采用分布式光纖傳感技術(shù)的土壩模型滲漏監(jiān)測(cè)分析

朱萍玉，蔣桂林，冷元寶

(1.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006;2.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003;3.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

采用分布式光纖傳感技術(shù)的土壩模型滲漏監(jiān)測(cè)分析

朱萍玉1，2，蔣桂林3，冷元寶2

(1.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006;2.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003;3.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

建立了采用分布式光纖傳感技術(shù)的模擬堤壩滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)人工模擬土壩滲漏，并得到該種情況下測(cè)試光纖長(zhǎng)度上的應(yīng)變圖，驗(yàn)證了采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)土壩的可行性;運(yùn)用ANSYS軟件建立與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?duì)應(yīng)的有限元分析模型，通過(guò)選擇合適單元，簡(jiǎn)化邊界條件，對(duì)一定的工況進(jìn)行加載分析，得出載荷與應(yīng)變的關(guān)系，以及載荷與塌陷土層重量的關(guān)系。文中方法和結(jié)論有助于進(jìn)一步定量研究土壩滲漏大小程度和光纖傳感器的合適埋設(shè)深度。

光纖傳感技術(shù);土壩模型;監(jiān)測(cè);應(yīng)變;ANSYS

1 前言

目前，我國(guó)堤壩眾多，且很多屬于土石壩，黃河堤壩則是其中的典型代表。黃河歷來(lái)水少沙多，致使河床不斷升高，并形成“懸河”或“多級(jí)懸河”，近年來(lái)修建的險(xiǎn)工和控導(dǎo)(護(hù)灘)工程旨在對(duì)河道進(jìn)行整治，保護(hù)有生命保障線和防洪保障線之稱(chēng)的黃河大堤。然而，這些土石壩基礎(chǔ)較差，當(dāng)洪水沖刷來(lái)臨時(shí)，易發(fā)生根石走失和坍塌，如險(xiǎn)情發(fā)現(xiàn)較遲而導(dǎo)致?lián)岆U(xiǎn)物料投入不及時(shí)，則會(huì)造成壩身土胎外露，土體迅速被水流帶走，使險(xiǎn)情惡化。因此，對(duì)堤壩安全的監(jiān)測(cè)和預(yù)警顯得尤為重要［1，2］。

光纖對(duì)于外界溫度和應(yīng)力變化敏感，使得光纖越來(lái)越多地被用作監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)力變化的傳感器而埋設(shè)于各種介質(zhì)中。國(guó)外已有將光纖埋設(shè)于堤壩中監(jiān)測(cè)堤壩滲漏情況方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)亦逐漸開(kāi)始注重光纖傳感技術(shù)在這方面的研發(fā)工作。光纖實(shí)際應(yīng)用的前提是準(zhǔn)確地掌握其相關(guān)性能，目前對(duì)于光纖的光性能分析，大多數(shù)研究集中在對(duì)裸光纖的直接拉伸應(yīng)變性能分析。而光纖應(yīng)用于監(jiān)測(cè)堤壩的形變和滲漏時(shí)，光纖與周邊松散介質(zhì)的隨動(dòng)性將影響光纖傳感器反應(yīng)土層沉降而產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變［3］。因此沉降應(yīng)力與光纖應(yīng)變之間的關(guān)系以及光纖應(yīng)變與被監(jiān)測(cè)土壩的沉降程度之間關(guān)系的確定，直接影響光纖在實(shí)際應(yīng)用中的標(biāo)定。

2 光纖監(jiān)測(cè)模擬堤壩滲漏實(shí)驗(yàn)

在采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)堤壩滲漏隱患時(shí)，滲漏發(fā)生的判據(jù)可借助溫度和應(yīng)變兩個(gè)物理量，而實(shí)際滲漏發(fā)生時(shí)和加劇過(guò)程中的信號(hào)變化受具體邊界條件影響。堤壩滲漏模擬實(shí)驗(yàn)采用黃河堤防原土建立堤壩模型，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布式光纖傳感器分為四層布設(shè)［4］，如圖1所示，研究采用分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬堤壩滲漏的可行性、可靠性以及應(yīng)變信號(hào)特征。

圖1 采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)土堤壩模型滲漏和沉降的系統(tǒng)Fig.1 A monitoring system of seepage and settlement for an earth embankment dam model using fully distributed optical fiber sensing technology

模擬系統(tǒng)包括水箱、水泵、流量控制閥、土堤壩模型、光纖、DiTeSt－STA202分析儀及其分析軟件和附件。考慮到分析儀的空間分辨率為0.5 m，土堤壩模型尺寸建為2 m×1.2 m×1 m。預(yù)埋管道拔出后在壩體內(nèi)形成模擬的滲流通道，水箱中的水通過(guò)通道滲漏流經(jīng)壩體，模擬滲漏發(fā)生。流量控制閥控制水流大小，以模擬不同的滲漏程度。滲流進(jìn)水口和出水口布置在模擬堤壩的中間，進(jìn)水口距離底部0.8 m，出水口距離底部0.25 m。在距離模擬堤壩尾端開(kāi)始鋪設(shè)傳感光纖，下面兩層光纖間距為0.1 m，從堤壩底部起的第三層和第四層之間的光纖間距為0.05 m。信號(hào)由分布式光纖傳感分析儀DiTeSt－STA202采集，并通過(guò)自帶軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行前處理，定量給出標(biāo)定后的光纖段上應(yīng)變變化信息，本實(shí)驗(yàn)關(guān)注有明顯變化的光纖段39.25～41.00 m。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為大流量下堤壩模型發(fā)生塌陷后的外觀圖，在滲漏通道的出溢口附近發(fā)生了深度沉降和塌陷，該處的土層較之滲流通道的其他段更厚重。

圖2 模擬土堤壩塌陷外觀圖Fig.2 The appearance of soil collapse of the earth embankment dam model

圖3為應(yīng)用DiTeSt－STA202分析儀在堤壩模型發(fā)生滲漏前后掃描5次所得的應(yīng)變圖，data1～data5分別表示光纖整個(gè)長(zhǎng)度上5次掃描的光纖應(yīng)變曲線。由圖可知，光纖在標(biāo)定的40 m處附近，應(yīng)變出現(xiàn)了大的變化，應(yīng)變最大值達(dá)400微應(yīng)變，其他位置的光纖應(yīng)變只出現(xiàn)微變。根據(jù)光纖埋設(shè)的布局和標(biāo)定可得，40 m附近正是沉降發(fā)生位置的正下方光纖段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地證明了采用分布式光纖傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)土堤壩滲漏的可行性。

圖3 光纖傳感器監(jiān)測(cè)模擬滲漏的應(yīng)變曲線Fig.3 The strain curve of optic fiber sensors to monitor simulant seepages

4 基于ANSYS的模擬土堤壩模型及分析

4.1 基于ANSYS的模擬土堤壩模型

盡管實(shí)驗(yàn)證明光纖傳感器能夠監(jiān)測(cè)堤壩由于滲漏而導(dǎo)致的沉降，但對(duì)于堤壩沉降的大小程度還不能準(zhǔn)確地進(jìn)行定量判斷。本文充分利用ANSYS軟件方便模擬加載的優(yōu)勢(shì)，建立模擬堤壩模型，并對(duì)邊界條件適當(dāng)簡(jiǎn)化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理加載，定量分析了堤壩模型沉降大小和光纖應(yīng)變之間的關(guān)系。在ANSYS軟件界面建立與實(shí)際實(shí)驗(yàn)尺寸相同的堤壩模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，(a)為整個(gè)模擬堤壩模型的網(wǎng)格劃分示意圖，(b)為光纖的網(wǎng)格劃分示意圖，(c)為模擬堤壩模型與光纖網(wǎng)格接觸處的放大細(xì)節(jié)圖。

由于土壤層的力學(xué)性能很難把握，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)為復(fù)雜的彈塑性本構(gòu)關(guān)系［5］，但是光纖的應(yīng)變監(jiān)測(cè)在大沉降發(fā)生之前，光纖和土層的變形均不大，故假定土壩發(fā)生大沉降之前，土體和光纖均呈現(xiàn)線性變化。利用可構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的SOLID45單元的性質(zhì)構(gòu)造模擬土堤壩的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，每個(gè)單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別有沿著x、y和z 3個(gè)方向平移的自由度。假定定義的單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力。由于BEAM188單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響，因此非常適合用于建立堤壩模型中的光纖。BEAM188是三維線性(2節(jié)點(diǎn))或者二次梁?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)或者7個(gè)自由度。在不考慮橫截面子模型的基礎(chǔ)上，BEAM188支持彈性、蠕變和塑性模型，允許改變橫截面慣性屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向伸長(zhǎng)的功能。默認(rèn)情況下，通過(guò)截面面積的改變使得單元的體積變形后仍不變化，這種默認(rèn)的值對(duì)于彈塑性應(yīng)用是適用的。理論分析中，模擬土堤壩模型和光纖的各參數(shù)值如表1所示［6，7］。

圖4 模擬土堤壩網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model of the earth embankment dam model

表1 基本參數(shù)值表Table 1 The basic parameters

4.2 工況及邊界條件的分析與簡(jiǎn)化

由于光纖的尺寸足夠小，光纖埋設(shè)于堤壩中不會(huì)改變堤壩的強(qiáng)度，埋入堤壩中的光纖發(fā)生變形時(shí)隨周?chē)翆拥男巫兌l(fā)生變形，與周?chē)佑|土層之間未發(fā)生大的相對(duì)摩擦，即光纖與周?chē)翆涌梢暈橐粋€(gè)整體，但光纖的材料和單元與堤壩土體不一樣，分析時(shí)分別建立了土層和光纖的模型，并設(shè)置了相應(yīng)的參數(shù)。由于模型壩采用的SOLID45和光纖單元BEAM188節(jié)點(diǎn)不相容，因此，實(shí)施模擬運(yùn)算前對(duì)兩個(gè)單元接觸面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)耦合。

一般光纖所受的壓力隨滲漏發(fā)生的大小程度而變化，滲漏程度越嚴(yán)重，光纖所受來(lái)自塌陷土層的壓力將越大。當(dāng)滲漏逐漸嚴(yán)重甚至發(fā)生塌陷時(shí)，光纖會(huì)在急劇塌陷的土層作用下發(fā)生大的變形。實(shí)驗(yàn)中發(fā)生大流量時(shí)，滲漏通道上的土層最厚處發(fā)生了塌陷，即在出溢點(diǎn)附近的土體出現(xiàn)了較大范圍的沉降和塌陷，壩中沉降上方對(duì)應(yīng)光纖段顯示應(yīng)變陡增。對(duì)于建立的ANSYS模擬土堤壩模型，在對(duì)模型約束和加載時(shí)，考慮到模擬堤壩底層土相對(duì)地面不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，則首先對(duì)光纖兩端和模擬壩底部施加全約束，然后在發(fā)生沉降的坑土范圍表面逐步施加不同大小的載荷。如圖5所示，劃分網(wǎng)格時(shí)把模擬堤壩模型的上表面分成20×12個(gè)單元，發(fā)生塌陷的范圍相當(dāng)于圖中深色框的加載區(qū)域。最后對(duì)模擬堤壩模型進(jìn)行分析和后處理，輸出所求參數(shù)和結(jié)果。圖6為模擬堤壩模型加載后的等效應(yīng)變圖，在加載中心部位凹陷最為厲害，應(yīng)變值最大，ANSYS分析結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)塌陷的外觀圖吻合。

4.3 載荷與應(yīng)變的關(guān)系

在對(duì)模擬堤壩模型進(jìn)行加載分析時(shí)，模型上方所施加的載荷不同，光纖長(zhǎng)度上各單元的應(yīng)變值也不同。施加載荷越大，光纖應(yīng)變?cè)酱?。由于施加的載荷模擬沉降土壤的壓力，因此載荷的大小可以用來(lái)定性衡量沉降大小程度，實(shí)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)變值判斷沉降大小程度的目的。

圖5 土堤壩模型的施加約束和載荷圖Fig.5 Imposed constraints and load of the earth embankment dam model

圖6 模擬堤壩土模型加載分析后的等效應(yīng)變圖Fig.6 Equivalent strain of the embankment dam earth model after loading and analysis

在ANSYS模型中逐步在沉降上方加載，每加載一次可得到4根光纖相對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變值。把載荷和光纖對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值在MTALAB軟件中進(jìn)行擬合，可得到載荷大小與光纖應(yīng)變值的關(guān)系，如圖7所示。data1～data44條直線分別表示最下層、次下層、次上層和最上層的光纖受到的載荷與應(yīng)變的關(guān)系。由圖得知，載荷與光纖的應(yīng)變呈線性關(guān)系。當(dāng)光纖的埋設(shè)深度不一樣時(shí)，代表載荷與光纖應(yīng)變關(guān)系的直線斜率有差異，即埋設(shè)于不同深度的光纖對(duì)載荷的敏感度不一樣。其中，最上層光纖由于離載荷最近，對(duì)載荷最敏感。

5 結(jié)語(yǔ)

圖7 模擬土堤壩模型沉降上方載荷與光纖應(yīng)變的關(guān)系圖Fig.7 The relationship between settled load on the top of the earth embankment dam model and strain of optic fiber

通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)和軟件模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)堤壩滲漏監(jiān)測(cè)中光纖傳感器的受力分析，得出了有益的結(jié)論。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生塌陷的干燥土層產(chǎn)生的重力約37.6 N，在發(fā)生沉降時(shí)，光纖的最大應(yīng)變值約為400微應(yīng)變。軟件模擬分析中，當(dāng)光纖的應(yīng)變值為400微應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷約為 3.6×104Pa，加載面積約為0.09 m2，則與之對(duì)應(yīng)的載荷約為 3.24 kN，為塌陷干燥土層重力的86倍，即軟件模擬中作用到光纖上的力遠(yuǎn)大于實(shí)際沉降部位上方干燥土層的重力。所以，發(fā)生滲漏后，土層的含水度和土層對(duì)光纖的動(dòng)態(tài)作用不容忽視。光纖承受載荷與光纖上部對(duì)應(yīng)土層重力關(guān)系的確定，將有助于工程實(shí)際施工中對(duì)光纖埋設(shè)深度的確定。

［1］Zhu P Y，Zhou Y，Luc Thevenaz，et al.Seepage and settlement monitoring for earth embankment dams using fully distributed sensing along optical fibers［C］//2008 International Conference of Optical Instrument and Technology(OIT’08).北京:中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)、SPIE，2008:716013－1 －7.

［2］張寶森，郭全明.黃河河道整治工程險(xiǎn)情分析［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2002，13(3):1 －5.

［3］朱萍玉，冷元寶，王少力，等.基于分布式光纖傳感的堤壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光電工程，2009，36(1):57 －62.

［4］王送來(lái).堤壩滲漏分布式光纖傳感檢測(cè)模擬裝置試驗(yàn)研究［D］.湘潭:湖南科技大學(xué)，2007:53 －63.

［5］楊 光，田堪良.土的彈性模量測(cè)試方法的研究［J］.城市道橋與防洪，2006(5):145－147.

［6］李端有，熊 健，於三大，等.土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22(6):29 －33.

［7］厲善元，蔣冬青，梁 磊.新型光纖光柵加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，12(30):117－120.

Analysis of seepage monitoring for an earth dam model with distributed optical fiber sensors

Zhu Pingyu1，2，Jiang Guilin3，Leng Yuanbao2

(1.School of Mechanical and Electric Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China;2.Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;3.College of Electromechanical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan 411201，China)

A monitoring system of seepage and settlement for an earth embankment dam model using fully distributed optical fiber sensing technology is built to simulate seepages in earth dam.The strain curve of the tested optical fiber is obtained from the device in the experiment.The results certify the feasibility of the monitoring system based on distributed optical fiber sensing technology.The analysis model in ANSYS software is set up by simplizing boundary conditions and choosing appropriate calculation units.The relationship between the load applied on the earth dam model and the strain of optical fiber sensors is qualitatively analyzed under some loading cases.The relationship between the load applied on the model and the gravity of collapsed earth is also got.The conclusion is helpful to quantitively judge the degree of seepage and to determine the applicable embedding depth of optical fiber sensors.

optical fiber sensing technology;earth dam model;monitoring;strain;ANSYS

TP212.14;TN247

A

1009－1742(2011)03－0082－04

2009－12－08;

2010－11－15

國(guó)家水利部948引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(200608);清華大學(xué)水利系與黃河水利科學(xué)研究院博士后工作站基金資助項(xiàng)目(201002)

朱萍玉(1971—)，女，湖北鐘祥市人，教授，博士，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感及應(yīng)用;E－mail:zhu.pingyu@gmail.com