基于光纖分布渠道滲流自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

張安慶

(上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)第六設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230031)

光纖光柵傳感技術(shù)是近年來發(fā)展極為迅速的一種新型光纖無源傳感器件。光纖光柵作為最成熟的一種光纖傳感技術(shù)，它具有無源本質(zhì)安全防爆、無電磁干擾、長距離 信號傳輸、長期穩(wěn)定性好、多參量并行檢測等顯著優(yōu)勢，已在土木工程、航空航天、 鐵路、電力石化、水利等行業(yè)廣泛應(yīng)用。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)可多參量同時監(jiān)測，同一系統(tǒng)同一監(jiān)測鏈路上可混合接入、同時測量多個點的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、滲壓、土壓等多種物理量，可進(jìn)行邊坡裂縫監(jiān)測、位移監(jiān)測、傾斜監(jiān)測、地下水位滲壓監(jiān)測、錨桿張力監(jiān)測等等[1-4]。楊皓然等[5]介紹了分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在岷江犍為航電樞紐庫區(qū)防護(hù)工程中的應(yīng)用實; 劉健等[6]分析了采用分布式光纖的溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測水利工程滲流的可行性,設(shè)計室內(nèi)模型試驗,分析了試驗過程中土石壩模型的溫度變化與水頭和光纖加熱時間的關(guān)系,得出了加熱時間—溫度變化、水頭變化—溫度變化的關(guān)系；林成鋒等[7]設(shè)計了基于加熱弱光纖監(jiān)測滲流的圓筒模型試驗,通過光纖周圍溫度場與滲流場的耦合關(guān)系, 間接獲得圓筒模型的滲流狀態(tài)；陶珺等[8]為監(jiān)測土石壩內(nèi)滲流水的情況,提出一種多點光纖Bragg光柵傳感器(FBG)結(jié)構(gòu), 采用InGaAs光電探測器陣列探測光強(qiáng)的光纖光柵傳感陣列的波長解調(diào)方法。本文基于拉曼分布式溫度傳感(DIS)的分布式光纖，對350 m長的水渠滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測分析,如圖1，并對渠道滲流區(qū)域以及識別指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考[9]。

1 工程概況

本次渠道滲流監(jiān)測項目位于安徽省，地表和地下水位之間的距離為1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場勘察地基土可分為五個工程地質(zhì)層：(1)人工填土層(Qml)，主要由素填土組成，呈褐黃～灰黃色，可塑狀態(tài)為主，無層理，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)土為主，局部夾粉土薄層，表層含植物根莖等，屬中壓縮性土為主。填墊年限大于十年。(2)粉質(zhì)黏土層，呈褐黃～灰黃色，軟塑～可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)、有機(jī)質(zhì)，屬中壓縮性土，局部夾黏土透鏡體。(3)淤泥質(zhì)黏土層，呈灰色，流塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土。(4)粉質(zhì)黏土層，呈灰色，軟塑狀態(tài)為主，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。局部夾淤泥質(zhì)土、黏土透鏡體。(5)上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層(Q3dmc)，主要由黏土組成，呈灰～黃灰色，可塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬中(偏高)壓縮性土。局部夾粉質(zhì)黏土透鏡體。

圖1 渠道滲流監(jiān)測位置

2 分布式光纖簡介及安裝

渠道后方土體溫度的波動常被用作識別水渠異常滲流的指標(biāo)。溫度感測的原理是假設(shè)當(dāng)正常流態(tài)存在時，溫度波動是由周邊環(huán)境變化引起的熱傳導(dǎo)驅(qū)動的，而當(dāng)水渠發(fā)生異常滲流時，溫度波動的幅度會變得非常顯著。分布式光纖傳感采用的是接觸式傳感器技術(shù)，能夠以足夠的空間分辨率測量長距離下土壤的溫度變化，在路堤溫度監(jiān)測中的首次應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)90年代中期，尤其是利用基于拉曼分布式溫度傳感(DIS)的分布式光纖是最常用的光纖傳感器，也適用于渠道滲流的研究。當(dāng)使用光信號探測光纖時，由于纖維材料的均勻性，會產(chǎn)生兩個信號，并沿纖維反向傳播。此外，當(dāng)用脈沖光探測纖維和測量往返傳播時間時，可以向前確定反向傳播光信號的位置，其強(qiáng)度與當(dāng)?shù)販囟扔嘘P(guān)。本文采用的是Oryx SR DTS訪問器，其特點是在30 s的測量時間內(nèi)，具有1 m的空間分辨率和2 km內(nèi)0.1 ℃的溫度分辨率，溫度精度限制在0.5 ℃以內(nèi)。光纖測溫的主要困難是識別不同的滲流信號(受時間速率、振幅、空間梯度等影響)，為解決這個問題，本研究中提出并采用了主動測溫法，該方法使用一條或多條混合電纜嵌入光纖，通過焦耳效應(yīng)加熱電纜。加熱和冷卻階段的溫度動態(tài)，即達(dá)到最終穩(wěn)定溫度的時間與滲流引起的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)。這種方法在水溫度變化較小或水與土壤中測量點之間的溫度梯度非常小的水渠中有效。在本文的監(jiān)測現(xiàn)場中，在一條350 m長的溝渠中安裝了一根光纖電纜，如圖2所示，光纜部署在三個層面，深度約為1.8 m(1級)、1.0 m(2級)和0.5 m(3級)。在該應(yīng)用中，嵌入光纖和四根銅線的混合電纜可用于主動測溫。

圖2 水渠光纖布置

埋入光纖的溝槽開挖因盡可能地窄，同時考慮路堤的水平尺寸。光纜與溝槽側(cè)壁的原狀土接觸，填充土被壓實，以防止溝槽內(nèi)的水垂直流動。此外，在安裝光纖期間，潛水面深度低于8 m。圖3給出了三個級別上光纖的溫度分布實測數(shù)據(jù)，一組為夏季所采集的數(shù)據(jù)，另一個為冬季所采集的數(shù)據(jù)，其中季節(jié)波動不同，三層光纖的溫度變化也有所不同。冬季的平均溫度從低層往高層逐漸下降，而在夏季則相反，此時溫度隨深度降低。2020年7月26日和2021年2月1日的兩次測量都是在干燥天氣條件下進(jìn)行的，此外，還可以觀察到，三種光纖的溫度變化均顯示出一種共同的趨勢，即在某一位置出現(xiàn)局部峰值和凹陷，可能與土體的空間變異性有關(guān)。

圖3 不同季節(jié)下光纖溫度變化規(guī)律

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為評估現(xiàn)場光纖監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，本文通過兩次降雨工況來進(jìn)行評估，始于10月27日，于11月1日結(jié)束。圖4給出了不同時段降雨量以及渠道水和空氣溫度的演變，并標(biāo)記了兩個重要時刻，用于光纖溫度測量的后續(xù)結(jié)果分析。需要注意的是，降雨在10月27日上午晚些時候較大，并于10月30日結(jié)束，且近3周內(nèi)沒有降雨記錄。兩次大降雨從10月27日下午晚些時候開始，到10月31日晚上結(jié)束；其特點是10月30日清晨出現(xiàn)最大峰值；洪水開始時，平均氣溫下降，然后保持近似穩(wěn)定(有一些波動)，直到10月30日結(jié)束。其次，在降雨峰值開始之前，水渠水流溫度大致保持不變，然后緩慢下降，從而在10月3日上午之后穩(wěn)定在較低水平。從圖4中還可看出，在10月28日之前，渠水溫度在2 d內(nèi)相對穩(wěn)定，等于10.0 ℃，然后在第二次強(qiáng)降雨后下降，由于來自周圍山脈的冷卻水，最終穩(wěn)定在8.4 ℃左右。10月31日之后，水溫約為11.4 ℃。

圖4 不同時段降雨量以及渠道水和空氣溫度的演變

圖5給出了降雨期間兩個不同時刻光纖溫度變化規(guī)律，即10月28日上午9:45、10月31日，第一次對應(yīng)于水渠水位上升階段，而第二次位于第二次峰值降雨之后。監(jiān)測于上午9點45分開始，在50 min的時間段內(nèi)，每2 min測量一次溫度。由圖5可知，在降雨峰值出現(xiàn)以前，3種級別光纖的溫度都明顯高于強(qiáng)降雨之后的溫度，總體上呈現(xiàn)出U型變化。根據(jù)10月28日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，L1光纖在整個渠長范圍內(nèi)最高溫度為14.6 ℃，L2為14.5 ℃，L3為14.2 ℃，而3者的最低溫度分別均出現(xiàn)于渠長176 m處，分別為13.1 ℃、12.8 ℃和12.6 ℃。而對于10月31日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，L1光纖在整個渠長范圍內(nèi)最高溫度為13.0 ℃，L2為12.6 ℃，L3為12.1 ℃，而3者的最低溫度同樣出現(xiàn)于渠長176 m處，分別為11.5 ℃、11.6 ℃和11.1 ℃。

圖5 給出了降雨期間兩個不同時刻光纖溫度變化規(guī)律

圖6 渠水溫度與光纖溫度的差值

通過比較兩個時間段的光纖監(jiān)測結(jié)果，可以得出三種光纖沿渠長的溫度都會隨著渠水溫度的下降而下降，圖6給出了渠水溫度與光纖溫度的差值。由圖6可知，L1與L2光纖溫度與渠水溫度相差較小，而L3呈出現(xiàn)出明顯的震蕩，最大溫差達(dá)到2 ℃，說明表層光纖由于更接近地面，導(dǎo)致溫差不明顯，而底層的光纖能夠更號反映渠道滲流的實際情況。總體而言，在降雨期間，水渠水頭超過一側(cè)地面標(biāo)高時，沿垂直方向會發(fā)生局部垂直滲流，導(dǎo)致縱向溫度下降，其中L3的溫度變化最大，說明光纖能明顯感知滲流的存在。在第一次降雨滲透過程中，由于土體表層的水力滲透系數(shù)低，在非飽和條件下甚至更低，可以觀察到每天測得的L1和L2光纖溫度振蕩與渠水溫度沒有明顯相關(guān)性。 值得一提的是，光纖測得的溫度降低可能與從河床到陸側(cè)路堤坡腳的分流有關(guān)，因此，很難確定滲漏率較高的精確位置。然而，值得注意的是，大約185 m到208 m處測量出了溫度梯度的反轉(zhuǎn)，這可能是由于存在優(yōu)先且更快的向上滲流的路徑，與土體的性質(zhì)有關(guān)，局部混合了不同溫度的地下水。在整個降雨發(fā)生期間，該區(qū)域以及溫度梯度的反轉(zhuǎn)程度增大，如圖7所示。

圖7 溫度梯度反轉(zhuǎn)區(qū)域

4 結(jié) 論

本文將先進(jìn)的分布式光纖與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)相結(jié)合，對350 m長的水渠滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測分析。其中監(jiān)測以溫度波動為主要分析對象來判斷水渠是否發(fā)生異常滲流，而滲流水頭通過兩次天然降雨來進(jìn)行施加。研究結(jié)果表明，在降雨峰值出現(xiàn)以前，光纖的溫度都明顯高于強(qiáng)降雨之后的溫度，總體上呈現(xiàn)出U型變化；無論埋藏深度多少，光纖沿渠長的溫度都會隨著渠水溫度的下降而下降，L1與L2光纖溫度與渠水溫度相差較小，因為表層光纖由于更接近地面，導(dǎo)致溫差不明顯。此外， L3的溫度變化最大，最大溫差達(dá)到2 ℃，說明沿垂直方向會發(fā)生局部垂直滲流，導(dǎo)致縱向溫度下降，因此光纖能明顯感知渠道滲流的發(fā)生。