堤防浸潤線光纖監(jiān)測模擬試驗(yàn)研究

秦暢

摘要：滲流浸潤線監(jiān)測是堤防安全監(jiān)測的重要組成部分，傳統(tǒng)的浸潤線監(jiān)測技術(shù)雖然得到長時(shí)間的廣泛應(yīng)用，但其弊端較多，比如只能進(jìn)行點(diǎn)式監(jiān)測、實(shí)時(shí)性較差等。目前，分布式光纖測溫技術(shù)的快速發(fā)展為堤防滲流監(jiān)測開辟了新的研究方向。已有許多學(xué)者利用分布式光纖測溫技術(shù)深入研究了滲流監(jiān)測問題，取得許多研究成果，但其中的光纖布型大部分采用直線布型，因光纖定位精度技術(shù)限制，嚴(yán)重影響監(jiān)測結(jié)果。本文基于測溫光纖測點(diǎn)定位特點(diǎn)研究設(shè)計(jì)新的光纖布型以提高溫度測點(diǎn)定位精度，并應(yīng)用新光纖布型開展堤防浸潤線光纖監(jiān)測模型試驗(yàn)研究，研究堤防浸潤線光纖監(jiān)測方法。

關(guān)鍵詞：堤防安全，浸潤線，光纖檢測，模型試驗(yàn)

1 堤防浸潤線光纖監(jiān)測模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/p>

1）試驗(yàn)水槽 試驗(yàn)水槽分為進(jìn)水段和試驗(yàn)段兩部分，在進(jìn)水段前端開有四個出水孔，其中三個是用于控制進(jìn)水段水位，最后一個靠近底板用于排空進(jìn)水段蓄水；在試驗(yàn)段一側(cè)面每隔500mm各設(shè)一個水位觀測孔，用于觀測不同水位下相應(yīng)位置浸潤線距底板的高度。

2）傳感光纖布設(shè) 水槽試驗(yàn)段共布設(shè)三層監(jiān)測光纖層。

3）試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱?水槽試驗(yàn)段每填埋10cm砂土便在砂土表面正中平鋪一層光纖，在填砂過程中應(yīng)保護(hù)好層與層之間的連接段光纖，不能應(yīng)過渡彎曲而將其折斷。

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

堤防浸潤線光纖監(jiān)測試驗(yàn)，通過在砂土中埋設(shè)的三層光纖，研究利用DTS測溫系統(tǒng)定位浸潤線及感知滲流在砂土內(nèi)發(fā)展過程的可行性。試驗(yàn)主要選取加熱功率和不同水位作為試驗(yàn)因素。一般情況下，堤防在非汛期運(yùn)行性態(tài)平穩(wěn)，浸潤線相對穩(wěn)定，滲流安全險(xiǎn)情發(fā)生的較少。但是在汛期，河道水位上升，導(dǎo)致浸潤線上抬，容易誘發(fā)滲流安全險(xiǎn)情。針對工程實(shí)際，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)以下兩種工況：

1）穩(wěn)定滲流工況

穩(wěn)定滲流工況主要是模擬浸潤線基本穩(wěn)定的情況，探究利用加熱光纖定位浸潤線位置的可行性。試驗(yàn)思路為：首先向水槽進(jìn)水段注水至預(yù)設(shè)水位，保持其不變，讓其形成該水位下的穩(wěn)定浸潤線，然后選定合適加熱功率對光纖加熱一定時(shí)間，之后讓其自然降溫，通過分析光纖在降溫過程中的溫差變化規(guī)律，定位浸潤線的大致位置。

2）非穩(wěn)定滲流工況

設(shè)計(jì)此工況主要是為了分析汛期水位上漲時(shí)在堤防體內(nèi)滲流性態(tài)的變化情況，及研究利用加熱光纖定位浸潤線的可行性。試驗(yàn)思路為：首先選定合適的加熱功率對埋設(shè)在砂土中的光纖加熱到基本穩(wěn)定狀態(tài)，然后向水槽進(jìn)水段逐步地將水位抬高，通過DTS測溫系統(tǒng)感知水位在上升過程中光纖的溫降變化，并結(jié)合測壓管監(jiān)測成果分析砂土內(nèi)滲流變化情況及定位浸潤線的可行性。

1.3 加熱功率選擇及試驗(yàn)步驟

1）加熱功率選擇

在進(jìn)行各設(shè)計(jì)工況試驗(yàn)之前，先使用伏安法精確地測得加熱段光纖的電阻，計(jì)算出光纖加熱功率對應(yīng)的加載電壓。

現(xiàn)選定加熱功率從3W/m到19W/m，每隔2W/m的間隔逐漸增加，在每米加熱功率下計(jì)算出輸出電壓并將調(diào)壓器撥到相應(yīng)電壓即可加熱。

結(jié)果顯示，在砂土中不同加熱功率下光纖的溫升值各不相同，光纖的溫升值隨加熱功率的增大而增大，以加熱功率P為x軸，溫升值為y軸的兩者擬合曲線見圖。

加熱功率與砂土中光纖穩(wěn)定溫升值的關(guān)系曲線

從上圖可知，與空氣中光纖加熱溫升一樣，在砂土中加熱功率與光纖穩(wěn)定升溫值大致呈線性關(guān)系，且兩者的擬合效果很好，由此得到光纖在砂土中加熱功率與穩(wěn)定溫升之間的關(guān)系式為。由此可知，在砂土中光纖穩(wěn)定溫升值只與每米加熱功率有關(guān)，即只要對任意長度的光纖隨意選定一個加熱功率，就能大致的確定光纖溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫升值。與加熱功率與空氣中光纖穩(wěn)定溫升值的關(guān)系曲線相比，相同加熱功率下，光纖在砂土中達(dá)到的穩(wěn)定溫升值明顯要低于空氣中。

可以得出，相同加熱功率下，光纖在砂土中達(dá)到穩(wěn)定溫升值的時(shí)間要明顯長于空氣，但穩(wěn)定溫升值卻要遠(yuǎn)小于空氣中的光纖?；诖?，本次試驗(yàn)中加熱功率的選擇應(yīng)有別于水深測量試驗(yàn)。在砂土中，加熱功率越大，光纖的穩(wěn)定溫升值越大，到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間也越長，表現(xiàn)出來的加熱效果越明顯。本次試驗(yàn)的加熱功率選為11W/m、13W/m、15W/m。

2 堤防浸潤線光纖監(jiān)測試驗(yàn)成果分析

首先利用關(guān)系式，求出每層光纖布型段溫度測點(diǎn)距水槽試驗(yàn)段進(jìn)水口處的水平距離。在此后的分析中，均用水平距離值表示對應(yīng)的光纖測點(diǎn)。

2.1 穩(wěn)定滲流工況試驗(yàn)成果分析

此種工況進(jìn)行了9次試驗(yàn)，分別為水位為15cm對應(yīng)加熱功率為11W/m、13W/m、15W/m，水位為25cm對應(yīng)加熱功率為11W/m、13W/m、15W/m，水位為35cm對應(yīng)加熱功率為11W/m、13W/m、15W/m?，F(xiàn)以水位為25cm工況下三次試驗(yàn)為例進(jìn)行成果分析。

1）監(jiān)測成果規(guī)律分析

（1）在相同時(shí)間內(nèi)，離模型試驗(yàn)段上游側(cè)面越近的光纖測點(diǎn)，溫降越大；反之，溫降越小。

（2）加熱功率越小，光纖層溫降過程圖中的分界越不明顯。

（3）浸潤線以下，光纖的傳熱方式為以下兩種：一是光纖與飽和砂土之間的熱傳導(dǎo)，二是水流對光纖的熱對流。浸潤線以上，光纖的傳熱方式只有一種，即光纖與非飽和砂土之間的熱傳導(dǎo)。故在相同的降溫時(shí)間內(nèi)，浸潤線以下部分光纖的溫降值大于浸潤線以上部分，且因滲流流速的差異導(dǎo)致彼此間的溫差值也存在差異；而浸潤線以上部分光纖溫降值基本相同，且比較小。

綜上，可歸納出穩(wěn)定滲流工況下靠近浸潤線測點(diǎn)的判定方法：將光纖層所有溫降過程線分為兩部分的測點(diǎn)，或光纖溫差沿程分布曲線中溫差值開始保持基本不變的前一測點(diǎn)。

2.2 非穩(wěn)定滲流工況試驗(yàn)成果分析

光纖加熱功率越大，光纖監(jiān)測效果越良好，所以非穩(wěn)定滲流工況試驗(yàn)以15W/m加熱功率試驗(yàn)為例進(jìn)行成果分析。

1）光纖升溫到基本穩(wěn)定溫度后，當(dāng)砂土發(fā)生滲流時(shí)，浸潤線及毛管水影響區(qū)內(nèi)的光纖測點(diǎn)溫度下降，而未受毛管水影響的測點(diǎn)，其溫差值在0附近，基本保持穩(wěn)定溫度。另外，隨著滲流向前行進(jìn)，在滲水及毛細(xì)管水影響下的光纖測點(diǎn)，其溫度隨時(shí)間逐漸降低，這表明滲水能穿過浸潤線從飽和區(qū)進(jìn)入非飽和區(qū)，并在非飽和區(qū)繼續(xù)前行。

2）水位在逐級上升的過程中，相同時(shí)間下，原先在浸潤線以下的測點(diǎn)仍在浸潤線以下，其溫降值變化很??；而原先受毛細(xì)管水影響的測點(diǎn)變?yōu)榻櫨€以下的測點(diǎn)，其溫降值改變較大。

3）相同水位條件下，底部光纖層溫降值最大，其次是中間光纖層，上部光纖層溫降值最小。由此可知，同等條件下，光纖鋪設(shè)層離堤基越遠(yuǎn)，其溫降值越小。

3 小結(jié)

本文分析了分布式光纖測溫技術(shù)的特點(diǎn)，提出浸潤線監(jiān)測光纖新布型，研究了基于分布式光纖測溫技術(shù)的堤防浸潤線監(jiān)測方法，主要成果如下：

（1）分析了分布式光纖測溫技術(shù)的特點(diǎn)，針對其空間分辨率不足，設(shè)計(jì)提出了一種新的光纖布型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法測定浸潤線位置的可行性。

（2）基于光纖新布型，設(shè)計(jì)和組建了一個由DTS測溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)及堤防滲流模型等組成的光纖浸潤線監(jiān)測試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流試驗(yàn)工況，給出了相應(yīng)的試驗(yàn)方法。

（3）堤防浸潤線光纖監(jiān)測試驗(yàn)成果分析表明，光纖新布型能夠較為準(zhǔn)確地定位出浸潤線的位置。在非穩(wěn)定滲流工況下，光纖新布型能夠?qū)崟r(shí)感知滲流的發(fā)展過程，可以監(jiān)測浸潤線及毛管水上升區(qū)的位置變化。endprint