CN103924547A - 一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，包括上、下游之间具有水头差的水槽和拦筑在水槽上、下游之间的坝体模型，还包括测温主机和连接到测温主机用于测温的温感光纤，温感光纤包括敷设在坝体模型内的测温段，测温段上在其长度方向上连续绕结成多个依次相连的测温环，每个测温环内的温感光纤舒展长度在3m与10m之间，相邻测温环之间的余留温感光纤长度大于0.5m。本发明通过DTS系统中原本直的温感光纤上绕束出多个测温环以解决传统DTS系统对于小尺寸坝体模型测分辨率不够的问题，提高了DTS系统中在小尺寸坝体模型的测温精度。

Description

一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型

技术领域

本发明涉及一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型。

背景技术

渗漏和管涌是堤坝破坏的主要原因，对堤内温度的监测是探测和识别渗流和渗漏的有效手段，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。近年以来，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，分布式光纤温度传感系统可对数十千米长度上的温度实现空间分辨率为1m甚至0.5m的长期连续监测，且能准确定位。

在检测时，利用光在光纤中传输能产生拉曼散射的原理，分布式光纤测温系统（DTS）从主机激光注入端向光纤内发射激光，光脉冲引起光纤内分子热振动，产生一个比光源波长长的光，称为斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光，如图1所示。当某点温度发生变化时，光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光光强会发生相应变化，根据Anti-Stokes与Stokes的光强比值就可以求出该点的温度，如下式，利用这一原理可以实现对光纤沿程温度的分布式测量。

$\frac{I_{\mathrm{Anti}-\mathrm{stokes}}}{I_{\mathrm{Stokes}}}={\left(\frac{v-v_i}{v+v_i}\right)}^4{e}^{-\frac{\mathrm{hv}}{\mathrm{kT}}}$

式中：v是激发光的频率，v_i是振动频率，h、k为常数，T是绝对温度。

光脉冲沿光纤传输时，在光纤内每一点都会产生散射，且该散射是各向同性的，其中一部分将沿光纤返回。如果从光脉冲进入光纤时开始计时，则不同时刻t在注入端收到的散射回波信号便表征着该信号是由距注入端为L处的光纤处所产生：

$L=\frac{\mathrm{Vt}}{2}$

式中：L为产生散射的位置，即散射点距注入端的距离；V为光在光纤中的传播速度，t为从光脉冲进入光纤到接收到回波信号的时间差。

但是，堤坝的渗流和渗漏是一个由发生到发展的缓慢过程，严重时才会形成管涌，用于科学研究试验期的实地长期监测不现实且具有一定难度；对同一种渗流过程不能任意选取，不利于研究的进行。因此，构建一个堤坝渗流模拟装置，以此作为研究渗流浸润线位置分布、渗流引起堤坝内温度场的变化规律等的平台，研究渗流场与温度场（温感光纤信号）之间的关系规律，可以为确定堤坝安全监测预警系统的报警阈值提供依据。

传统在对坝体进行模拟渗流实验时，通过在坝体模型内离散分布多个感温探头进行温度的测量，多个感温探头通过多根导线将测得值发送到测量主机，再通过感温探头的空间坐标绘制出该坝体模型内的温度场分布。但是这种测量方法存在以下缺陷：1、分别用于连接到多个感温探头的多根导线将会在坝体模型内部形成“经络”结构，影响坝体模型的拟真度，也影响了实验的准确性和还原度；2、传统感温探头的温度测量分辨率不高，准确度不高和精度不高。

目前也有研究人员在坝体模型内设置类似实际坝体内的DTS以测量温度。如公开号为CN103364321的中国专利申请公开了：“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”这种实验平台虽然可不在坝体内敷设杂乱的导线，但也有其固有的缺陷：目前光纤测量系统的空间分辨率基本为1米，光纤对应点的量测值是1米范围内的累积值，应用于实际大坝工程是可行的，但在较小尺寸的模型试验中，无法准确测量某点温度，因此不能适用于小尺寸的室内坝体模型，在室内小尺寸的模型试验中，却无法通过直接敷设准确测量某点结果；另外，在此专利申请中的光纤内还设有负载发热电阻丝，不利于实现最佳程度的拟真。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种设有DTS系统的用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，该实验坝体模型可以避免传统温感光纤在测量小尺寸坝体模型时空间分辨率不够的情况发生。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，包括上、下游之间具有水头差的水槽和拦筑在所述水槽上、下游之间的坝体模型，所述坝体模型的高度60～80cm，顶宽25～35cm，上下游坡度为1：1.5～1：1.8，所述水槽上游设有蓄水池，还包括测温主机和连接到所述测温主机用于测温的温感光纤，所述温感光纤包括敷设在所述坝体模型内的测温段，所述测温段在其长度方向上连续绕结成多个依次相连的测温环，每个测温环内的温感光纤舒展长度为3m～10m，所述测温环绕制成曲率均大于0且小于0.05mm-1的多匝，相邻测温环之间的余留温感光纤长度大于0.5m。

本发明的有益效果是：

由于模型较小，受光纤空间分辨率的限制，所用光纤必须把一定长度的光纤绑扎成捆作为测点，本发明通过将传统DTS系统中原本直的温感光纤上绕束出多个测温环以解决传统DTS系统对于小尺寸坝体模型测分辨率不够的问题，提高了DTS系统中在小尺寸坝体模型的测温精度；还进一步地通过实验找出具有最佳测温精度测温环的舒展长度和曲率。本发明中的实验坝体模型在实验时不仅可以方便地的检测到内部各点的温度值，同时还可以避免传统感温探头因导线而在坝体内部产生经络结构从而影响对坝体的实际模拟。

上述技术方案的完善和改进有：

由于实验水槽较窄，为减少外界温度对光纤段测温的影响，进一步把光纤扎捆成“8”字形，并有利于进一步绘制平滑的温度场曲线，所述测温环内的温感光纤舒展长度为3m，所述测温环扭叠且捆束成线条流畅的“8”字形，所述“8”字形任意一处的曲率均小于0.05mm^-1。在光纤敷设时将“8”字形测温环长度方向与坝体的长度方向设置一致。同样可以进行的变换是：所述测温环内的温感光纤舒展长度为3m，所述测温环压扁成椭圆形，所述椭圆形在其长轴两端处的曲率小于0.05mm^-1。

为了可以检测到坝体模型内部的各点温度，所述温感光纤在所述坝体模型内蜿蜒敷设有多层，每层平面内的温感光纤呈S形分布，所述多个测温环在所述坝体模型内均匀分布。

为了在较短时间内模拟较长时间内温度场与渗流场的变化关系，所述水槽上游还设有通过热水管道相连的加热水箱和调温水箱，所述调温水箱与所述水槽之间通过温水管道连通，所述温水管道的进水端设于调温水箱内，所述温水管道的出水端处设有潜水泵，所述潜水泵的出水口设于水槽的上游处，所述坝体模型上设有测压水管，所述水槽的两侧为有机玻璃，底部为钢板，顶端开口。

附图说明

下面结合附图对本发明的一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型及其实验方法作进一步说明。

图1是拉曼散射光分析示意图；

图2是拦筑在水槽中的坝体模型结构示意图；

图3是温感光纤在坝体模型内部的分布示意图；

图4是实施例一中测温环的结构示意图；

图5是实施例一中t=120min时的温度场分布图；

图6是实施例一中t=180min时的温度场分布图；

图7是实施例一中t=240min时的温度场分布图；

图8是实施例一中t=300min时的温度场分布图；

图9是实施例一中t=360min时的温度场分布图；

图10是实施例一中测温环曲率与温度相对误差关系图；

图11是实施例三中“8”字形的测温环结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图2、图3和图4所示，本实施例中的用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型包括上、下游之间具有水头差的水槽1和拦筑在水槽1上、下游之间的坝体模型2，坝体模型2的高度60cm，顶宽25cm，上下游坡度为1：1.5，水槽1上游设有蓄水池，蓄水池与水槽1的上游连通，还包括测温主机和连接到测温主机用于测温的温感光纤3，温感光纤3包括敷设在坝体模型2内的测温段，测温段上的温感光纤3在其长度方向上连续绕结成多个依次相连的测温环4，每个测温环4内的温感光纤3舒展长度为3m，温感光纤3在测温环4内绕制成多匝曲率为0.041mm^-1的环，相邻测温环4之间的余留温感光纤3长度大于0.5m，余留温感光纤3是指相邻测温环4之间的光纤长度。

温感光纤3在坝体模型2内蜿蜒敷设有多层，每层平面内的温感光纤3呈S形分布，多个测温环4在坝体模型2内均匀分布。

水槽1上游还设有通过热水管道相连的加热水箱和调温水箱，调温水箱与水槽1之间通过温水管道连通，温水管道的进水端设于调温水箱内，温水管道的出水端处设有潜水泵，潜水泵的出水口设于水槽1的上游处，坝体模型2上设有测压水管，水槽1的两侧为有机玻璃，底部为钢板，顶端开口。

利用本实施例中模型研究大坝渗流场与温度场之间关系的模拟实验包括以下步骤：

A、构筑坝体模型2，如图2所示，在上、下游之间具有水头差并用于模拟实际河道的水槽1中筑坝。坝体拦筑在水槽1上、下游之间。水槽1的两侧为有机玻璃，水槽1的底部为钢板，顶端开口；

如图3所示，在水槽1底板上的预设位置处填筑5cm厚的第一层沙土，并将温感光纤3呈S形蜿蜒敷设在第一层沙土上。在第一层沙土上覆盖第二层沙土，再将温感光纤3牵引到第二层沙土上以同样的S形蜿蜒敷设，依次向上逐层构筑直至坝体模型2筑成，温感光纤3在坝体模型2内埋设6层。在坝体模型2上设置测压水管。坝体材料为均质粉细砂，共完成土方约0.5m³，其渗透系数=5×10^-3cm/s，上下游坡度为1：1.5，坝体模型2的高度60cm，顶宽25cm；

如图4所示，敷设在坝体模型2内的温感光纤3测温段以每3m为一段在其长度方向上绕结成多个测温环4，相邻测温环4之间的余留温感光纤3长度为0.5m；温感光纤3的一端连接到测温主机，在本实验中测温主机采用英国Sensornet公司生产的Sentinel-DTS分布式温度测量系统；

B、在水槽1上游位置处设置蓄水池、加热水箱和调温水箱，加热水箱和调温水箱通过管道相连，通过加热水箱将水加热至70℃，并将该70℃的热水与室温下的自来水一并倒入调温水箱中拌和到45℃。并用潜水泵输送至水槽1中，在渗流演进过程中，适时补充上游缺水以将上游水位维持在60cm处，以蓄水到60cm时刻为基准时间，在本次实验中从此刻开始到下游有渗水出现的时间约为100min，坝体渗流基本稳定；

C、光纤连续测温，测量时间为1min，共持续360min，同时，每隔10min观测一次测压管水位与坝体渗透流量，其中坝体流量一次观测3个样本，采用定水量300mL并结合时间的记录方式；

D、分别降低上游水位至50cm与40cm处，采用与步骤C中相同的测量方式，分别观测120min；

E、将测得温度值与渗流量绘图，本实施例中制得图如图5、图6、图7、图8和图9所示。

为了区别舒展长度为3m的测温环4与直接光纤点测温效果，进行以下步骤的测温效果对比实验：

1）直接光纤点测：将第一根光纤接入Sentinel-DTS，同时准备三杯热水，将光纤的10m、20m、30m点放入水杯内。打开Sentinel-DTS测温，同时用精度为1.0℃的热电偶温度计测温做比较（表1中DTS测值点位置分别是10.4m、20.555m、30.71m，与光纤放入水杯中的实际空间位置10m、20m、30m并不一致，与光纤放入水杯中的实际空间位置10m、20m、30m并不一致，主要是由于DTS起始点为0.247m和测点间距为0.508m所致）。

表110m、20m、30m单点光纤测温与温度计测温对比。

注：室内温度为8.14℃

2）3m长测温环4测量法：将第二根光纤接入Sentinel-DTS，并将预先绑扎好的5捆光纤17m～20m，23.5m～26.5m，30.5m～33.5m，37.5m～40.5m，44.5m～47.5m，分别放入5个热水桶之内，Sentinel-DTS自动测温，同时用热电偶温度计测温。

表23m长测温环4测温与热电偶测温对比

注：室内温度为8.14℃

3）结合步骤1）和2），采用测温环4测温测量法测出的温度值与热电偶温度测值基本相同，测温精度明显比光纤点测温提高很多。

发明人还进行了测温环4曲率对测温效果的影响试验，具体步骤如下：

①布置光纤，使测温环4具有足够的曲率；

②校正光纤，调整光纤参数，设置测温时间为60s，连续不间断测温。

③打开DTS系统测温，获取初始光纤的读数。

④依次调节测温环4的曲率，共操作8次。相对温差的计算以初始温度为基准。表3中给出了不同测温环4长度情况下的温度测量值、测温环4的曲率、所测温度值与初始值的相对差值；图11给出了测温环4曲率与温度测量相对误差的关系曲线。

表3测温环4曲率与温度测量误差关系

由表3结合图10可发现，随着测温环4曲率的增大，光纤测温的误差也随之增大，但是增加速率有所减缓；当曲率为0.047mm^-1时，相对误差达到1.07%，因此可以把测温环4曲率临界值定义在0.05mm-¹，作为今后实验捆扎光纤的控制值。在本实施例中为了保证较低的测量误差，将测温环4的曲率选择为0.041mm^-1。

实施例二

本实施例中的用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型2包括上、下游之间具有水头差的水槽1和拦筑在水槽1上、下游之间的坝体模型2，坝体模型2的高度80cm，顶宽35cm，上下游坡度为1：1.8，水槽1上游设有蓄水池，蓄水池与水槽1的上游连通，还包括测温主机和连接到测温主机用于测温的温感光纤3，温感光纤3包括敷设在坝体模型2内的测温段，测温段上的温感光纤3在其长度方向上连续绕结成多个依次相连的测温环4，每个测温环4内的温感光纤3舒展长度为3m，温感光纤3在测温环4内绕制成多匝曲率为0.047mm^-1的环，相邻测温环4之间的余留温感光纤3长度大于0.5m。

温感光纤3在坝体模型2内蜿蜒敷设有多层，每层平面内的温感光纤3呈S形分布，多个测温环4在坝体模型2内均匀分布。

水槽1上游还设有通过热水管道相连的加热水箱和调温水箱，调温水箱与水槽1之间通过温水管道连通，温水管道的进水端设于调温水箱内，温水管道的出水端处设有潜水泵，潜水泵的出水口设于水槽1的上游处，坝体模型2上设有测压水管，水槽1的两侧为有机玻璃，底部为钢板，顶端开口。

通过本实施例中坝体模型2的实验方法，包括以下实验步骤：

A、在用于模拟实际河道的水槽1底板上筑坝。水槽1的两侧为有机玻璃，水槽1的底部为钢板，顶端开口。在水槽1底板上的预设位置处填筑5cm厚的第一层沙土，并将温感光纤3呈S形蜿蜒敷设在第一层沙土上。如图3所示，在第一层沙土上覆盖第二层沙土，再将温感光纤3牵引到第二层沙土上以同样的S形蜿蜒敷设，依次向上逐层构筑直至坝体模型2筑成，温感光纤3在坝体模型2内埋设6层。坝体材料为均质粉细砂，共完成土方约0.7m³，其渗透系数=5×10^-3cm/s，上下游坡度为1：1.8，坝体模型2的高度80cm，顶宽35cm；

敷设在坝体模型2内的温感光纤3测温段以每3m为一段在其长度方向上绕结成多个测温环4，测温环4内的温感光纤3绕制成多匝曲率均为0.047mm^-1的环，相邻测温环4之间的余留温感光纤3长度为0.8m；

B、在水槽1上游位置处设置蓄水池、加热水箱和调温水箱，加热水箱和调温水箱通过管道相连，通过加热水箱将水加热至70℃，并将该70℃的热水与室温下的自来水一并倒入调温水箱中拌和到45℃。并用潜水泵输送至水槽1中，在渗流演进过程中，适时补充上游缺水以将上游水位维持在70cm处；

C、光纤连续测温，测量时间为1min，共持续180min，同时，每隔10min观测一次测压管水位与坝体渗透流量，其中坝体流量一次观测3个样本，采用定水量300mL并结合时间的记录方式；

D、分别降低上游水位至50cm与40cm处，采用与步骤C中相同的测量方式，分别观测120min。

E、将测得温度值与渗流量绘图，图略。

实施例三

由于实验水槽1较窄，为减少外界温度对光纤段测温的影响，有利于进一步绘制平滑的温度场曲线，如图11所示，在上述实施例基础上，本实施例中测温环4内的温感光纤3舒展长度为3m，测温环4扭叠且捆束成线条流畅的“8”字形，“8”字形的任意一处的曲率均小于0.05mm-1。在光纤敷设时将“8”字形测温环4长度方向与坝体的长度方向设置一致。另外采用3m中的后1.5m范围内的测温平均值近似为测点温度。

同样可以进行的变换是：测温环4内的温感光纤3舒展长度为3m，测温环4压扁成椭圆形，椭圆形在其长轴两端处的曲率小于0.05mm^-1。

实施例四

在实施例一、实施例二或实施例三中实验方法步骤之后均还可以再进行第二阶段的对比实验，对比实验步骤包括：

F、通过调温水箱将水温调配到40℃并输送至水槽1，持续作用180min，采用与步骤C中相同的测量方式，获取坝体温度和流量；

G、利用土工布铺设在坝体上游，迅速抽空上游热水，并快速充入自来水，模拟库水温变化作用；

H、分别控制上游水位为60cm、50cm与40cm，采用与步骤C中相同的测量方式，分别观测120min。

本发明的不局限于上述实施例，凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，包括上、下游之间具有水头差的水槽和拦筑在所述水槽上、下游之间的坝体模型，所述坝体模型的高度60~80cm，顶宽25~35cm，上下游坡度为1：1.5~1：1.8，所述水槽上游设有蓄水池，还包括测温主机和连接到所述测温主机用于测温的温感光纤，所述温感光纤包括敷设在所述坝体模型内的测温段，其特征在于：所述测温段在其长度方向上连续绕结成多个依次相连的测温环，每个测温环内的温感光纤舒展长度为3m~10m，所述测温环绕制成曲率均大于0且小于0.05mm^-1的多匝，相邻测温环之间的余留温感光纤长度大于0.5m。

2.根据权利要求1所述用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，其特征在于：所述测温环内的温感光纤舒展长度为3m，所述测温环扭叠且捆束成线条流畅的“8”字形，所述“8”字形任意一处的曲率均小于0.05mm^-1。

3.根据权利要求1或2所述用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，其特征在于：所述温感光纤在所述坝体模型内蜿蜒敷设有多层，每层平面内的温感光纤呈S形分布，所述多个测温环在所述坝体模型内均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述用于大坝渗流场与温度场之间关系实验研究的坝体模型，其特征在于：所述水槽上游还设有通过热水管道相连的加热水箱和调温水箱，所述调温水箱与所述水槽之间通过温水管道连通，所述温水管道的进水端设于调温水箱内，所述温水管道的出水端处设有潜水泵，所述潜水泵的出水口设于水槽的上游处，所述坝体模型上设有测压水管，所述水槽的两侧为有机玻璃，底部为钢板，顶端开口。