基于光纖傳感技術(shù)的滲流監(jiān)測(cè)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

劉 健 　 李紅濤 　 張 蕾

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南　250061;　2.山東大學(xué)基建部,山東 濟(jì)南　250100)

1　概述

水庫(kù)壩體安全是關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重大問(wèn)題。影響水庫(kù)壩體安全的因素眾多，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，滲透變形與滲漏所占比重最大，近32%的安全事故是由于滲流所引發(fā)[1]。

目前光纖技術(shù)已逐漸成為當(dāng)前安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，成功應(yīng)用于大體積混凝土溫度、裂縫監(jiān)測(cè)、邊坡監(jiān)測(cè)、面板壩、面板裂縫監(jiān)測(cè)等。與傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)：一是能實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，從根本上克服點(diǎn)式檢測(cè)的空間不連續(xù)性造成的漏檢、漏報(bào)險(xiǎn)情問(wèn)題；二是光纖精巧輕柔，不影響埋設(shè)部位的性能和力學(xué)參數(shù)；三是抗電磁干擾，可靠耐久，靈敏度高，易與光纖傳輸集成共同構(gòu)成遙測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)等[2,3]?，F(xiàn)階段的研究主要集中在光纖監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)、微分方程的確定，壩體滲流場(chǎng)參數(shù)與動(dòng)態(tài)溫度的定量耦合關(guān)系還需要大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本文開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)溫度與壩內(nèi)滲流參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，為光纖傳感技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持[4-6]。

2　室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1　光纖傳感技術(shù)滲流監(jiān)測(cè)原理

光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)由分布式光纖溫度測(cè)量?jī)x和光纖傳感器兩部分組成，DTS組成又包括激光組件、光纖波分復(fù)用器、光電接收放大組件、信號(hào)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)中光纖既是傳感器也是傳輸通道。DTS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖所通過(guò)地方溫度場(chǎng)的連續(xù)、分布式的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫點(diǎn)的定位，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔介質(zhì)中滲流的監(jiān)測(cè)。由于滲流發(fā)生前，存在的熱量傳遞形式只有光纖與多孔介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)，滲流發(fā)生后，多了光纖與水之間的熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)，因此滲流區(qū)與非滲流區(qū)相比就會(huì)出現(xiàn)溫差。通過(guò)光纖溫度傳感系統(tǒng)所得的溫度分布曲線和理論分析，即可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流區(qū)位置的定位和滲流速度的計(jì)算。

2.2　試驗(yàn)裝置

1)相似比設(shè)計(jì)。依托于南水北調(diào)東線工程大屯水庫(kù)，設(shè)計(jì)本文模型的相似比。本模型的流速相似比、流量相似比和時(shí)間相似比都是基于幾何相似比和滲透系數(shù)相似比而來(lái)的。同時(shí)考慮到試驗(yàn)的可操作性和尺寸效應(yīng)，本試驗(yàn)的幾何相似比為1∶25，滲透系數(shù)相似比為1∶1。

2)模型試驗(yàn)系統(tǒng)。模型槽長(zhǎng)4.0 m，寬1.0 m，高1.0 m，側(cè)面設(shè)有測(cè)壓管和帶有閥門的溢流孔。測(cè)壓管模型槽接口距底部20 cm，水平間距40 cm。溢流孔間距10 cm，用于調(diào)控水頭高度。模型槽一側(cè)設(shè)有進(jìn)水口，另一側(cè)底部設(shè)有出水口，出水口可以及時(shí)排出通過(guò)滲流到達(dá)另一側(cè)的水。壩體模型高80 cm，下部墊層高20 cm，壩頂寬40 cm。壩體填筑材料采用粗砂，控制壓實(shí)度，同樣采用分層填筑的方式。整個(gè)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)中采用的光纖為碳纖維加熱光纖，型號(hào)NZS-DTS-C11。DTS解調(diào)儀分辨率為1 m，為提高分辨率，采取將光纖纏繞在直徑5 cm PVC管上的方式，PVC管長(zhǎng)度50 cm，纏繞過(guò)程中使光纖之間緊密接觸，確保對(duì)光纖加熱過(guò)程中使其均勻受熱，同時(shí)可達(dá)到提高空間分辨率的效果，埋置時(shí)光纖測(cè)管距模型槽底部20 cm，埋置位置如圖2所示。

2.3　試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)水頭設(shè)置為10 cm,20 cm,30 cm,40 cm，加熱裝置通過(guò)采用變壓器以及電流表來(lái)控制碳纖維的溫度變化，測(cè)量設(shè)備采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿程各點(diǎn)溫度。通過(guò)水管向模型槽內(nèi)注水，待水位達(dá)到10 cm水位時(shí)，打開(kāi)預(yù)先安裝好10 cm處溢流孔，來(lái)實(shí)現(xiàn)水頭高度恒定。實(shí)時(shí)觀測(cè)模型槽外側(cè)測(cè)壓管，待另一側(cè)滲出水時(shí)，通過(guò)量筒每5 min量測(cè)一次出水量。待水量穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)啟加熱設(shè)備，加熱22 min停止加熱。繼續(xù)下一組試驗(yàn)，關(guān)閉下方溢流孔，水位達(dá)到20 cm時(shí)，打開(kāi)20 cm高度處預(yù)設(shè)溢流孔，必要時(shí)可同時(shí)打開(kāi)下方10 cm高度處溢流孔實(shí)時(shí)控制水頭高度，量筒每5 min量測(cè)一次出水量，待水量穩(wěn)定時(shí)，重復(fù)上組試驗(yàn)操作步驟。按此步驟逐級(jí)加載水頭，完成試驗(yàn)。

3　試驗(yàn)結(jié)果

從PVC管底部沿其垂直高度方向每3 cm設(shè)置一個(gè)光纖測(cè)點(diǎn)，分別為0 cm高度處測(cè)點(diǎn)、3 cm高度處測(cè)點(diǎn)、6 cm高度處測(cè)點(diǎn)、9 cm高度處測(cè)點(diǎn)。將纏繞的感測(cè)光纖長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為PVC管的長(zhǎng)度，然后分析各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)，如圖3所示。

從不同水頭情況下光纖上各測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線可以看出：在不同水頭高度情況下，PVC管上各測(cè)點(diǎn)光纖溫度均隨加熱時(shí)間的增大顯現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，光纖溫度趨于平穩(wěn)。各水頭條件下光纖達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間以及溫升幅度隨測(cè)點(diǎn)高度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

不同高度測(cè)點(diǎn)的溫升值變化曲線如圖4所示，各測(cè)點(diǎn)的溫升幅度隨水頭高度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，同時(shí)隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加溫升幅度逐漸增大。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)滲流發(fā)生時(shí)，預(yù)埋置在壩體模型中的光纖上各測(cè)點(diǎn)溫度隨著加熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，各水頭條件下光纖達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間以及溫升幅度隨測(cè)點(diǎn)高度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。2)光纖上各測(cè)點(diǎn)的溫升幅度隨水頭高度的升高逐漸減小，隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加逐漸增大。3)結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的同種壓實(shí)度工況下光纖溫升值與土石壩上游水頭之間的線性擬合結(jié)果，即可監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)特定點(diǎn)的滲流場(chǎng)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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