及温度报警值、流速报警值等设置的操作。如图3所示。在沿光缆长度的A、B两处，特征温度值发生突变，表明A、B两处由于水的流动使得光缆温度降低，即A、B两处发生了渗流现象。根据获得特征温度值与渗流速度的关系，即可以获得发生在A、B两处的渗流速度。

所述导线10连接电源与电流控制系统1，所述感测光纤15连接DTS解调设备3，所述DTS解调设备3再与数据处理分析系统4连接。

碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率线性关系标定试验，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆2埋设于若干组预配渗流速率的岩土体中；

步骤二、对步骤一所述各碳纤维光缆2进行通电加热，利用DTS解调设备3解调、记录各碳纤维光缆2通电加热过程中的温度值；

步骤三、运用数据处理分析系统4采集、分析步骤二得到的温度值，确定各碳纤维光缆特征温度值，拟合出碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数；所述碳纤维光缆特征温度值为通电加热后碳纤维光缆2形成的温度场稳定时的温度。

待测岩土体渗流速率的测定按照上述方法测定，得到碳纤维光缆温度特征值，根据上述拟合出的碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV，计算出待测岩土体渗流速率。

所述碳纤维光缆特征温度值T_max是指当岩土体中发生渗流时，埋设在渗流场中的碳纤维光缆加热后升温，并在一定的渗流速度下温度趋于稳定，这个趋稳温度即是碳纤维光缆特征温度值。这是一个相对的概念，在实际监测中，为了提高监测效率，可通过初始测量，确定趋稳时间，即在现场安装调试后，运行解调设备，获得在现场工况下的温度趋于稳定的时间，即在该工况下的精确趋稳时间。可以通过温度与时间的变化率（ΔT/Δt）来确定碳纤维光缆特征温度值，即对于温度数据，在光缆某处测得的温度连续5分钟每一分钟的变化不大于0.01℃时，即可认为该温度即为特征温度值。变化率具体取多少取决于监测对象和工作效率，如对于绝大多数监测对象，当温度与时间的变化率小于0.01℃/min时，即可认为该温度为特征温度值，当大于0.01℃/min时，则认为该温度还未达到特征温度值，仍然需要继续对其加热使其变化率达到或小于0.01℃/min。

在碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率间的关系中，常数a和b的取值取决于碳纤维光缆的发热功率、测量对象的热力学性质和测量精度等，通过室内外试验确定。由于砂土和粘性土的组成成分均以硅、氧等元素组成，热力学参数很接近，因此岩土体成分对a和b值的取值影响不大，而岩土体中渗流的方式如裂隙水与孔隙水等对a和b取值有一定影响，因此应根据实际地质结构，通过室内外模型试验加以率定确定。

根据被监测岩土体渗流的特点，将碳纤维光缆通过钻孔、挖掘埋设等手段埋设在岩土体中即可监测。由于目前DTS技术的空间分辨率只有1米，因此为了提高监测精度，可设计管外径5-20cm的PVC或金属管或软管，将碳纤维光缆按绕圈密度为75-330圈/m缠绕在管子上，再将管子封装保护后，埋设到岩土体中，这样可大大提高分布式监测的空间分辨率。提高多少可根据下面的公式来计算：

将直径为r的碳纤维光缆螺旋式均匀缠绕在管外径为d，长度为L₀的圆形管上，盘绕的碳纤维光缆总长度L与绕圈密度n有L≈nπdL₀，那么可以计算出螺旋缠绕使得碳纤维光缆的长度增加了nπd倍，因此空间分辨率也提高了nπd倍。如所用的碳纤维光缆绕圈密度为320圈/m，管外径5cm，计算后空间分辨率提高约50倍，达到2cm。

实施例1

下面以饱和粘性砂土测定渗流速率试验为例，说明本监测方法的具体实施过程，但本监测方法的应用范围不限于此。

碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率线性关系标定试验

步骤一、将碳纤维光缆埋设于预配渗流速率的粘性砂土中：

如图4所示，将碳纤维光缆两端剥开一段，去除外层的橡胶护套，同时避免碳纤维加热丝的破损与断裂，然后在两端裸露的碳纤维加热丝上接出导线10。然后将碳纤维光缆按绕圈密度330圈/m缠绕在外径为10cm的PVC管11上，确保加热过程中整个PVC管11能够均匀受热，同时增大了DTS测量的空间分辨率。将PVC管11两端密封，防止土与水进入PVC管11内部。将缠好碳纤维光缆的PVC管11放入测定管道12的中轴线上，所述测定管道12为PVC管，并在测定管道12中填饱和粘性砂土使PVC管11固定，将砂土击实后，在测定管12两端套上转向管道Ⅰ13、转向管道Ⅱ14，将导线10与感测光纤15从转向管道Ⅰ13和转向管道Ⅱ14中引出来，导线10连接至电源与电流控制系统，感测光纤15连接至DTS解调设备。所述测定管12上有若干均匀排列的进水孔16和出水孔17，将进水管18与出水管19分别连接进水孔16与出水孔17上并固定，在进水管上18安装渗流速率控制装置20，放入进水箱21中，出水管19放入出水箱22中。

步骤二、对碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值：

碳纤维光缆通电加热电压为220v，功率为500w，在不通水情况下测定碳纤维光缆在饱和粘性砂土中的升降温数据，随后调节进水量，以固定数值增加渗流速率，采集在不同渗流速率下感测光纤15的温度升降数据。DTS解调设备每一分钟读取并保存一次感测光纤15温度数据。试验中，进水孔16先打开，让水流稳定后，对碳纤维光缆加热。加热过程中，保持渗流速率稳定，一直加热至感测光纤15温度不再升高为止。停止加热后，继续保持当前渗流速率，使感测光纤15逐渐降温，直至温度降至稳定后停止采集数据。

步骤三、运用数据处理分析系统采集、分析步骤二得到的温度值，确定各碳纤维光缆特征温度值，拟合出碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数：

根据试验数据得到的不同渗流速率下碳纤维光缆的特征温度数据，选取若干个特征点的温度时程曲线，不同特征点的温度时程曲线具有相同的变化规律且吻合度较高，因此可以采用算术平均方法，将这若干条时程曲线拟合为该流速下管道整体温度变化的特征时程曲线，并绘制出渗流速率-特征温度的关系曲线，如图5所示。从图5可以看出，渗流速率与光缆达到的特征温度呈近似线性关系，因此可以根据该线性关系，通过测定感测光缆的特征温度数据，获得所测岩土体内部渗流场渗流速率。

Claims (5)

1.一种岩土体渗流速率分布式监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆埋设于岩土体中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，包括加热光缆和感测光纤；

步骤二、对步骤一所述碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据处理分析系统采集、分析步骤二得到的温度值，确定碳纤维光缆特征温度值，根据碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,计算出岩土体渗流速率，其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数，通过标定试验确定；所述碳纤维光缆特征温度值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场稳定时的温度。

2.根据权利要求1所述的岩土体渗流速率分布式监测方法，其特征在于，步骤一所述加热光缆包括碳纤维加热丝、导线、内护套和外护套，碳纤维加热丝位于内护套和外护套之间，导线连接在碳纤维加热丝两端；所述感测光纤位于加热光缆中心，由内到外依次包括纤芯、包层、涂敷层和护套。

3.根据权利要求1所述的岩土体渗流速率分布式监测方法，其特征在于，步骤一所述碳纤维光缆按绕圈密度为75-330圈/m缠绕在管外径5-20cm的管子上，将所述管子封装保护后再埋设于岩土体中。

4.根据权利要求3所述的岩土体渗流速率分布式监测方法，其特征在于，所述管子为PVC管或金属管或软管。

5.根据权利要求1所述的岩土体渗流速率分布式监测方法，其特征在于，步骤三所述标定试验，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆埋设于若干组预配渗流速率的岩土体中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，包括加热光缆和感测光纤；

步骤二、对步骤一所述各碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录各碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据处理分析系统采集、分析步骤二得到的温度值，确定各碳纤维光缆特征温度值，拟合出碳纤维光缆特征温度值与岩土体渗流速率的线性关系T_max＝b-aV,其中T_max为碳纤维光缆特征温度值，V为岩土体渗流速率，a和b为常数；所述碳纤维光缆特征温度值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场稳定时的温度。