CN105698897A - 一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的分布式光纤传感监测技术方案与系统。其光解调仪采用高精度的预脉冲布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA或布里渊-瑞利合成系统;其传感光缆釆用电热能量充足的光电复合缆，保障电热温升幅度在光纤-浸润线交点处的突变信号，得以可靠识别；系统信噪比高达10~20以上，得以实现浸润线和坝基地下水位的观测高效且可靠。它能用于土石坝浸润线和坝基防渗帷幕地下水位的大范围-时空双覆盖的在线遥测。其“一机多能”的优势显著，可兼测大坝集中渗漏、水库淤沙等等。提供了具体实施方式，包括针对浸润线及地下水位监测的传感光缆的布置方法-光缆敷设的波浪型式及技术细节，得以切实保障光纤存活率并最大限度地减少对大坝施工的干扰。

Description

一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统

技术领域

本发明涉及一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术型式及系统，能够实现当地材料堤坝-尤其高土石坝浸润线及其坝基防渗帷幕地下水位的高效可靠的实时在线遥测。

背景技术

土石坝的浸润线监测是大坝安全监测的一个重要项目，据此掌握大坝运行期的渗流状态及其时空演化趋势，对于评价土石坝的工作状况和安全状态、对于预判是否会面临渗漏事故的潜在风险，具有重要意义。现用的测压管、渗压计等常规设备，属于单点式监测，具有釆集信息量少、难以捕捉到事故的早期信号、可靠耐久性差强人意、测压管易堵且滞后、人工操作多等缺点。

近年来，大坝安全监测领域开始关注研发运用光纤传感以监测土石坝浸润线的方法。基于温度示踪方法，通过电加热光纤，观测浸润线处的光纤温升量的突变，据此实现对浸润线的定位。国家发明专利“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”（公开号CN103353322A），提出了采用拉曼型DTS系统进行温度观测，其传感光纤釆用垂直向-直线形、埋设在坝体中，从坝底竖直向一直延伸到接近坝顶和下游坝坡，用U形折返、数个波次覆盖坝宽。其优选实例给出的含水率8.5%土料的加热温升，为2~8oC。

从工程实用的角度考量，该方法的问题主要有三：

（1）光纤存活率保障困难：垂向布置致使光纤敷设过程相当漫长，几乎与大坝填筑期一样，在高坝工程要历时数年，光纤经历百余个填筑层的运土-压实作业的“磨难”，时时有损坏风险；断纤融接头过多，不利于光信号质量。总之，光纤现场保护难度大，严重威胁其存活率。众知，光纤存活率是光纤传感在大型工程应用中最为棘手的问题。

（2）对大坝施工有干扰：在坝长范围内需布置多个监测断面，每断面上有多个光纤与填筑面相交，光纤敷设作业会干扰施工，这在心墙型高土石坝尤其明显。

（3）系统信噪比偏低：拉曼散射光强极弱（比瑞利散射小1000倍^［1］），这限制了它的空间分辨率为米级（0.5-1m）。这对于光纤-浸润线相交点这种温度突变处的观测特别不利，因为在分辨率范围内温度效应会被平均化、误差增大。拉曼型解调仪量程大而精准度（±1oC）不够理想，对于浸润线这样一种温度梯度较高的区域，其空间分辨率范围内的平均化效应，更增加了误差源。再结合上述光纤温升仅为2~8oC的量级，导致全系统的信噪比（SNR）偏低，以至于有效信号常受到强噪声干扰。故拉曼型DTS传感系统难以适用于高坝的狭小局部温度突变-精度要求又高的场合。

可见，拉曼光纤测温的通常产品对于高坝渗漏早期征兆捕捉的高要求而言，其SNR偏低，实用性尚不理想。SNR低时观测量“极易被观测误差所掩盖”^［2］。

主要参考文献：

[1]祝宁华等，光纤光学前沿.科学出版社.

[2]魏德荣等.电力行业标准DJ/T5078-2003《混凝土坝安全监测技术规范》修订介绍.大坝与安全，2003年6期.

发明内容

综上可见，现提出的拉曼型分布式光纤传感系统对于土石坝浸润线监测尚缺乏工程应用价值。

本发明具体提供了基于高精度的布里渊系统/布里渊—瑞利合成系统的高SNR分布式光纤传感监测的技术及系统，技术方案如下：

技术方案

（一）技术方案所依据的科学原理

（1）光纤光学原理：在光纤光学领域的布里渊散射理论表明，布里渊散射光频移取决于光纤应变和温度，故通过测量布里渊频移就可测定光纤应变和温度，经二者解耦可得光纤沿程的温度分布。

高精度的PPP-BOTDA（预脉冲布里渊光时域解调仪），其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm、温度精度0.1~0.35oC。高精度的布里渊-瑞利合成系统（HybridBrillioun-Rayleighsystem）近期业已产品化，具备类似的分辨率和精度，还可实现温度-应变二参量的自动解耦^［3、4］。这些为提高系统的信噪比、增强温度观测数据的可靠性提供了亟有利条件。

（2）温度场-渗流场耦合原理：当进行心墙浸润线的观测作业时，首先对加热导线送电，光纤随之升温，在浸润线以上的无渗流-非饱和区，光纤温度约于15~30min后趋于稳定。而在浸润线以下的渗流区内，则出现温度场与渗流场的双场耦合，产生对流散热效应，致使光纤温升幅度大受抑制。质言之，浸润线处出现电热温升幅度的突变。从而，观测光纤电热温升突变点的分布，即可测定心墙浸润线的部位-形态和时空演化。

主要文献：

[3]SylvieDelepine-Lesilleetal.ValidationofCW-COTDRmethodfor25kmdistributedopticalfibersensing,Proc.ofSPIEVol.8794879438-1.

[4]K.Kishidaetal.Studyofopticalfiberstrain-tempereraturesensitivitiesusinghybridBrillouin-Rayleighsystem,PhotonicSensors,DOI:10.1007/s13320-013-0136-1.

（二）系统组成

如附图1所示，系统组成主要包括：工控机/稳压电源---光学解调仪---光开关5---传输光缆1/供电电缆3、4---光电复合缆2---传输光缆1（外设、UPS等配件未示出）。

本技术方案中，有特色的传感噐件是光电复合缆。其构成要件为：

1)温度传感光纤---釆用高质量紧套单模光纤，设3~5路，提供必要的备份和冗余度，并通过数据平均化处理，消除观测随机误差。

2)电热导线---用高规格铜绞合线或合金绞合线，设置约2~3股。

3)无纺布紧护套---在通常的光电复合缆橡胶护套之外，专配无纺布紧套，旨在强化光缆与防渗土料的结合，保障沿光缆表面的防渗性能。

为有效保障系统具有高信噪比、保障渗润线识别定位的有效可靠性，本发明提供的光纤监测系统的关键技术特点有三：

1)光信号解调仪优选高精度的BOTDA或高精度的布里渊-瑞利合成系统，可获得0.2~0.5oC的测温精准度。

2)保证充分的电热能量输入，如优选15~30W/m的量级，而非5~10W/m;保证浸润线以上的光纤温升达到20~25oC的量级(定量上，通过具体工程的应用性测试确定）

3)采用电阻值沿线分布高度稳定的高质量电热导线(电阻率的离散性直接造温度数据的波动)。

（三）布置方式

（1）以心墙堆石坝的心墙浸润线监测为典型示例，如附图2，光电复合缆在心墙内采用水平布置，通常可覆盖全坝长（对分期导流分段施工的坝体可分段布置）。光电复合缆敷设在填筑层面上，平面布置呈波浪形或蛇形。如图3，波峰为圆弧线（半径大约0.5m左右），峰谷间为斜直线（与坝轴线夾角大约30°~60°左右）。在临近岸坡界面处，敷设局部缓S形，注意岸坡上光电复合缆的敷设方式，避免坝体在界面的错动变形损坏光缆。对重大工程和关键部位可釆用网络状布置，如图4。

（2）在心墙平面内光纤在顺河向的布置宽度，宜兼顾心墙防渗安全和浸润线观测的必要范围，光纤转弯弧线的上下游侧，宜各离开心墙边线大约0.2B、0.1B（B为心墙宽度）。

（3）在坝高度上，监测光缆分层-分高程布置，层高宜参照大坝渗流分析计算成果，因地制宜，重点布置在坝体的中高部，层间距大约5~15m的量级。

综上，为了保证心墙防渗性能的完整性、保证埋设光纤的外表面不致成为渗流通道或防渗薄弱环节，本技术方案提供了三重综合措施：

1）光缆采用特有的无纺布紧护套，有效强化了光缆表面与心墙料结合面的防渗能力。

2）光缆埋设槽回填时，采用高粘性防渗土料。

3）光缆的波浪形布置、与坝轴线斜交，使沿光缆的渗径延长约1.2~2倍。

（4）坝基防渗帷幕的防渗效果也是大坝安全的重要监测内容，宜采用上述光纤监测系统一体化一并加以解决。光电复合缆布设在坝基-坝肩的灌浆廊道/灌浆平洞内，用钻孔法垂直敷设。同上，按照加热光纤的温升突变点，确定地下水位。

附图说明

图1土石坝浸润线监测的分布式光纤传感系统的组成

图2心墙堆石坝横剖面的心墙浸润线监测光缆布置示意

图3心墙堆石坝纵剖面的心墙浸润线监测光缆布置示意

图4光电复合缆呈单波浪形的平面布置

图5光电复合缆呈双波浪形的平面布置

附图中部件、部位及编号：

图中1为传输光缆，2为光电复合缆（传感光缆），3、4为供电电缆，5为光开关，6为大坝的堆石体坝壳，7为大坝心墙，8为浸润线，9为光学解调仪。

有益效果

（1）光缆的水平布置方式为保证光纤存活率提供了最佳条件。光缆在每一层填筑面上的敷设作业历时很短（仅约两三天），而前述垂直布置的光缆，要历经百余次的针对每一填筑层的逐段埋设，历时漫长(以年计)，光纤受损风险高。这是该布置方案的要害所在，在工程领域应用光纤监测的实际经验表明：光纤存活率往往直接关乎光纤监测项目的成败。

（2）采用加热法高精度布里渊型/布里渊-瑞利合成型测温，比之于通常的DTS测温系统，其空间分辨率和观测数据的精度，能够有量级上的提高。

（3）在光电复合缆中，大幅度增大电热功率、提供充足加热能量，非渗流-非饱和状态下的光纤温升，得以达到20~25oC的量级，浸润线处的光纤温升值突变的信号，得以翻倍地强化。

（4）由高温升光电复合缆与高精度布里渊型/布里渊-瑞利合成型光解调仪组成的分布式光纤测温系统，其SNR比之于通常的DTS系统提高约1个数量级，能从根本上保障观测数据和渗润线识别定位的有效可靠性。该光纤传感系统的“一机多能”的优势异常显著，对大坝工程的多种功效尤为突出，可兼测大坝集中渗漏、水库淤沙、甚至于监测大坝内部变形等等，共同构成网络化的整体解决。

（5）常规的测压管、渗压计等设备属于单点式监测，布点间距大，空白区域多，形成监测的空间不连续性，对土石坝浸润线的时空形态演化的监测和覆盖能力不足，存在漏测漏报的风险。分布式光纤监测可实现对浸润线的有效时空覆盖和在线实时遥测-预警，相对于常规设备技术上可实现跨越式发展，切实提升大坝安全管理效能。

具体实施方式

（1）光电复合缆采用挖槽法埋设，用偏粘性的心墙料人工回填夯实。

（2）现场未埋设完毕的光缆材料，务需专人妥为保护。

（3）光纤浸润线监测系统的观测作业按分区进行，借助与光学解调仪配套设置的光开关，自动可控实施。对选定的观测区，供电加热大约10~30min，光纤温升趋于稳定，即可由主机采集数据、每区约耗时1~5min（顺此易见，全系统的用电额度和能耗都有限）。

（4）监测坝基防渗帷幕沿线重要部位地下水位的光缆，应在蓄水前敷设，铅直钻孔，光缆敷设后用水泥砂浆回填。

（5）传感光缆在坝体、坝基内敷设后应及时施测，以建立温度初始场。

*本发明为四项国家自然科学基金项目成果（包括实验、试用）。

Claims (3)

1.一种土石堤坝特别是土质心墙堆石坝浸润线监测以及坝基防渗帷幕地下一水位监测的分布式光纤传感技术方案，其技术特征是：采用高精度加热法分布式光纤温度传感测渗系统，实现对坝体浸润线及坝基防渗帷幕地下水位的大范围覆盖和在线遥测-预警。

2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：分布式光纤传感釆用高精度的PPP-BOTDA（预脉冲布里渊光时域分析）系统或布里渊-瑞利合成系统；传感光纤釆用光电复合缆，内含数路传感光纤和数路电热导线，外周配有无纺布紧护套；观测时输入充足的升温能量，使浸润线以上的光纤温升达到约20~30oC的量级，以大幅度强化浸润线-地下水位线处的温度变异信号;系统信噪比（SNR）高，可达约10~20以上;观测数据精度和渗润线及地下水位的定位诊断预警，都能够有效可靠。

3.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：心墙堆石坝监测光缆水平向布设在防渗心墙的填筑层面上，不同高程上平行布置的光缆构成的光纤网络，形成对心墙浸润线形态及其时空变化的大面积覆盖和可靠观测；坝基-坝肩防渗帷幕地下水位监测光纤釆用钻孔敷设；及时有效测定坝体浸润线的位置及坝基防渗沿线地下水位分布和二者的演化发展趋势。