CN109856032B - 点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法，监测系统包括传感加热元件、监测管、稳压电源、光纤光栅解调仪、笔记本电脑、铠装光缆和导线。铠装光缆将传感加热元件中的传感元件串连，铠装光缆与光纤光栅解调仪连接，采用波分复用技术进行多测点同步测量；光纤光栅解调仪与笔记本电脑连接；所述导线将传感加热元件中的加热元件串连，导线两端与稳压电源连接，形成闭合回路通电加热；将传感加热元件穿入监测管内。本发明的优点在于：构建了点热源加热系统，避免渗流监测结果受渗流方向影响；移动分布式监测，解决了光纤光栅准分布式传感系统的空间分辨率问题；监测线路可从监测管中取出进行修复或更换。

Description

点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程渗流监测技术领域，特别涉及光纤光栅点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法。

背景技术

许多岩土工程中存在着渗流问题，渗流会影响岩土体的稳定性，直接威胁工程安全，众所周知的美国Teton坝的溃决就是由渗透破坏所致^[1]。渗流具有隐蔽性、空间和时间上的随机性，对渗流的防治大多需要辅以一定的监测手段来进行，因此，渗流监测是岩土工程领域中的一项重要监测内容。

渗流监测方法具有多样性，包括：(1)常规监测方法。这类方法历史悠久，工程应用和经验积累较多，且为相应规范所认可，如：测压管、渗压计、量水堰、水位孔；(2)地球物理方法。这类方法在堤坝的渗流监测中应用和研究较多。如：电阻率法^[2]、自然电位法^[3]；(3)示踪法，如：同位素示踪法^[4]、荧光剂示踪法^[5]；(4)温度示踪法^[6-10]。该方法基于渗流场与温度场的耦合作用，通过测量温度并结合适当的数学模型间接获得渗流状态。利用分布式光纤温度传感技术，该方法容易实现渗流的大范围、分布式监测功能，因此，基于光纤温度传感技术的渗流监测方法是该领域的研究热点。为了提高监测系统的灵敏度和测试精度，该方法一般需要辅以相应的加热手段，加热方法有电阻丝加热法和水暖循环加热法。这两种加热方法构造的热源均为线热源，其渗流监测物理模型可简化为多孔介质中线热源的传热问题。由于渗流具有隐蔽性，渗流方向事先未知，因此，无法确定入渗方向与线热源的夹角。图1示出了渗流速度为0.5mm/s时，不同入渗角度下，线热源的散热时程曲线，可以看出：线热源在多孔介质中的传热规律与入渗角度具有较强的相关性。因此，在入渗角度未知的情况下，采用线热源法进行渗流监测容易产生误判。点热源具有球对称性，若将线热源改为点热源，很显然，传热规律将与入渗方向无关(如图2所示)。本专利将利用点热源的这一特性，研发一套集光纤光栅温度传感阵列与点热源阵列于一体的新型移动分布式渗流监测系统。

与本发明相关的现有技术一

该技术将分布式光纤测温系统(Distributed temperature sensing system——DTS)与电加热系统相结合用于渗流监测，其系统组成如图3所示。铠装光缆用于测量温度分布，集传感与信号传输与一体，在铠装光缆旁边铺设电缆(电阻丝)或将电阻丝集成于铠装光缆内部。电缆与稳压电源连接，稳压电源用于调节电阻丝的加热功率。将铠装光缆和电缆埋在监测体内部(如：土石坝下游反滤层中)，稳压电源和DTS测温系统放在坝基廊道内。开通稳压电源实施加热，电缆周围土体温度将升高，升温值可由铠装光缆感知并由光纤测温系统测量。当有渗流发生时，在加热功率恒定的情况下，由能量守恒原理可知，电缆所释放的热量应等于渗流水带走的热量、热传导带走的热量、电缆周围土体升温所需的热量之和。由于渗流水所带走的热量随渗流速度的增大而增加，因此，有渗流的区域升温小，根据这一异常现象即可确定渗流的位置，并可根据升温值与渗流速度的关系确定渗漏强度。

现有技术一的缺点

(1)该技术采用基于拉曼散射的分布式光纤测温系统，空间分辨率较低，约为1m，测得的温度为1m范围内的平均温度，精度较低；

(2)加热方式采用电阻丝加热，土石坝的监测线路较长，与监测线路配套的电阻丝的电阻值较大，要达到预定的加热温度，往往需要较高的电压和较长的加热时间；

(3)电阻丝的电阻值会随着温度的变化而变化，因此，很难保证加热功率的稳定性；

(4)电缆长期埋在潮湿的土体中有漏电隐患；

(5)该监测系统中的热源为线热源，无法消除渗流方向对监测结果的影响。

与本发明相关的现有技术二

该技术将光纤光栅(Fiber Bragg Grating——FBG)传感系统与水暖循环加热系统相结合用于渗流监测，其系统组成如图4所示(分集水器可将主水管的水分配到多条支路，图中仅绘制了其中一条)。光纤光栅传感系统主要由光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、传感光缆组成；加热系统采用由锅炉、分集水器、供暖管路组成的水暖循环系统。将光纤光栅传感串穿入供热管路中，通过热水循环加热，光纤接头通过三通接头引出，用热熔胶密封接头引出口，避免漏水。将穿有光纤光栅传感串的供热管路预埋在监测体内部(如：土石坝下游反滤层中)，锅炉、分集水器、光纤光栅解调仪放在坝基廊道内。操作步骤如下：1)启动锅炉，对锅炉腔体内的水实施加热，加热后的水在锅炉内置水泵的驱动下从供水口流出，经分水器分配到各个支路，在各支路循环加热后再汇集到集水器，然后由回水口进入锅炉，如此循环；2)关闭锅炉，停止加热，内置水泵停止运行，管路中的水也停止流动；3)管路中的热水与外界进行充分的热交换，由光纤光栅解调仪实时测量供热管路中各测点的温度。有渗流的区域，对流传热系数更大，散热越快，因此，从降温过程曲线中可提取出与渗流有关的信息用于渗漏状态的识别。

现有技术二的缺点

(1)光纤光栅传感技术并非真正意义上的分布式测量技术，只是将多个光纤光栅传感器串联在一起同时测量，其空间分辨率取决于测点的间距。该技术将光纤光栅传感串直接穿入供热管路中，两端用热熔胶封堵，测点位置是固定的，而渗流的部位是不确定的，当渗流区域附近没有布置测点时，将影响渗流状态的识别精度。土石坝的监测范围大，要保证空间分辨率，避免漏判，就需要大量增加测点，从而增加监测费用。

(2)随着监测线路长度的增加，加热效果将减弱，从而影响监测精度。

(3)该监测系统中的热源为线热源，无法消除渗流方向对监测结果的影响。

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发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种点热源移动分布式渗流监测系统，包括若干传感加热元件1、监测管7、稳压电源6、光纤光栅解调仪2、笔记本电脑3、铠装光缆4和导线5。

所述传感加热元件1包括传感元件和加热元件；所述铠装光缆4将若干传感加热元件1中的传感元件串连在一起，铠装光缆4与光纤光栅解调仪2连接，采用波分复用技术进行多测点同步测量；光纤光栅解调仪2与笔记本电脑3通过网线连接，使测得的数据传输到笔记本电脑3上；所述导线5将若干传感加热元件1中的加热元件串连在一起，导线5两端与稳压电源6连接，形成闭合回路通电加热；将串连好的传感加热元件1穿入监测管7内，使监测管7成为传感加热元件1的移动通道和保护屏障。

其中传感加热元件1包括温度传感器8、加热管9、导热胶10、铜管11；所述加热元件为加热管9，所述传感元件为温度传感器8；

所述加热管9的内径比温度传感器8的外径大，将加热管9套在温度传感器8中部并在二者间的缝隙中填充导热胶10；待导热胶10固化后，将铜管11套在温度传感器8和加热管9集成体外部，并用导热胶10填充二者之间的缝隙，铜管11内径比加热管9外径大，同时铜管11外径比监测管7内径小；温度传感器8和加热管9均为多点串联，二者一一对应；传感加热元件1与监测管7内壁间留有间隙，可在监测管7内自由拖动改变测点位置，从而实现移动分布式监测。

进一步地，由于空气的导热系数很小，传感加热单元与监测管7间的间隙势必会影响渗流水与热源间的换热效率，从而影响监测系统的灵敏度。另外，在实际工程应用中，监测管7可能会产生变形，若间隙太小，可能会阻碍传感加热单元的顺利移动。为了解决这两方面的问题，采用将监测管7两端向上弯曲至一定高度，往监测管7内灌入绝缘液体12，充满整条监测管7。使传感加热单元与监测管7间的间隙被导热性能较好的绝缘液体12充填，从而改善渗流水与热源间的换热效率；同时，监测管7与传感加热单元间的间隙可以留得足够大以确保传感加热单元能自由移动。

采用该监测系统进行渗流监测的实施步骤为：1)将温度传感器8的单端接头与光纤光栅解调仪2相连，调整采集频率，检查信号采集是否正常，记录各测点温度初始值作为环境温度；2)根据串联的加热管9数量及所需的加热功率，将稳压电源6调整到合适的电压，接通导线5实施加热；3)当温度上升至所需温度时(可根据温度传感器8读数确定)，关闭稳压电源6，停止加热，开始采集各测点的降温时程数据；4)当温度基本稳定后，停止数据采集；5)拖动测点，实施多次测量，直至覆盖整条监测线路，监测完毕。根据测得的降温时程数据，选取ln(λ-λ_θ)时程曲线的线性段，按式(1)可计算渗流判别指标ξ_v，根据ξ_v的分布情况进行渗流状态的识别。

式中：λ为光纤光栅温度传感器8任意时刻的波长；λ_θ为测点降温稳定后的波长；λ₀为测点降温的初始波长；ξ_v为渗流判别指标；t为时间。

与现有技术相比本发明的优点在于：

(1)构建了点热源加热系统，避免渗流监测结果受渗流方向影响；

(2)提出了移动分布式监测方法，解决了光纤光栅准分布式传感系统的空间分辨率问题。

(3)监测线路可从监测管中取出进行修复或更换，避免局部断点导致整条监测线路失效，满足长期监测需求。

附图说明

图1为入渗角度对线热源散热规律的影响曲线图

图2为热源传热规律与入渗方向的相关性示意图

图3为现有技术一的系统示意图

图4为现有技术二的系统示意图

图5为本发明点热源移动分布式渗流监测系统的结构示意图；

图6为本发明传感加热元件的结构示意图；

图7为本发明移动分布式监测实施过程示意图；

图8为本发明监测管灌入绝缘液体示意图；

图9为本发明实施例1试验模型结构示意图；

图10为本发明实施例1ξ_v与ln(v)间的拟合关系曲线图；

图11为本发明实施例2不同渗流速度下的ln(λ-λ_θ)时程曲线图；

图12为本发明实施例2ξ_v1,ξ_v2与ln(v)间的拟合关系曲线图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一种点热源移动分布式渗流监测系统，该系统由传感加热元件1、监测管7、稳压电源6、光纤光栅解调仪2、笔记本电脑3、传输光缆和导线5组成，如图5所示(光纤光栅解调仪2和笔记本电脑3也可集成于一体)。其中：传感加热元件1由光纤光栅温度传感器8(以下简称温度传感器8)、陶瓷加热管9(以下简称加热管9)、铜管11通过耐高温导热胶10(以下简称导热胶10)封装而成，

如图6所示，其封装步骤为：1)加热管9的内径比温度传感器8的外径略大，将加热管9套在温度传感器8中部并在二者间的缝隙中填充导热胶10；2)待导热胶10固化后，将铜管11套在温度传感器8-加热管9集成体外部(铜管11内径比陶瓷管外径略大，同时其外径比监测管7内径略小)，并用导热胶10填充二者间的缝隙。在该监测系统中，温度传感器8和加热管9均为多点串联，二者一一对应；传感加热元件1与监测管7内壁间留有少量间隙，可在监测管7内自由拖动改变测点位置，从而实现移动分布式监测，如图7所示。采用该监测系统进行渗流监测的实施步骤为：1)将温度传感器8的单端接头与光纤光栅解调仪2相连，调整采集频率，检查信号采集是否正常，记录各测点温度初始值作为环境温度；2)根据串联的加热管9数量及所需的加热功率，将稳压电源6调整到合适的电压，接通导线5实施加热；3)当温度上升至所需温度时(可根据温度传感器8读数确定)，关闭稳压电源6，停止加热，开始采集各测点的降温时程数据；4)当温度基本稳定后，停止数据采集；5)拖动测点，按图7所示实施多次测量，直至覆盖整条监测线路，监测完毕。根据测得的降温时程数据，选取ln(λ-λ_θ)时程曲线的线性段，按式(1)可计算渗流判别指标ξ_v，根据ξ_v的分布情况进行渗流状态的识别。

式中：λ为光纤光栅温度传感器8任意时刻的波长；λ_θ为测点降温稳定后的波长；λ₀为测点降温的初始波长；ξ_v为渗流判别指标；t为时间。

可以看出：系数ξ_v与传感器的灵敏度系数和标定常数无关，这样可以避免传感器灵敏度系数和标定常数的误差对测试结果产生影响。

由于空气的导热系数很小，传感加热单元与监测管7间的间隙势必会影响渗流水与热源间的换热效率，从而影响监测系统的灵敏度。另外，在实际工程应用中，监测管7可能会产生变形，若间隙太小，可能会阻碍传感加热单元的顺利移动。为了解决这两方面的问题，可采用图8所示的监测管7改进方案：将监测管7两端向上弯曲至一定高度，往监测管7内灌入绝缘液体12，充满整条监测管7。这种方案使传感加热单元与监测管7间的间隙被导热性能较好的绝缘液体12充填，可改善渗流水与热源间的换热效率；同时，监测管7与传感加热单元间的间隙可以留得足够大以确保传感加热单元能自由移动。

实施例1

为了验证本发明研发的点热源渗流监测系统的有效性，设计了图9所示试验模型(H1＝100mm，H2＝600mm，H3＝600mm，B＝300mm，L＝800mm)，在渗流速度和渗流方向双重因素影响下开展了标定试验。模型箱体外壳采用3mm厚钢板拼接而成，箱体外部设置方钢管框架作为侧向支撑。箱体底部设置4根排水管，排水管上均安装了阀门以控制流量。在箱体中预埋4根监测管7(PE-RT管，外径20mm，壁厚2mm)，其轴线与入渗方向(自上而下)分别成90°、70°、50°、30°。首先，在箱体底部铺设10cm厚砾石作为反滤层，然后填筑河沙至设计标高。在填筑河沙前，预先在监测管7中穿一根钢筋，以保证在河沙填筑过程中，监测管7不产生过大变形；待河沙填筑完毕，变形稳定后再将钢筋抽出。通过水泵连续往模型箱顶面供水，在模型箱顶部侧壁设置2根排水管用于排除多余的水，以保证模型箱顶面的水位恒定。本次试验采用的光纤光栅温度传感器8的外径为4mm、长度为60mm；陶瓷加热管9的内径为8mm、外径为12mm、长度为12mm；封装铜管11的外径为15mm、壁厚为1mm、长度为60mm。

通过调节模型底部4根排水管的阀门来控制渗流量以获得不同的渗流速度，采用图5所示点热源渗流监测系统进行了多工况试验。根据降温阶段各传感器的波长监测数据，绘制ln(λ-λ_θ)随时间的变化关系曲线，选取ln(λ-λ_θ)时程曲线的线性段按式(1)拟合出各工况相应的ξ_v，见表1所示。

表1ξ_v的拟合结果(10^-3s^-1).

可以看出：当渗流速度一定时，不同入渗角度下得到的系数ξ_v基本一致，说明本发明研发的点热源渗流监测系统能消除入渗角度的影响，从而避免由于渗流方向的不确定性所导致的误判；随着渗流速度的增大，散热速度逐渐增大，ξ_v的绝对值也相应增大。根据表1中的数据，可拟合ξ_v与渗流速度v的关系曲线，见图10所示。可以看出：对于本实施例所选用的多孔介质，在测试的渗流速度范围内，ξ_v与ln(v)近似呈二次函数关系，相关系数超过0.99。在实际工程应用中，根据监测对象，可预先在试验室通过标定试验，建立ξ_v与渗流速度的拟合公式，然后即可利用该拟合公式，根据监测数据拟合的系数ξ_v进行渗流速度的量化识别。

实施例2

在实施例1的基础上，利用图8所示改进方案，在监测管7中灌入纯净水，进行不同渗流速度下的标定试验。各工况ln(λ-λ_θ)随时间的变化关系曲线见图11。可以看出：随着渗流速度的增大，降温越快，ln(λ-λ_θ)的变化规律与渗流速度间具有很强的相关性。根据ln(λ-λ_θ)时程曲线的线型，将其分为三个阶段：快速降温段(0～200s)、过渡段(200s～300s)、慢速降温段(300s～温度稳定)。在快速降温段和慢速降温段，ln(λ-λ_θ)时程曲线近似呈线性，分别利用50s～200s和300s～600s时段的数据，拟合出ln(λ-λ_θ)时程曲线在这两个时段的斜率ξ_v1和ξ_v2，见表2所示。ξ_v1和ξ_v2的绝对值均随渗流速度的增大而增大，与不灌纯净水的工况相比，这两个系数对渗流速度更敏感，他们与ln(v)的拟合关系见图12所示。可以看出：对于本实施例所选用的多孔介质，在测试的渗流速度范围内，这两个系数与ln(v)均近似呈线性关系，相关系数分别为0.9851和0.9946；两条拟合直线相比，ξ_v2与ln(v)关系曲线的斜率更大，说明ξ_v2对渗流速度更敏感。

表2ξ_v1和ξ_v2的拟合结果(10^-3s^-1).

对于灌入绝缘液体12这种监测方案，可考虑监测管7尺寸、绝缘液体12类型等影响因素开展标定试验，得到监测管7尺寸、绝缘液体12类型对监测灵敏度的影响关系，为该监测系统的优化提供依据。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种点热源移动分布式渗流监测系统，其特征在于：包括若干传感加热元件(1)、监测管(7)、稳压电源(6)、光纤光栅解调仪(2)、笔记本电脑(3)、铠装光缆(4)和导线(5)；

所述传感加热元件(1)包括传感元件和加热元件；所述铠装光缆(4)将若干传感加热元件(1)中的传感元件串连在一起，铠装光缆(4)与光纤光栅解调仪(2)连接，采用波分复用技术进行多测点同步测量；光纤光栅解调仪(2)与笔记本电脑(3)通过网线连接，使测得的数据传输到笔记本电脑(3)上；所述导线(5)将若干传感加热元件(1)中的加热元件串连在一起，导线(5)两端与稳压电源(6)连接，形成闭合回路通电加热；将串连好的传感加热元件(1)穿入监测管(7)内，使监测管(7)成为传感加热元件(1)的移动通道和保护屏障；

所述传感加热元件(1)包括：温度传感器(8)、加热管(9)、导热胶(10)、铜管(11)；所述加热元件为加热管(9)，所述传感元件为温度传感器(8)；

所述加热管(9)的内径比温度传感器(8)的外径大，将加热管(9)套在温度传感器(8)外壁中部并在加热管(9)和温度传感器(8)之间的缝隙中填充导热胶(10)；待导热胶(10)固化后，将铜管(11)套在温度传感器(8)和加热管(9)集成体外部，并用导热胶(10)填充二者之间的缝隙，铜管(11)内径比加热管(9)外径大，同时铜管(11)外径比监测管(7)内径小；温度传感器(8)和加热管(9)均为多点串联，二者一一对应；传感加热元件(1)与监测管(7)内壁间留有间隙，可在监测管(7)内自由拖动改变测点位置，从而实现移动分布式监测。

2.根据权利要求1所述的一种点热源移动分布式渗流监测系统，其特征在于：将监测管(7)两端向上弯曲至一定高度，往监测管(7)内灌入绝缘液体(12)，充满整条监测管(7)；使传感加热单元与监测管(7)间的间隙被导热性能较好的绝缘液体(12)充填，从而改善渗流水与热源间的换热效率；同时，监测管(7)与传感加热单元间的间隙可以留得足够大以确保传感加热单元能自由移动。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的一种点热源移动分布式渗流监测系统的监测方法，其特征在于，步骤为：1)将温度传感器(8)的单端接头与光纤光栅解调仪(2)相连，调整采集频率，检查信号采集是否正常，记录各测点温度初始值作为环境温度；2)根据串联的加热管(9)数量及所需的加热功率，将稳压电源(6)调整到合适的电压，接通导线(5)实施加热；3)根据温度传感器(8)读数，当温度上升至所需温度时，关闭稳压电源(6)，停止加热，开始采集各测点的降温时程数据；4)当温度基本稳定后，停止数据采集；(5)拖动测点，实施测量，直至覆盖整条监测线路，监测完毕，根据测得的降温时程数据，选取ln(λ-λ_θ)时程曲线的线性段，按式(1)可计算渗流判别指标ξ_v，根据ξ_v的分布情况进行渗流状态的识别；

式中：λ为光纤光栅温度传感器(8)任意时刻的波长；λ_θ为测点降温稳定后的波长；λ₀为测点降温的初始波长；ξ_v为渗流判别指标；t为时间。

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