基于分布式光纖溫度傳感器的堤壩滲漏監(jiān)測應(yīng)用

周 偉

（安徽維尼檢測科技有限公司,安徽 合肥 230000）

1 引言

由于環(huán)境變化、內(nèi)部侵蝕、老化以及地面運(yùn)動(dòng)等原因,滲漏問題常常存在于水工建筑和管道運(yùn)輸工程中。滲漏不僅會(huì)引發(fā)安全隱患造成經(jīng)濟(jì)損失,而且對環(huán)境具有一定破壞性。水工建筑的滲漏雖為常見缺陷,但其危害不可忽視,若滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重不僅會(huì)威脅到水工建筑的安全運(yùn)行,同時(shí)會(huì)對下游安全形成巨大威脅[1]。因此,監(jiān)測水工建筑滲漏情況具有重要意義。

研究表明,約50%的大壩故障是由建筑內(nèi)部侵蝕、天然徑流裹挾土壤顆粒對水工建筑沖刷導(dǎo)致。在傳統(tǒng)監(jiān)測中,目視法和局部測量法具有一定實(shí)用價(jià)值,但布設(shè)位置通常較遠(yuǎn)難以在第一時(shí)間獲取監(jiān)測資料。目前,學(xué)者們利用土壤電阻率、滲透率與內(nèi)部侵蝕之間的相關(guān)性構(gòu)建方程,以此判斷壩體滲漏情況,但判斷準(zhǔn)確性較低。而分布式光纖溫度傳感器能在第一時(shí)間完成滲漏監(jiān)測,同時(shí)收集的溫度信息與滲漏具有較高的相關(guān)性,使監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確。分布式光纖溫度傳感器（DTS）依靠大量傳感器和靈活的布置,使其測量距離可達(dá)到20 km左右,并有效記錄1 m空間內(nèi)和0.01℃～0.1℃的分辨率,這使得該方法比傳統(tǒng)監(jiān)測方法更具有優(yōu)勢[2-3]。因此本文利用分布式光纖溫度傳感器遠(yuǎn)程收集堤壩的溫度等相關(guān)信息,對信號進(jìn)行處理,以監(jiān)測堤壩滲漏情況。

本文旨在將該監(jiān)測方法應(yīng)用于實(shí)際工程中。利用光纖獲取原始溫度數(shù)據(jù),并通過源分離技術(shù)和奇異點(diǎn)監(jiān)測對信息處理,最終給出不同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果。

2 研究方法

2.1 分布式光纖測溫原理

在測量過程中使用差熱分析法對堤壩進(jìn)行檢測。當(dāng)水工建筑運(yùn)行正常情況下,利用空氣溫度和地下水溫之間的相互作用形成的熱傳遞完成滲漏測量。當(dāng)水流通過堤壩造成了滲漏時(shí),對流現(xiàn)象將會(huì)產(chǎn)生額外熱量。因此,當(dāng)發(fā)生滲漏時(shí),對流疊加引起的局部熱量變化將被光纖的熱傳輸系統(tǒng)捕獲,而光纖的埋設(shè)也應(yīng)置于堤壩內(nèi)部關(guān)鍵位置（例如下游坡腳）處,通過相關(guān)布設(shè)與信息處理,可通過溫度監(jiān)測出滲漏現(xiàn)象[4]。在實(shí)際工況中,由于季節(jié)性溫度變化、地面不均勻性和降水等事件影響,將使得收集到的溫度數(shù)據(jù)包含了多種因素干擾,因此在利用溫度數(shù)據(jù)識別滲漏時(shí)需要進(jìn)行相關(guān)分析,以避免滲漏誤判現(xiàn)象[5]。

2.2 系統(tǒng)模型

圖1為光纖溫度傳感系統(tǒng)在水工建筑中運(yùn)行示意圖。傳感系統(tǒng)主要部件包括：脈沖激光源、定向耦合器和作為固有溫度傳感元件的光纖電纜。監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)拉曼散射產(chǎn)生溫度效應(yīng)對滲漏進(jìn)行記錄,當(dāng)激光源發(fā)射光使纖維材料的分子相互作用時(shí),光子會(huì)在熱誘導(dǎo)分子作用下產(chǎn)生振動(dòng)并完成拉曼散射。其次,根據(jù)與溫度相關(guān)的反斯托克斯分量和溫度無關(guān)的斯托克斯分量之間的強(qiáng)度比給出了溫度信息。最終根據(jù)光纖內(nèi)光的傳輸速度以及傳輸時(shí)間,定位溫度異常點(diǎn)。

圖1 灤河灤州段水系及礦區(qū)分布圖

堤壩漏水會(huì)產(chǎn)生熱異?，F(xiàn)象,而這種隨著時(shí)間推移產(chǎn)生的溫度異變,可通過光纖記錄。然而,受多種環(huán)境因素的影響,在原始溫度數(shù)據(jù)上不易識別到滲漏特征。因此,需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理,以便提取關(guān)于滲漏的有用信息。

光纖記錄數(shù)據(jù)由二維變量構(gòu)成,可通過時(shí)間變量t和距離變量x構(gòu)建相應(yīng)函數(shù),即Y={y（t,x）|1≤t≤Nt,1≤x≤Nx},其中Nx和Nt分別代表光纖長度和采集總數(shù)。原則上,可利用測量管道和埋有纖維土壤之間的溫差識別滲漏。然而,這種差異同樣受人為因素和自然因素干擾,這使得溫度數(shù)據(jù)的獲取包含了多種因素,因此需要將這些因素從原始溫度數(shù)據(jù)中分離出來?？紤]到這些因素的獨(dú)立性,假設(shè)相關(guān)溫度來源為獨(dú)立分布,并以加權(quán)線性混合將溫度數(shù)據(jù)表示出來,其線性方程可表示為：

式中：M為混合變量矩陣；F為因素獨(dú)立來源；B為信號噪音。

為減弱干擾因素的影響,采用數(shù)據(jù)降噪和歸一化等方法對原始信息進(jìn)行處理。考慮到降水周期內(nèi)可能引發(fā)非滲漏導(dǎo)致的預(yù)警,采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)法用以識別此類周期,避免誤報(bào)。

2.3 泄漏監(jiān)測方法

2.3.1 源分離法

源分離法包含奇異值分解（SVD）和獨(dú)立分量分析（ICA）,該方法以公制分辨率監(jiān)測堤壩溫度分布。利用等式（1）中的矩陣M和F將不同熱源進(jìn)行分離,最終得到溫度數(shù)據(jù) Y。

首先以奇異值分解將原始數(shù)據(jù)空間分解成正交子空間,隨后,基于熱源相互獨(dú)立的假設(shè),使用獨(dú)立分量分析處理奇異值分解的輸出結(jié)果。通過最大獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)法區(qū)分熱源并分析不同熱源的貢獻(xiàn)度。最終輸出滲漏監(jiān)測數(shù)據(jù)YL。該方法常用于中期分析中,其計(jì)算過程見圖2。

圖2 源分離滲漏監(jiān)測示意圖

2.3.2 奇異點(diǎn)監(jiān)測法

本文以奇異點(diǎn)監(jiān)測法滿足對每日監(jiān)測的需求,該方法假設(shè)堤壩部分區(qū)域由非奇異區(qū)構(gòu)成,從而顯示奇異區(qū)域的每日溫度變化。圖3為奇異點(diǎn)法在每日監(jiān)測系統(tǒng)中運(yùn)行示意圖。該系統(tǒng)首先核實(shí)氣象條件,以確保無降水天數(shù),同時(shí)記錄相應(yīng)時(shí)間k內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。最終由數(shù)據(jù)本身計(jì)算出奇異區(qū)域24小時(shí)的溫度變化。

圖3 每日預(yù)警系統(tǒng)的滲漏監(jiān)測示意圖

每日預(yù)警系統(tǒng)是基于相異測度數(shù)學(xué)模型以及恒定警報(bào)閾值的監(jiān)測方案。其中,相異測度模型可根據(jù)固定閾值計(jì)算出每日的自適應(yīng)閾值di（x）。最終通過奇點(diǎn)監(jiān)測器將異常結(jié)果

dth（ix）輸出。該系統(tǒng)具有早期預(yù)警的能力,有助于提高異常識別的準(zhǔn)確性。

3 工程應(yīng)用

圖4 為光纖安裝示意圖。由于海拔高度不同,因此將實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)區(qū)域,由于建筑本身因素影響,光纖布設(shè)需繞過排水口D1、D2 并將光纜埋設(shè)在坡趾處。圖5為原始溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空分布圖,其描述了季節(jié)性變化下排水口處和人工滲漏處的溫度變化。

圖4 光纖安裝示意圖

圖5 原始溫度時(shí)空分布圖

為測試滲漏監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)采用人工滲漏模擬堤壩滲漏。滲漏監(jiān)測結(jié)果見表1,描述內(nèi)容包括滲漏流速、位置和持續(xù)時(shí)間。

表1 滲漏監(jiān)測結(jié)果

通過歸一化處理和統(tǒng)計(jì)識別對干擾因素進(jìn)行降噪,再由源分離法獲取監(jiān)測結(jié)果,其監(jiān)測輸出結(jié)果見圖6。通過放大人工滲漏點(diǎn)附近L1、L2和L3的信號,能有效地監(jiān)測和定位人工滲漏點(diǎn)以及滲漏時(shí)間和滲漏流量大小。由表1可知,L1滲流量最大,其次是L2,而L3被認(rèn)為是滲流量最小,這是因?yàn)長3 流速較低,且滲漏發(fā)生時(shí)間為水和空氣溫度差異不顯著的夜間,因此斷定時(shí)刻滲流最小。為了定位滲漏點(diǎn),結(jié)合檢測結(jié)果與信號傳輸速度及時(shí)間,將結(jié)果投影到距離軸yproj（x）上,以獲取真實(shí)的滲漏信息。圖7 為實(shí)驗(yàn)定位滲漏點(diǎn)檢測結(jié)果,根據(jù)結(jié)果顯示滲漏點(diǎn)分別位于D2 前后幾米處。

圖6 基于源分離法滲漏監(jiān)測結(jié)果

圖7 滲漏點(diǎn)定位結(jié)果

圖8為每日預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果圖,該過程對每日最大值進(jìn)行了歸一化處理,以便于觀察異常點(diǎn),根據(jù)結(jié)果可判斷出排水管D2后處和實(shí)際泄漏點(diǎn)為異常點(diǎn),利用該圖有利于跟蹤異常點(diǎn)后續(xù)滲漏演變過程。

圖8 每日預(yù)警系統(tǒng)滲漏監(jiān)測結(jié)果圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性,研究選用不同季節(jié)下的堤壩為研究對象,并將光纜埋設(shè)于邊坡與排水渠的交叉處。通過定期目視檢查表明,該段堤壩存在滲漏現(xiàn)象。利用源分離法對該段堤壩不同時(shí)間進(jìn)行滲漏監(jiān)測,并將結(jié)果投影至yproj（x）上,其結(jié)果見圖9。

圖9 基于源分離監(jiān)測結(jié)果投影

圖中箭頭標(biāo)記位置為滲漏點(diǎn),對比圖9（a）和圖9（b）發(fā)現(xiàn),4月出現(xiàn)異常標(biāo)記的位置在7月無顯著異常表現(xiàn)。通過實(shí)地考察后認(rèn)為,滲漏會(huì)隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)或消失與河流流速隨著季節(jié)變化影響有關(guān)。

4 結(jié)論

本文介紹了分布式光纖溫度傳感器的監(jiān)測原理以及監(jiān)測系統(tǒng)模型。為保障堤壩中期監(jiān)測和每日監(jiān)測需求,分別采用源分離法和奇異點(diǎn)監(jiān)測法對實(shí)驗(yàn)堤壩進(jìn)行監(jiān)測,通過埋設(shè)光纖完成了原始溫度數(shù)據(jù)的收集,以原始數(shù)據(jù)通過線性方程和源分離法得出監(jiān)測結(jié)果,根據(jù)信號傳輸速度和時(shí)間定位出了滲漏點(diǎn)位置。分析不同季節(jié)下壩體滲漏原因發(fā)現(xiàn),滲漏監(jiān)測系統(tǒng)受河道流速影響。通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為分布式光纖溫度傳感技術(shù)是滲漏監(jiān)測的有效方法,結(jié)合目視法能有效提高對滲漏識別的準(zhǔn)確性。