基于DTS的隧道滲漏分布式感測(cè)方法試驗(yàn)研究

王皓宇，方忠強(qiáng)，任 康，涂齊亮，張 丹*

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；2. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司水下隧道智能設(shè)計(jì)、建造與養(yǎng)護(hù)技術(shù)與裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，南京 210014

作為一類重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，隧道工程在我國(guó)發(fā)展地非常迅速，但滲漏問(wèn)題一直是隧道施工和管養(yǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)（石建勛等，2021）。長(zhǎng)期滲漏水不僅會(huì)造成隧道內(nèi)積水，影響行車安全，也會(huì)加速隧道內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)的銹蝕，影響設(shè)施壽命，長(zhǎng)期漏水還會(huì)侵蝕圍巖，使得襯砌結(jié)構(gòu)剝落、風(fēng)化，鋼筋銹蝕，隧道的可靠性和壽命會(huì)隨之降低（龔曉南等，2021；Gao et al., 2019）。如何準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)滲漏水成為解決隧道病害的關(guān)鍵，對(duì)于保持隧道結(jié)構(gòu)健康具有重要的意義。

目前，工程界廣泛采用的隧道滲漏監(jiān)測(cè)主要有人工目測(cè)或量測(cè)、紅外、雷達(dá)、電法、三維激光掃描和示蹤劑監(jiān)測(cè)等技術(shù)（張彥龍等，2017；吳賢國(guó)等，2020；Menendez et al., 2018）?，F(xiàn)有技術(shù)存在成本高、耐久性差、易漏檢等問(wèn)題，且難以對(duì)隧道的安全狀況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。光纖感測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的分布式測(cè)量，具有易于安裝、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、抗電磁干擾、安全性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，隨著分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的發(fā)展，其在隧道滲漏監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景（李登華等，2020；張?zhí)焐龋?020）。

曾鐵梅等（2007）認(rèn)為DTS具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度隨光纖沿程分布的優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確找到滲漏點(diǎn)區(qū)間，適合隧道滲漏監(jiān)測(cè)。葉少敏等（2021）利用自加熱溫度敏感型光纜作為傳感元件，使用分布式測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量光纜溫度，利用熱脈沖法可以感測(cè)到隧道滲漏水的情況。Bremer等（2016）設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于光時(shí)域反射技術(shù)的光纖檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)和識(shí)別隧道中的污水泄漏，并具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)。對(duì)于DTS隧道滲漏監(jiān)測(cè)的影響因素研究，董海洲等（2013）提出光纖材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)影響測(cè)溫準(zhǔn)確性，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其溫度影響半徑也越大；對(duì)于監(jiān)測(cè)滲漏，重要的是要具有高空間分辨率，能夠在短距離內(nèi)檢測(cè)到較小的溫度梯度（Failleau et al.,2018）；Aminossadati等（2010）認(rèn)為應(yīng)使用具有大直徑纖芯的多模光纖，與單模光纖相比，多模光纖能夠獲得足夠的反向散射信號(hào)來(lái)進(jìn)行精確的溫度測(cè)量并提供更高的分辨率。

針對(duì)隧道滲漏問(wèn)題，本文研制了一種基于DTS的新型滲漏傳感光纜，提出了隧道滲漏感測(cè)方法，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同條件下傳感光纜的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了該隧道滲漏監(jiān)測(cè)方法的可行性。

1 DTS溫度傳感原理

1.1 DTS傳感原理

分布式光纖溫度傳感技術(shù)（DTS）基于拉曼散射原理，通過(guò)檢測(cè)光纖中的拉曼散射光實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量光纖沿線任一點(diǎn)的溫度。

拉曼散射光是由于光纖分子的熱振動(dòng)而產(chǎn)生的，分為反斯托克斯光和斯托克斯光。根據(jù)反斯托克斯光與斯托克斯光強(qiáng)度之比和溫度的定量關(guān)系，得到測(cè)點(diǎn)的溫度，如式（1）所示：

式中，R(T)為待測(cè)溫度的函數(shù)；IF：反斯托克斯光強(qiáng)度；IS：斯托克斯光強(qiáng)度；vF：斯托克斯光中心頻率；c：真空中的光速；v：拉曼頻移量；h：普朗克常數(shù)；K：玻爾茲曼常數(shù)；T：絕對(duì)溫度。

結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR），分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。

1.2 隧道滲漏監(jiān)測(cè)原理

基于干濕球溫度計(jì)測(cè)量原理，研發(fā)了一種新型的溫度敏感型隧道滲漏傳感光纜，光纜外表面包裹有濕球紗布制成的紗套，具有良好的吸水性，在滲漏量較小的情況下仍然可以有效收集滲漏水。金屬鎧裝管是熱的良導(dǎo)體，具有保護(hù)光纖和熱量傳導(dǎo)的雙重作用。通過(guò)金屬絲纏繞網(wǎng)與凱夫拉纖維網(wǎng)的聯(lián)合封裝，進(jìn)一步提高了光纖的抗拉伸性能。光纜結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 光纜結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Fiber optic cable construction diagram

考慮到滲漏水的運(yùn)動(dòng)軌跡主要是沿邊墻向下流動(dòng)，所采取的傳感光纜布設(shè)方向與滲漏水的流動(dòng)方向正交，可以保證光纜與滲漏水接觸，利用DTS技術(shù)實(shí)現(xiàn)滲漏區(qū)域準(zhǔn)確識(shí)別與定位。沿隧道軸向直線型水平布設(shè)滲漏傳感光纜，光纜緊貼隧道內(nèi)壁，采用定點(diǎn)固定的方式安裝在隧道的內(nèi)表面，如圖2所示。當(dāng)滲漏水與傳感光纜外層的濕球紗套接觸后，被浸濕的濕球紗布表面發(fā)生水分蒸發(fā)，帶走熱量形成溫度差，使得浸濕光纜溫度低于未浸濕光纜。

圖2 傳感光纜隧道布設(shè)示意圖Fig. 2 Layout Diagram of the optic sensing cables in tunnel

計(jì)算某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)水分蒸發(fā)的質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

式中，M為水分蒸發(fā)的質(zhì)量，E為光纜被浸濕的情況下的溫度對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓，e為空氣中的實(shí)際水汽壓，c為空氣和濕球紗布的水分交換系數(shù)，s為蒸發(fā)面積，p為大氣壓力；

該蒸發(fā)過(guò)程所消耗的熱量為：

式中，Q1為蒸發(fā)所消耗的熱量，L為蒸發(fā)潛熱；

某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)被浸濕，則通過(guò)空氣向被浸濕的光纜傳遞熱量，傳遞的熱量表示為：

式中，Q2為空氣向被浸濕的光纜傳遞的熱量，h為熱量交換系數(shù)，T為空氣溫度（即相鄰未浸濕監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度），Tw為所述某一被浸濕監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度。

當(dāng)被浸濕的光纜溫度穩(wěn)定后，Q1與Q2處于平衡狀態(tài)，有Q1=Q2，聯(lián)立公式（3）與（4）得到：

將空氣濕度U表示為：

由（6）式得到相鄰未浸濕監(jiān)測(cè)點(diǎn)與所述某一被浸濕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度差ΔT可以表示為：

式中，T為未浸濕光纜溫度，Tw為浸濕部分溫度。E為浸濕光纜溫度對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓（hPa），U為空氣濕度（%rh），ew為未浸濕光纜溫度對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓（hPa），A為干濕球系數(shù)，p為大氣壓力（hPa）。

式（7）中干濕球系數(shù)的計(jì)算公式為（王云鶴等，2018）：

式中：v為空氣流過(guò)濕球四周的速度，m/s。

由式（7）可知，由于隧道滲漏而產(chǎn)生的溫度差表現(xiàn)為光纜溫度的降低。利用DTS對(duì)沿傳感光纜長(zhǎng)度的溫度分布進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)溫度分布曲線上的溫度降低點(diǎn)確定隧道滲漏點(diǎn)的位置。

2 隧道滲漏監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)概況

濕球紗布水分蒸發(fā)引起的溫度變化受環(huán)境濕度、溫度、風(fēng)速、液體種類、液體溫度、空氣流速等因素的影響。本試驗(yàn)?zāi)M隧道滲漏過(guò)程，試驗(yàn)環(huán)境條件保持恒溫和高濕度，與實(shí)際隧道工作環(huán)境具有較高的相似性。從滲漏速度、環(huán)境風(fēng)速和滲漏時(shí)長(zhǎng)三個(gè)方面對(duì)傳感光纜的性能進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證光纜感測(cè)性能和重復(fù)利用性。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用兩個(gè)滲漏模擬裝置，傳感光纜位于滲漏模擬裝置下方，每個(gè)裝置下傳感光纜的長(zhǎng)度均為4 m，兩段傳感光纜采用長(zhǎng)度約10 m的普通測(cè)溫光纜連接。傳感光纜一端與60 m普通測(cè)溫光纜連接，其中30 m光纜置于恒溫箱內(nèi)用于溫度校準(zhǔn)，30 m光纜用于監(jiān)測(cè)室溫。普通測(cè)溫光纜沒(méi)有濕球紗套結(jié)構(gòu)，其他與傳感光纜相同。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 3 Diagram of the test devices

圖4 主要試驗(yàn)設(shè)備Fig. 4 Main test devices

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容與過(guò)程

為了檢測(cè)傳感光纜的感測(cè)性能，評(píng)價(jià)滲漏監(jiān)測(cè)方法的可行性，分別對(duì)滲漏速率、環(huán)境風(fēng)速和滲漏時(shí)長(zhǎng)三個(gè)主要的滲漏條件進(jìn)行了研究。其中，滲漏速度通過(guò)滲漏模擬裝置控制；利用風(fēng)源與滲漏點(diǎn)之間的距離控制風(fēng)速，實(shí)際風(fēng)速由風(fēng)速儀測(cè)量。滲漏時(shí)長(zhǎng)試驗(yàn)是研究長(zhǎng)時(shí)間滲漏對(duì)光纜感測(cè)性能的影響，試驗(yàn)過(guò)程中保持滲漏條件和環(huán)境條件不變，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為20 h。試驗(yàn)的滲漏條件如圖5。

圖5 滲漏條件Fig. 5 Leakage conditions

在滲漏速度試驗(yàn)中，滲漏點(diǎn)a模擬快速滲漏，滲漏點(diǎn)b模擬慢速滲漏。試驗(yàn)過(guò)程中，保持滲漏速度不變，采用DTS連續(xù)測(cè)量光纜的溫度分布，5 h后停止試驗(yàn)，待傳感光纜風(fēng)干后，再進(jìn)行下一組測(cè)試（圖6）。

圖6 不同滲漏速度條件下傳感光纜溫度分布Fig. 6 Temperature distribution of optic sensing cables under different leakage rates

在環(huán)境風(fēng)速試驗(yàn)中，保持滲漏點(diǎn)a、b的滲漏速度相同，通過(guò)調(diào)整風(fēng)源位置控制滲漏點(diǎn)處風(fēng)速。風(fēng)速分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如圖6所示。試驗(yàn)分為兩組，第一組試驗(yàn)使?jié)B漏點(diǎn)a、b分別處于無(wú)風(fēng)和微風(fēng)狀態(tài)下；第二組試驗(yàn)使?jié)B漏點(diǎn)a、b分別處于輕風(fēng)和軟風(fēng)狀態(tài)下。采用DTS連續(xù)測(cè)量光纜的溫度分布。

在滲漏時(shí)長(zhǎng)試驗(yàn)中，保持滲漏點(diǎn)a、b的滲漏條件一致，采用DTS連續(xù)測(cè)量光纜的溫度分布，測(cè)量時(shí)間為20 h。

3 結(jié)果分析

3.1 滲漏速度的影響

利用滲漏模擬裝置調(diào)節(jié)兩個(gè)滲漏點(diǎn)a和b的滲漏速度，分為快速滲漏與慢速滲漏，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。當(dāng)滲漏造成傳感光纜的護(hù)套被浸濕后，在隧道恒溫恒濕條件下，蒸發(fā)吸熱使得滲漏點(diǎn)處溫度隨時(shí)間逐步下降，形成溫度降低區(qū)，而未浸濕光纜的溫度基本不變?？梢?jiàn)，根據(jù)溫度明顯降低區(qū)，可以識(shí)別滲漏事件。根據(jù)干濕球溫度計(jì)原理（林軍，2008；張懿，2021），定義傳感光纜不同測(cè)點(diǎn)間的溫度差為相對(duì)溫度降幅ΔTr（℃）；定義2 h內(nèi)每小時(shí)的相對(duì)溫度降幅為降溫速率vT（℃/h）。

另外，雖然滲漏點(diǎn)a和滲漏點(diǎn)b的滲漏速度不同，但溫度變化規(guī)律相似，說(shuō)明滲漏速度對(duì)于準(zhǔn)確識(shí)別滲漏點(diǎn)影響不大，在不同滲漏速度下傳感光纜都具有良好的感測(cè)性能。

快速滲漏條件下的相對(duì)溫度降幅為1.29℃，慢速滲漏條件下為1.35℃，均在1 h左右到達(dá)峰值，變溫速率分別為1.02℃/h和1.18℃/h?？梢?jiàn)，隨著滲漏速度增大，相對(duì)溫度降幅和降溫速率略有下降，但快速滲漏與慢速滲漏的相對(duì)溫度降幅與降溫速率差異不大，進(jìn)一步說(shuō)明了傳感光纜在不同程度滲漏條件下均具有良好的感測(cè)性能。

中共中央、國(guó)務(wù)院《關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見(jiàn)》指出，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，必須破解人才瓶頸制約，把人力資本開(kāi)發(fā)放在首要位置。為此，廣西各級(jí)政府應(yīng)結(jié)合實(shí)際、立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，加大財(cái)政扶持力度，破解廣西鄉(xiāng)村振興人才瓶頸制約。

3.2 環(huán)境風(fēng)速的影響

將滲漏點(diǎn)a、b分別置于微風(fēng)、無(wú)風(fēng)和輕風(fēng)、軟風(fēng)兩組試驗(yàn)條件下，不同時(shí)間的溫度分布及變化如圖7所示。

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速條件下傳感光纜溫度分布Fig. 7 Temperature distribution of optic sensing cables at different wind speeds

在不同環(huán)境風(fēng)速條件下，均出現(xiàn)明顯的溫度降低區(qū)，說(shuō)明風(fēng)速變化不影響對(duì)滲漏事件的準(zhǔn)確識(shí)別，傳感光纜在不同環(huán)境風(fēng)速條件下都具有良好的感測(cè)性能。

不同環(huán)境風(fēng)速條件下的相對(duì)溫度降幅與前2 h內(nèi)的降溫速率如表1所示。通過(guò)對(duì)比可知，環(huán)境風(fēng)速可以在一定程度上提高相對(duì)溫度降幅和降溫速率。根據(jù)式（2）和式（3），干濕球系數(shù)與環(huán)境風(fēng)速正相關(guān)，環(huán)境風(fēng)速增大會(huì)使相對(duì)溫度降幅增加，也會(huì)使前2h的降溫速率相應(yīng)增加?？梢?jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論模型具有相同的變化規(guī)律。

表1 不同風(fēng)速下產(chǎn)生的相對(duì)溫度降幅與降溫速率Table 1 Relative temperature drop and cooling rate at different wind speeds

3.3 滲漏時(shí)長(zhǎng)的影響

保持滲漏點(diǎn)a、b處環(huán)境條件一致，對(duì)光纜進(jìn)行連續(xù)20 h測(cè)量，每4小時(shí)采集一組數(shù)據(jù)，傳感光纜的溫度分布如圖8所示。滲漏點(diǎn)a和滲漏點(diǎn)b處的傳感光纜在4 h內(nèi)溫度下降達(dá)到最大值，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間滲漏后，仍表現(xiàn)為明顯的溫度降低區(qū)，由此可以判斷滲漏點(diǎn)的位置。

圖8 滲漏時(shí)長(zhǎng)對(duì)傳感光纜溫度分布的影響Fig. 8 Effect of leakage duration on the temperature distribution of optical sensing cables

滲漏點(diǎn)a和滲漏點(diǎn)b處的傳感光纜相對(duì)溫度降幅的時(shí)程曲線如圖9所示?？梢?jiàn)，20 h試驗(yàn)過(guò)程中相對(duì)溫度降幅較為穩(wěn)定，說(shuō)明結(jié)合DTS技術(shù)防水、耐腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間滲漏不會(huì)對(duì)傳感光纜的感測(cè)性能產(chǎn)生影響。滲漏區(qū)域的溫度降低現(xiàn)象可維持不變，滿足實(shí)際工程長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)對(duì)可靠性的要求。

圖9 相對(duì)溫度降幅隨滲漏時(shí)長(zhǎng)的變化Fig. 9 Variation of relative temperature drop with leakage duration

3.4 重復(fù)利用性

為了驗(yàn)證傳感光纜的可重復(fù)利用性，光纜遇水浸濕后，在自然環(huán)境下風(fēng)干，再進(jìn)行滲漏試驗(yàn)。圖10是經(jīng)過(guò)5次浸濕—風(fēng)干循環(huán)后得到的滲漏點(diǎn)a處傳感光纜溫度分布曲線?？梢?jiàn)，經(jīng)多次浸濕—風(fēng)干循環(huán)后，仍可以根據(jù)滲漏造成的傳感光纜溫度降低區(qū)準(zhǔn)確識(shí)別滲漏點(diǎn)。滲漏區(qū)域的相對(duì)溫度降幅與降溫速率不會(huì)隨浸濕—風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生顯著變化（如圖11所示），說(shuō)明研發(fā)的溫度敏感型傳感光纜具有良好的可重復(fù)利用性。

圖11 相對(duì)溫度降幅與降溫速率隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Fig. 11 Variation of relative temperature drop and cooling rate with wet-dry cycles

不同環(huán)境風(fēng)速以及不同滲漏時(shí)長(zhǎng)條件下，滲漏浸濕傳感光纜的相對(duì)溫度降幅均大于0.5℃，且降溫速率大于0.4℃/h，這兩個(gè)參數(shù)可以作為滲漏的判別閾值。當(dāng)傳感光纜的相對(duì)溫度降幅和降溫速率達(dá)到以上閾值時(shí)，可以判斷隧道存在滲漏事件，滲漏點(diǎn)的位置可以根據(jù)相對(duì)溫度降幅所在位置確定。

首先，濕潤(rùn)光纜受到蒸發(fā)影響，溫度會(huì)略有下降，但降幅不大；而后，溫度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變；最后，待水分蒸發(fā)完畢，光纜溫度逐步增加至室溫。試驗(yàn)表明，在無(wú)風(fēng)條件下，當(dāng)環(huán)境濕度為95%，浸濕的光纜水分完全蒸發(fā)約需要15 h左右；在自然通風(fēng)條件，施加軟風(fēng)至輕風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)源，約需要10 h左右。

4 結(jié)論

針對(duì)隧道滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，研發(fā)了濕球紗布封裝的溫度敏感性滲漏傳感光纜，提出了基于分布式光纖溫度傳感（DTS）的隧道滲漏分布式感測(cè)方法，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，探究了滲漏速度、環(huán)境風(fēng)速和滲漏時(shí)長(zhǎng)對(duì)滲漏感測(cè)性能的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）滲漏速度對(duì)滲漏識(shí)別的準(zhǔn)確性影響較小，傳感光纜在不同滲漏速度下均具有良好的感測(cè)性能。隨著滲漏速度增大，相對(duì)溫度降幅和降溫速率略有下降，但快速滲漏與慢速滲漏的相對(duì)溫度降幅與降溫速率差異不大。

（2）在不同風(fēng)速條件下，溫度敏感型光纜均具有十分良好的感測(cè)性能，風(fēng)速的變化對(duì)滲漏識(shí)別的影響較小。在高濕度環(huán)境下，當(dāng)風(fēng)速大于1.5 m/s，增加風(fēng)速可以在一定程度上提高相對(duì)溫度降幅和降溫速率。

（3）長(zhǎng)時(shí)間滲漏不會(huì)對(duì)傳感光纜的感測(cè)性能產(chǎn)生影響，且傳感光纜經(jīng)過(guò)多次浸濕—風(fēng)干循環(huán)后，仍然保持了良好的感測(cè)性能，具有可重復(fù)利用性。

（4）得到了溫度敏感性傳感光纜滲漏識(shí)別的閾值標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)傳感光纜不同測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)溫度降幅達(dá)到或大于0.5℃，且2 h內(nèi)的降溫速率達(dá)到或大于0.4℃/h，即可判定為滲漏。

（5）DTS可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的分布式監(jiān)測(cè)，實(shí)際工程中光纜成本較低，監(jiān)測(cè)主要成本來(lái)自于DTS解調(diào)儀。因此每公里監(jiān)測(cè)所需費(fèi)用隨隧道長(zhǎng)度的增加而減小，對(duì)于長(zhǎng)距離隧道滲漏監(jiān)測(cè)具有較好的應(yīng)用價(jià)值。