CN109596496A - 一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台 - Google Patents

一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台 Download PDF

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王赵汉
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Abstract

本发明公开了一种基于Si‑DTS的砂性土渗流量监测平台，包括加热系统、渗流系统和分布式光纤测温系统，加热系统包括硅橡胶加热带和供电的交流电源，渗流系统包括模型管和为模型管内砂性土提供渗流的供水系统，分布式光纤测温系统包括测温光缆、与测温光缆依次连接的DTS解调仪和分布式光纤测温主控机，测温光缆缠绕在PVC管外壁上，硅橡胶加热带缠绕在测温光缆外侧，组成测管，分布式光纤测温主控机用于采集和分析感温光纤相应的位置和温度信息。本发明通过加热系统、渗流系统和分布式光纤测温系统测试砂性土中测管的温度介值与渗流量的相对关系，进而获得所测砂性土内部渗流场的渗流量，操作简单，准确度高。

Description

一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台
技术领域
本发明属于砂性土渗流灾害防治领域，具体涉及一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台。
背景技术
对于土石坝、土石堤防等土石结构的安全监测，渗流是最重要的监测内容之一。土石结构的渗流监测主要包括渗透压力、渗流量等项目。传统的土石结构渗流监测系统主要由测量渗透压力的渗压计(或测压管)与测量渗流量的量水堰组成。
近年来的研究发现，温度可以持续通过介质进行传递，这就从而为结构渗流量的监测提供了一个新的温度量。在各种渗流监测的温度示踪方法中，分布式光纤温度传感系统(Distributed Fiber Optic Temperature Sensor System,简称DTS)比较引人关注，并且在国内外取得了一定的研究进展。Aufleger等提出了采用分布式光纤对土石堤防进行长期在线监测的构想，较全面地介绍了分布式光纤在水利工程中的应用，为后续研究指明了方向，奠定了基础；Thiele和Artieres等将分布式光纤与水利工程中常用的防渗土工织物相结合，通过渗漏探测和应变监测相结合的方式来进行结构破坏的定位和早期预警；Nikles和Mishra等对基于DTS的油气管道渗漏监测方法进行了研究，并采用工程实例验证了方法的效果；Harvie等对基于DTS的尾矿坝渗流监测方法进行了试验研究；Vogt等通过分布式光纤测温数据获得高精度垂直温度分布剖面，采用动力谐波分析方法对温度监测数据进行处理，进而对河流补给地下水渗流流速进行估算；Beck等采用两个大比例尺试验研究和某堤坝的现场监测数据分析结果，对基于DTS的堤坝渗流和管涌监测方法进行了介绍。在国内，孙东亚等撰文对基于DTS的土石坝渗漏监测的一些国外理论和试验研究成果进行了介绍。李端有等分析了分布式光纤测温方法在长江堤防渗漏监测中应用的可行性。魏德荣和秦一涛等介绍了DTS在混凝土面板堆石坝周边缝渗漏定位监测的应用情况。肖衡林等撰文对基于DTS的渗流监测的一些国外理论和试验研究成果进行了介绍。
目前，DTS已被尝试应用于贵州三板溪水电站面板坝、浙江桐柏水电站面板坝、广东长调水电站水电站面板坝、桂林思安江混凝土面板坝等多个面板坝工程的渗流监测中。虽然分布式光纤温度传感技术在土石堤防监测取得了一定的成果，但也存在了不少问题，例如，针对渗流量较小因与周围岩土体温差较小而无法监测到，测量精度易受环境温差的影响等。因而，目前分布式光纤温度传感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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，解决现有砂性土渗流量监测平台不适用于流速较小的渗流场监测的问题。
本发明采用的技术方案是，一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，包括加热系统、渗流系统和分布式光纤测温系统，加热系统包括可产生热量的硅橡胶加热带和为硅橡胶加热带供电的交流电源；
其中，渗流系统包括模型管和为模型管内砂性土提供渗流的供水系统；
分布式光纤测温系统包括测温光缆、与测温光缆依次连接的DTS解调仪和分布式光纤测温主控机，测温光缆缠绕在PVC管外壁上，硅橡胶加热带缠绕在测温光缆外侧，组成测管，分布式光纤测温主控机用于采集和分析感温光纤相应的位置和温度信息。
本发明的技术特征还在于，
模型管侧壁底部设置有进水孔，进水孔通过进水管与所述供水系统相连通，模型管侧壁顶部设置有出水孔，出水孔通过出水管连接有出水箱。
所述供水系统包括循环水箱，循环水箱内部设置有水泵，水泵通过蓄水管连接有进水箱，进水箱底部设置有出水口a，出水口a与进水管进水口固定连接。
所述进水箱顶部和中间部位分别设置有进水口和出水口b，蓄水管出水口与所述进水口固定连接，出水口a通过顶部排水管与循环水箱顶部连通。
所述进水管上设置有流速控制阀。
所述模型管中砂性土底部设置有一层砂砾石块，砂砾石块与砂性土之间设置有纱网。
所述测温光缆为螺旋钢管铠装测温光缆，由内到外依次包括紧套光纤、双层不锈钢铠装护套、抗拉元件、不锈钢编织网和外护套。
其中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解调仪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。
本发明的有益效果是，本发明通过加热系统、渗流系统和DTS解调仪测试砂性土中测管的温度介值与渗流量的相对关系，进而通过测定测管的温度介值，获得所测砂性土内部渗流场的渗流量，操作简单，准确度高；采用螺旋钢管铠装测温光缆作为测温光纤，将硅橡胶加热带缠绕在测温光缆外侧，对测温光缆进行加热，使测温光缆与周围砂性土产生较大温差，提高了DTS解调仪对渗流量监测精度和敏感性；硅橡胶加热带缠绕在测温光缆外部，保护测温光缆免于被周围砂性土划伤；本发明所用光缆对温度的敏感度较高，测量准确，可适用于流速较小的渗流场监测；硅橡胶加热带成本低廉，加热效果显著，并具有高性能的抗拉、抗压、防扭、防水防潮、柔软坚韧等特点，适合各种恶劣的使用环境。
附图说明
图1是本发明一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台的结构示意图；
图2是本发明实施例中渗流速率与温度介值拟合结果曲线图。
图中，1.DTS解调仪，2.硅橡胶加热带，3.交流电源，4.模型管，5.供水系统，6.分布式光纤测温主控机，7.测温光缆，8.PVC管，9.进水管，10.出水管，11.出水箱，12.纱网，13.循环水箱，14.水泵，15.蓄水管，16.进水箱，17.流速控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。
参照图1，本发明一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，包括加热系统、渗流系统、分布式光纤测温系统和数据处理及辅助分析系统，该实施例中所用数据处理及辅助分析系统为电脑。加热系统包括可产生热量的硅橡胶加热带2和为硅橡胶加热带供电的交流电源3，硅橡胶加热带的宽度为15mm，渗流系统包括高度为600mm，直接径为200mm的圆柱形模型管4和为模型管内砂性土提供渗流的供水系统5，所用砂性土为粗砂与黄土按质量比9:1制成。
供水系统5包括循环水箱13，循环水箱13内部设置有水泵14，水泵14通过蓄水管15连接有进水箱16，进水箱底部设置有出水口a，出水口a与进水管9进水口固定连接。进水箱顶部和中间部位分别设置有进水口和出水口b，蓄水管15出水口与所述进水口固定连接，出水口a通过顶部排水管18与循环水箱13顶部连通，可保证进水箱内水位不会过高。
模型管4侧壁底部设置有三个进水孔，进水孔通过进水管9与供水系统5相连通，进水管9上设置有流速控制阀17；模型管4侧壁顶部设置有三个出水孔，出水孔通过出水管10连接有出水箱11。
分布式光纤测温系统包括测温光缆7、与测温光缆7依次连接的DTS解调仪1和分布式光纤测温主控机6，测温光缆7的直径为2.5mm的，测温光缆为螺旋钢管铠装测温光缆，由内到外依次包括紧套光纤、双层不锈钢铠装护套、抗拉元件、不锈钢编织网和外护套。测温光缆7紧密缠绕在直径为50mm的PVC管8外壁上，硅橡胶加热带2缠绕在测温光缆外侧，缠绕过程应使测温光缆与硅橡胶加热带紧密接触，确保加热过程中整个测管能够均匀受热。硅橡胶加热带2和测温光缆一起埋设于模型管4中的砂性土内部；所述分布式光纤测温主控机6用于采集和分析感温光纤相应的位置和温度信息。模型管4中砂性土底部设置有一层砂砾石块，砂砾石块与砂性土之间设置有纱网12。
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DTS解调仪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。
本发明采用一种硅橡胶加热带对测温光缆进行均匀加热，并在恒定电流作用下以额定功率产生热量。通过通电加温，将测温光缆视为一个叠加温度场，使测温光缆与岩土介质和渗漏之间产生温差。由于渗漏在流动过程中会持续带走感测光缆周围的热量，而热量的变化值接影响到测温光缆的温度，同时与渗流量密切相关。当渗流带走的热量与硅橡胶加热带产生的热量相等时，硅橡胶加热光缆及周围岩土体间的热量就达到动态平衡，硅橡胶加热带产生的热量也就趋于一个稳定值，不再发生变化。因此，定义这一稳定热量为DTS的温度介值。
使用本发明基于Si-DTS的砂性土渗流量测定实验装置时，先在圆柱形模型管底部放入一层碎石，然后垫上砂网，将测管竖直放入模型管内中轴线上，在模型管中填充饱和砂性土使测管固定，将砂性土击实后，将光缆两端与硅橡胶加热带从模型管顶部引出来，分别连接至DTS解调仪与交流电源插座。最后将进水管与进水孔固定连接，将出水管与出水孔固定连接。
打开流速控制阀，将其旋转一定角度，然后秒表计时一段时间后，测量出此时间段内出水箱中水的体积，然后计算出单位时间出水体积，以此值作为该状态下模型管内砂性土的渗流量，本实施例中记录的渗流量值分别为0cm3/s，0.45cm3/s，0.86cm3/s，1.28cm3/s，1.69cm3/s。
接通DTS解调仪的电源，在测管上三个水平位置各取一个测量点，分别为a测点、b测点和c测点，通过测温光缆测量出a测点、b测点和c测点的初始温度值，以所有测点的初始温度平均值作为该渗流量下测管的初始温度值；接通硅橡胶加热带的交流电源，在恒定电流下对硅橡胶加热带加热，通过DTS解调仪记录不同时间段各测量点处温度值，待记录的温度值达到稳定时停止记录；用DTS解调仪记录的不同时间段各测量点处温度值减去相应测量点初始温度值，得到相应温度增量；选取所述各测量点温度值均达到稳定的阶段，求取各测量点温度增量(即温度介值)的平均值，将其作为测管的温度介值，如表1所述。
表1本发明实施例中各测点的温度介值(℃)
通过调节流速控制装置改变所述砂性土的渗流速率，记录所述砂性土不同渗流量下测管的最终温度增量值，以不同渗流量下测管的最终温度增量值进行拟合，绘制拟合曲线(如图2)，得到相应函数关系式：
Y＝-7.0909X+23.738 (1)
式(1)中，X表示渗流量值，cm3/s；Y表示测管的最终温度增量值，℃。
从图2可以看出，测管温度介值与渗流量之间存在线性关系，渗流量越大，温度介值越小，运用此线性关系，通过测定测管的温度介值，可获得所测砂性土内部渗流场的渗流量。

Claims (8)

1.一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，包括加热系统、渗流系统和分布式光纤测温系统，所述加热系统包括可产生热量的硅橡胶加热带(2)和为硅橡胶加热带(2)供电的交流电源(3)；
所述渗流系统包括模型管(4)和为模型管(4)内砂性土提供渗流的供水系统(5)；
所述分布式光纤测温系统包括测温光缆(7)、与测温光缆(7)依次连接的DTS解调仪(1)和分布式光纤测温主控机(6)，测温光缆(7)缠绕在PVC管(8)外壁上，所述硅橡胶加热带(2)缠绕在测温光缆(7)外侧，组成测管，所述分布式光纤测温主控机(6)用于采集和分析感温光纤相应的位置和温度信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，所述模型管(4)侧壁底部设置有进水孔，进水孔通过进水管(9)与所述供水系统(5)相连通，模型管(4)侧壁顶部设置有出水孔，出水孔通过出水管(10)连接有出水箱(11)。
3.根据权利要求2所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，所述供水系统(5)包括循环水箱(13)，循环水箱(13)内部设置有水泵(14)，水泵(14)通过蓄水管(15)连接有进水箱(16)，进水箱(16)底部设置有出水口a，出水口a与进水管(9)进水口固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，所述进水箱(16)顶部和中间部位分别设置有进水口和出水口b，蓄水管(15)出水口与所述进水口固定连接，出水口a通过顶部排水管(18)与循环水箱(13)顶部连通。
5.根据权利要求4所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，所述进水管(9)上设置有流速控制阀(17)。
6.根据权利要求1所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，所述模型管(4)中砂性土底部设置有一层砂砾石块，砂砾石块与砂性土之间设置有纱网(12)。
7.根据权利要求1所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，所述测温光缆(7)为螺旋钢管铠装测温光缆，由内到外依次包括紧套光纤、双层不锈钢铠装护套、抗拉元件、不锈钢编织网和外护套。
8.根据权利要求1所述的一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台，其特征在于，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解调仪(1)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。
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