分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測技術研究進展

彭俊元

摘 要：分布式光纖溫度傳感器以其自身的絕對優(yōu)勢，在滲漏監(jiān)測方面得到了廣泛應用。本文從分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測技術的工作原理出發(fā)，對其中包含的兩種監(jiān)測方法進行了比較，同時，還對當前國內在該技術方面的研究現(xiàn)狀進行了分析，最后探討了該技術的未來發(fā)展趨勢，以供參考。

關鍵詞：分布式光纖溫度傳感器；滲漏監(jiān)測；進展

中圖分類號： TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-150-2

0 引言

隨著社會的進步，科學技術得到了快速的發(fā)展，使得各種滲漏監(jiān)測技術不斷涌現(xiàn)。傳統(tǒng)的點式監(jiān)測技術由于無法實現(xiàn)整體性覆蓋，在監(jiān)測的過程中會出現(xiàn)很多盲區(qū)，不利于工程的安全進程，尤其是針對一些線路比較長、分布比較廣的工程，如油、氣管道和堤壩工程，一旦安全隱患增多，將會出現(xiàn)嚴重后果。在這類工程中，如果增加監(jiān)測點，會增加很多額外的成本，同時施工難度也會加大。分布式光纖溫度傳感器的出現(xiàn)，很好地解決了這個難題。利用分布式光纖溫度傳感器，能夠完全覆蓋所要檢測的對象。該傳感器的傳感部件和信號傳輸部件都屬于功能性光纖，成本較低。在實際的工程過程中，分布式光纖傳感器可以利用光時域技術對滲漏部分進行定位，并能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測，而且，該技術施工簡單，監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測距離長，抗腐蝕、耐高溫、抗高壓、防雷擊、抗電磁輻射能力都比較強，在滲漏監(jiān)測領域得到了廣泛應用。

1 分布式光纖溫度傳感器的工作原理

溫度示蹤原理是分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測技術的基礎。其基本工作原理是：滲漏的水流（或者油、氣）在與土壤和地下光纖接觸時，會出現(xiàn)熱傳遞，在它們進行熱量交換的過程中，使得滲漏部位與非滲漏部位的溫度產生差異，尤其是滲漏水流（或者油、氣）的流速越大，滲漏部位的溫度變化就越大。此時，我們可以利用這種滲漏部位與非滲漏部位之間的溫度差異實現(xiàn)滲漏監(jiān)測，即利用溫度場反饋滲流場。這種檢測方法的前提是滲漏水流（或者油、氣）與土壤存在較大的溫度差異，如果溫度差異不明顯，我們可以對光纖進行加熱，人為改變溫度差異。這樣一來，我們就可以將檢測方法進一步分為梯度法和加熱法兩種方法。

1.1 梯度法

所謂梯度法，就是直接利用滲漏水流（或者油、氣）與土壤之間的溫度差異進行滲漏監(jiān)測。首先對土壤溫度場分布情況進行測量，然后對測量結果進行分析，如果發(fā)現(xiàn)土壤局部范圍內溫度變化比較大，可以利用光纖溫度場進行分析，進而確定發(fā)生滲漏的部位。想要確定滲漏流速，就可以根據(jù)已有的溫差和滲漏流速關系模型，對監(jiān)測的溫度場進行深度分析，從而確定滲漏的流速。利用梯度法進行滲漏監(jiān)測時，必須加深光纖的埋置深度，否則光纖溫度容易受到外界溫度的影響，對監(jiān)測結果影響較大。此外，滲漏水流（或者油、氣）也要和土壤具有明顯的溫度梯度。因此，梯度監(jiān)測方法受到季節(jié)變化的影響比較大，進而使得梯度監(jiān)測法的使用范圍受到了一定的限制。

1.2 加熱法

加熱監(jiān)測法，顧名思義就是人為的對光纖進行加熱，從而使?jié)B漏水流（或者油、氣）與光纖產生一定的溫度差異。利用加熱法進行監(jiān)測時，需要在光纖周圍并行設置特別的導體，測量之前需要首先將導體通電，提升光纖周圍的溫度，然后再進行光纖溫度場的測量。如果存在滲漏點，該部位的溫度會明顯低于其他部位，這樣就可以很容易的確定滲漏部位。與梯度法類似，我們也可以通過溫度升高與滲漏流速的關系模型，對滲漏流速的大小進行確定。由于季節(jié)的變化不會對加熱法造成影響，使得加熱監(jiān)測法比梯度監(jiān)測法的應用范圍更加廣泛。

2 國內研究現(xiàn)狀

當前，我國在分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測技術方面的研究仍然處于定性監(jiān)測階段，也就是說，我們僅僅將其作為確定滲漏部位的一種技術手段，而利用該技術實現(xiàn)滲漏的量化監(jiān)測，相關研究者仍在模擬和試驗，而且該研究在理論方面主要包含理論推導和有限元模擬等內容。因此，對分布式光纖溫度傳感器技術仍需繼續(xù)研究。

在理論分析方面，肖衡林等以多孔介質傳熱理論基本假定為基礎，結合分布式光纖溫度傳感原理推導分析得出計算滲流流速的理論解，該理論解描述了滲流流速與多孔介質導熱系數(shù)、孔隙率和外加熱功率等因素的關系，目前該關系尚未得到驗證；陳江等提出以多孔介質-熱源-FBG的共軛傳熱數(shù)學模型理論為基礎的熱脈沖法，采用ADINA進行數(shù)值模擬，得出溫升與滲流速度及加熱功率的關系；陸艷梅等根據(jù)熱傳導方程及系統(tǒng)能量方程提出了大壩滲漏傳熱模型，并根據(jù)邊界條件及初始條件推導出拉氏空間下以Bessel函數(shù)表示的無量綱解析解，同時結合工程實例驗證了該模型的合理性；王新建等利用疊加原理推導出堤壩多滲漏通道溫度場解析解，并利用BURSA-WOLF模型轉化坐標，運用最優(yōu)化方法迭代出堤壩集中滲漏通道位置的數(shù)值解，結合工程實例確定了滲漏通道的位置，證明了該方法的有效性；董海洲等利用熱平衡理論及壩體周圍土體溫度變化與集中滲漏流速關系建立了數(shù)學物理模型，在層流和紊流2種不同流態(tài)下探討了滲流流速的確定方法，并結合實例驗證了其正確性。

3 發(fā)展趨勢

分布式光纖溫度傳感器優(yōu)勢明顯，例如成本低廉、耐高溫、耐腐蝕、穩(wěn)定性也較強，因此其在滲漏監(jiān)測領域的發(fā)展前景良好。但是我國對分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測技術的研究仍然處于初級階段，還需要對其進行更加深入的研究。

3.1 實現(xiàn)定量監(jiān)測

當前我國還沒有實現(xiàn)利用分布式光纖溫度傳感器對滲漏量進行定量監(jiān)測，只是在研究的過程中積累了部分實驗數(shù)據(jù)和理論模型，不過因為地下土壤成分復雜，加上各種實驗條件難以達成，在該方面的研究成果尚不能統(tǒng)一，仍需要進一步的研究確定。但是在我國《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》中，有關土石壩的滲漏量監(jiān)測方面的規(guī)定，對未來實現(xiàn)滲漏量的定量監(jiān)測具有深刻意義。

3.2 考慮施工控制因素

3.2.1 壓實度

壓實度在實際工程中具有非常重要的作用，例如，在土石壩工程施工中，工程施工質量的主要指標中就包含土體的壓實程度，并且在相關規(guī)范中對土壤的壓實度也有明確規(guī)定。由此可見，要想將研究成果順利應用到實際中，還需要對實際工程的施工內容進行深入分析。眾多周知，土壤的壓實度與土壤滲透性關系密切，在土壤相同的條件下，土壤壓實度與土壤滲透系數(shù)屬于反比例關系。從現(xiàn)有的研究成果看來，壓實度對滲透性的影響還不夠全面，需要在后續(xù)的研究中進行重點分析。

3.2.2 現(xiàn)場光纖網(wǎng)絡布置方法

利用分布式光纖溫度傳感器進行滲漏監(jiān)測的時候，需要在監(jiān)測范圍內按照一定的原則進行光纖網(wǎng)絡布置，即光纖布置應該簡潔、經濟，最主要的是做到對檢測范圍的全覆蓋。對于正在建設的工程，在布置光纖時，難免影響施工進度，而且施工和光纖布置同時進行也容易損壞光纖，埋設的傳感器成活率無法保證；對于線路比較長的工程，比較適合選擇加熱監(jiān)測法，但是需要保證對加熱電線的網(wǎng)絡設計不會對施工安全造成影響；對于已經建設好的工程，則應該注重布置光纖時的打孔尺寸，避免尺寸過大影響工程的安全性能。可見，在不同的工程中，進行光纖布置時需要區(qū)別對待，并做好經驗積累。

3.3 其他輔助監(jiān)測手段

在工程監(jiān)測方面，還包含光纖光柵傳感器、測壓管等多種手段。當工程的檢查項目比較多時，應當充分考慮各種監(jiān)測手段的優(yōu)劣勢，取長補短，將多種監(jiān)測手段充分結合在一起，確保監(jiān)測結果更加準確、可靠。例如，在土石壩工程中，需要監(jiān)測變形、滲流壓力、孔隙水壓力以及水位等多個指標，我們就可以利用分布式光纖溫度傳感器對滲流進行定位和定量監(jiān)測，利用光纖光柵傳感器和測壓管對溫度、應力和水壓力進行監(jiān)測。

4 結束語

綜上所述，分布式光纖溫度傳感器以其覆蓋面廣泛、成本低廉、定位準確等優(yōu)勢，被廣泛應用到管道工程、土石壩工程以及堤壩工程等多種工程中，但是對于該技術的研究仍然不夠全面，需要相關技術人員共同努力，解決該技術尚不能達到的目標。

參 考 文 獻

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