堤防浸潤線光纖監測模擬試驗研究

秦暢

摘要：滲流浸潤線監測是堤防安全監測的重要組成部分，傳統的浸潤線監測技術雖然得到長時間的廣泛應用，但其弊端較多，比如只能進行點式監測、實時性較差等。目前，分布式光纖測溫技術的快速發展為堤防滲流監測開辟了新的研究方向。已有許多學者利用分布式光纖測溫技術深入研究了滲流監測問題，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限制，嚴重影響監測結果。本文基于測溫光纖測點定位特點研究設計新的光纖布型以提高溫度測點定位精度，并應用新光纖布型開展堤防浸潤線光纖監測模型試驗研究，研究堤防浸潤線光纖監測方法。

關鍵詞：堤防安全，浸潤線，光纖檢測，模型試驗

1 堤防浸潤線光纖監測模型試驗

1.1 試驗模型制作

1）試驗水槽 試驗水槽分為進水段和試驗段兩部分，在進水段前端開有四個出水孔，其中三個是用于控制進水段水位，最后一個靠近底板用于排空進水段蓄水；在試驗段一側面每隔500mm各設一個水位觀測孔，用于觀測不同水位下相應位置浸潤線距底板的高度。

2）傳感光纖布設 水槽試驗段共布設三層監測光纖層。

3）試驗模型搭建 水槽試驗段每填埋10cm砂土便在砂土表面正中平鋪一層光纖，在填砂過程中應保護好層與層之間的連接段光纖，不能應過渡彎曲而將其折斷。

1.2 試驗工況設計

堤防浸潤線光纖監測試驗，通過在砂土中埋設的三層光纖，研究利用DTS測溫系統定位浸潤線及感知滲流在砂土內發展過程的可行性。試驗主要選取加熱功率和不同水位作為試驗因素。一般情況下，堤防在非汛期運行性態平穩，浸潤線相對穩定，滲流安全險情發生的較少。但是在汛期，河道水位上升，導致浸潤線上抬，容易誘發滲流安全險情。針對工程實際，本試驗設計以下兩種工況：

1）穩定滲流工況

穩定滲流工況主要是模擬浸潤線基本穩定的情況，探究利用加熱光纖定位浸潤線位置的可行性。試驗思路為：首先向水槽進水段注水至預設水位，保持其不變，讓其形成該水位下的穩定浸潤線，然后選定合適加熱功率對光纖加熱一定時間，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律，定位浸潤線的大致位置。

2）非穩定滲流工況

設計此工況主要是為了分析汛期水位上漲時在堤防體內滲流性態的變化情況，及研究利用加熱光纖定位浸潤線的可行性。試驗思路為：首先選定合適的加熱功率對埋設在砂土中的光纖加熱到基本穩定狀態，然后向水槽進水段逐步地將水位抬高，通過DTS測溫系統感知水位在上升過程中光纖的溫降變化，并結合測壓管監測成果分析砂土內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步驟

1）加熱功率選擇

在進行各設計工況試驗之前，先使用伏安法精確地測得加熱段光纖的電阻，計算出光纖加熱功率對應的加載電壓。

現選定加熱功率從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算出輸出電壓并將調壓器撥到相應電壓即可加熱。

結果顯示，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定溫升值的關系曲線

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定升溫值大致呈線性關系，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定溫升之間的關系式為。由此可知，在砂土中光纖穩定溫升值只與每米加熱功率有關，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到穩定時的溫升值。與加熱功率與空氣中光纖穩定溫升值的關系曲線相比，相同加熱功率下，光纖在砂土中達到的穩定溫升值明顯要低于空氣中。

可以得出，相同加熱功率下，光纖在砂土中達到穩定溫升值的時間要明顯長于空氣，但穩定溫升值卻要遠小于空氣中的光纖。基于此，本次試驗中加熱功率的選擇應有別于水深測量試驗。在砂土中，加熱功率越大，光纖的穩定溫升值越大，到達穩定的時間也越長，表現出來的加熱效果越明顯。本次試驗的加熱功率選為11W/m、13W/m、15W/m。

2 堤防浸潤線光纖監測試驗成果分析

首先利用關系式，求出每層光纖布型段溫度測點距水槽試驗段進水口處的水平距離。在此后的分析中，均用水平距離值表示對應的光纖測點。

2.1 穩定滲流工況試驗成果分析

此種工況進行了9次試驗，分別為水位為15cm對應加熱功率為11W/m、13W/m、15W/m，水位為25cm對應加熱功率為11W/m、13W/m、15W/m，水位為35cm對應加熱功率為11W/m、13W/m、15W/m。現以水位為25cm工況下三次試驗為例進行成果分析。

1）監測成果規律分析

（1）在相同時間內，離模型試驗段上游側面越近的光纖測點，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，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。故在相同的降溫時間內，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，可歸納出穩定滲流工況下靠近浸潤線測點的判定方法：將光纖層所有溫降過程線分為兩部分的測點，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。

2.2 非穩定滲流工況試驗成果分析

光纖加熱功率越大，光纖監測效果越良好，所以非穩定滲流工況試驗以15W/m加熱功率試驗為例進行成果分析。

1）光纖升溫到基本穩定溫度后，當砂土發生滲流時，浸潤線及毛管水影響區內的光纖測點溫度下降，而未受毛管水影響的測點，其溫差值在0附近，基本保持穩定溫度。另外，隨著滲流向前行進，在滲水及毛細管水影響下的光纖測點，其溫度隨時間逐漸降低，這表明滲水能穿過浸潤線從飽和區進入非飽和區，并在非飽和區繼續前行。

2）水位在逐級上升的過程中，相同時間下，原先在浸潤線以下的測點仍在浸潤線以下，其溫降值變化很小；而原先受毛細管水影響的測點變為浸潤線以下的測點，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，光纖鋪設層離堤基越遠，其溫降值越小。

3 小結

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

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

（2）基于光纖新布型，設計和組建了一個由DTS測溫系統、加熱系統、數據處理分析系統及堤防滲流模型等組成的光纖浸潤線監測試驗模型，結合穩定滲流和非穩定滲流試驗工況，給出了相應的試驗方法。

（3）堤防浸潤線光纖監測試驗成果分析表明，光纖新布型能夠較為準確地定位出浸潤線的位置。在非穩定滲流工況下，光纖新布型能夠實時感知滲流的發展過程，可以監測浸潤線及毛管水上升區的位置變化。endprint