基于蛇形分布式光纖的堤防浸潤線定位試驗

蘇 觀 南，徐 勇 俊，袁 叔 洋，朱 昆

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 3.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310020)

堤防工程在我國防洪工程體系中占有非常重要的地位，它是抵御洪水、保障人民生命和財產安全的基本設施和屏障。據統計，90%以上堤防潰決是由滲透破壞造成[1-2]，而浸潤線位置及其變化是判斷堤壩滲流狀況和堤坡穩定性的重要因素。因此，加強堤防滲流浸潤線的定位和監測，對堤防工程安全運行意義重大[3]。傳統的浸潤線定位及監測技術雖然應用廣泛，但具有實時性較差、只能進行點式監測等弊端。目前，利用分布式光纖測溫技術對土石壩、邊坡等滲流監測問題已有深入研究[4-5]，并取得了大量研究成果。Aufleger等[6]提出利用分布式光纖對土石壩進行長期監測；Khan等[7]針對分布式光纖堤壩滲漏探測，提出多種監測溫度模型分析方法，并構建了一套堤壩滲漏監測數據自動處理、分析及預警系統；康業淵[8]基于分布式光纖溫度傳感系統，通過理論分析和模型試驗，對穿堤涵閘土石結合部滲流狀況進行實時監測；黎峰[9]提出了光纖分散敷設方式，并通過試驗成功運用于石牛水庫浸潤線測量。但大多數研究中的光纖均采用直線布置，因光纖定位精度技術限制，嚴重影響監測結果。鑒于此，本文根據測溫光纖測點定位特點，設計了一種新的蛇形光纖布型以提高溫度測點定位精度，通過水深測量試驗進行堤防浸潤線定位探索，對比分析計算水深與實際水深的結果，從而證明光纖新布型定位具有較高精度。

1 蛇形分布式光纖設計

因采樣間隔和空間分辨率(1.0 m)等因素的限制，分布式光纖直線布型所采集的數據很大程度上無法滿足水利工程對堤防體內浸潤線的測量要求。為此，設計了一種新的光纖布型，通過蛇形纏繞提高其定位精度，如圖1所示。制作方法為：① 光纖固定支架制作。設光纖鋪設層堤防寬為c，該監測堤段長為b，則固定支架尺寸確定為c×b(長×寬)。② 光纖新布型的制作。為防止鎧裝光纖纏繞時內部不銹鋼軟管在彎曲中折斷，首先對固定支架的兩條長邊按c1、c2交替進行標記，c1、c2的取值需確保光纖彎曲半徑大于12D(D為光纜直徑)；然后取一定長度的光纖，按圖1(a)中所標記的1，2，…，6的順序纏繞并固定，最終可形成圖1(b)完整的光纖新布型。

圖1 光纖新布型設計和制作Fig.1 Design and fabrication of new lay pattern about fiber optical

2 蛇形分布式光纖的浸潤線定位原理

圖2為基于蛇形分布式光纖的堤防浸潤線監測方法示意圖。光纖新布型共鋪設了4層光纖監測層，堤防體內浸潤線和毛細管水上升區邊界與光纖層均有交點，因此通過光纖加熱法，一方面可感知堤防體內滲流的發展過程；另一方面可根據浸潤線兩側光纖溫度的差異，確定其與光纖層交點處的光纖長度，然后利用測點定位關系式將其轉化成距上游堤面的水平距離，進而確定該層浸潤線的位置。

圖2 基于光纖新布型的堤防浸潤線光纖監測方法示意Fig.2 The monitoring method in dyke seepage by the fiber optical

為了利用浸潤線兩側光纖溫度明顯差異點的光纖長度位置推導浸潤線定位關系，下面只考慮光纖與滲流水之間的熱交換，忽略毛細管水等因素的影響。

圖3為光纖溫度穩定時刻沿程分布曲線。由圖3可以看出：浸潤線以上光纖穩定溫度為T1，浸潤線以下光纖穩定溫度為T2，傾斜過渡段中間部分測點B的穩定溫度為T3，根據光纖測溫原理，其應滿足T2

圖3 光纖溫度穩定時刻沿程溫度分布曲線示意Fig.3 The distribution of temperature along the way when the temperature of the fiber optical being stable

圖4為浸潤線位置光纖長度計算說明。設光纖在長度L處與浸潤線相交，O點為浸潤線與光纖的交點，B點為靠近浸潤線的光纖測點，D、E均離B點k/2距離，且處于浸潤線下側的位置點為E，OE長為x，則DE段光纖溫度的平均值即為B測點的溫度測值。若DO段光纖上各點溫度為T1、OE段為T2、B點溫度測值為T3，DTS系統的空間分辨率為k，則有：

圖4 理想條件下浸潤線位置光纖長度計算說明Fig.4 The calculation diagram of fiber length on seepage line under ideal condition

T3=[T2x+T1(k-x)]/k

(1)

即

x=k(T1-T3)/(T1-T2)

(2)

設O點的光纖長度為L，測點B處的光纖長度為l，則有：

L=(l-k/2)+x

(3)

即得到L為

L=(l-k/2)+k(T1-T3)/(T1-T2)

(4)

為了確定浸潤線位置H(見圖5)，可先利用光纖新布型對n組水深H水面所在處光纖長度L進行測量，以模擬浸潤線測定，這樣就能獲得n組(H，L)觀測值，分析H～L之間的關系，即可得出光纖新布型定位浸潤線的關系式H(L)。

圖5 堤防浸潤線位置H示意Fig.5 The position of H about the levee infiltration line

3 堤防浸潤線定位關系式測定

試驗中光纖布型的固定支架尺寸c=2.0 m，b=0.35 m，光纖纏繞尺寸c1=0.15 m，c2=0.05 m，試驗采用的主要儀器設備包括DTS測溫、數據采集處理和加熱系統3部分，輔助儀器有電子萬能表和校準溫度傳感器PT100。為確定蛇形分布式光纖定位浸潤線的關系式，在確定加熱功率P的情況下，通過改變水的深度，可獲得對應水面線處的光纖長度。選取5，9，13 W/m 3組加熱功率條件，每次試驗測量10，20，30，40，50，60 cm共6個水深處溫度。具體試驗步驟如下。

步驟1。將繞有光纖的支架豎向固定在水桶正中，光纖連接到DTS，接通好電源，開啟DTS，監測初始溫度5 min。

步驟2。加熱功率選取5 W/m，確定對應的加熱電壓，快速將調壓器撥到對應電壓處，開始對光纖進行加熱。

步驟3。待到光纖加熱到穩定溫度后，記錄當前DTS監測時間和測值，同時向水桶中快速注水至10 cm。

步驟4。通過觀察DTS中的水下光纖測點的降溫曲線，當溫降曲線穩定后，記錄當前DTS監測時間和測值，同時向水桶中快速注水至20 cm。

步驟5。不斷重復步驟4，完成加熱功率為5 W/m工況下的其余水深的監測。

步驟6。變換每米加熱功率，重復步驟1～5，完成其余2組加熱功率下的水深測量試驗。

4 結果與分析

5，9，13 W/m 3組加熱功率下的水深測量成果所顯示的規律基本相同，故以9 W/m加熱功率水深測量試驗為例，進行浸潤線定位關系式測定分析。

4.1 定位關系式的確定

本次試驗中將空間分辨率設置為1.02 m，DTS測溫系統自動在光纖布型監測段生成11個測點，各測點處光纖長度如表1所列。光纖布型段第一個溫度監測點定義為光纖布型段數據采集起始點，本次試驗中光纖新布型數據采集起始點的光纖長為6.09 m，圖6為水深測量模型示意圖。本文只取水深部分的光纖測點進行分析。

表1 溫度點處光纖長度統計Tab.1 The length of the fiber-optical at measuring points of temperature m

圖6 水深測量模型示意Fig.6 The model of measurement of water depth

圖7為9 W/m加熱功率下10，20，30，40，50，60 cm水深時的光纖溫度沿程分布曲線。根據理想條件下靠近浸潤線測點的判定方法，結合圖7及表1可得出6組水深測量試驗中靠近水面線測點B處的光纖長度l，由式(3)可計算出各水面線處光纖長度l，具體結果如表2所列。其中，T1為C點之后空氣中光纖任意測點的溫度(即圖4中OD段光纖測點溫度)，以避免水溫對其溫度值的影響；T2為A點之前水中光纖任意測點的溫度(即圖4中OE段光纖測點溫度)，以避免空氣對其溫度值的影響；T3為靠近水面線測點B的溫度。A、B、C點的位置如圖3所示。由于光纖溫度測量具有一定的波動，為消除其誤差影響，取T1、T2、T3對應測點溫度達到穩定后DTS系統連續5次采集的監測數據的平均值作為計算溫度。

圖7 9 W/m加熱功率下不同水深的光纖溫度沿程分布曲線Fig.7 The temperature distribution along the way of fiber-optical at different water depths with 9 W/m heating power

表2 9 W/m工況下相應水面處光纖長度Tab.2 The length of fiber-optical corresporiding to water surface at 9W/m condition

表3 水面線處光纖長度計算值與實際值對比Tab.3 The fiber-optical length comparison between calculated and actual values at water surface

為進一步探究水深H與ΔL之間關系，現以ΔL為x軸，H為y軸將兩者繪制成曲線，見圖8。

圖8 水面線處光纖相對長度ΔL與水深H的關系曲線Fig.8 The relation between fiber-optical relative length at water surface(ΔL)and water depth(H)

由圖8可知，根據ΔL與L的關系，H與L的關系式為

H=0.192 7(L-l0)-0.005 8

(5)

4.2 定位關系式的精度驗證

為驗證定位關系式(5) 的精確性，隨機選取加熱功率9 W/m下3組水深13，37，63 cm作為驗證水深。圖9為3組驗證水深下光纖溫度達到穩定時刻的光纖溫度分布圖。根據圖9計算得到9 W/m工況下相應驗證水面線處光纖長度列于表4。表5為計算水深與實際水深對比分析表。由表5可知：計算水深與實際水深之間的誤差均在3%以內，驗證了蛇形分布式光纖新布型定位具有較高精度。

圖9 光纖溫度穩定時刻溫度沿程分布曲線Fig.9 The temperature distribution along the way when the the fiber-optical being stable

表4 9 W/m工況下驗證水面線處光纖長度Tab.4 The length of fiber-optical at water surface in check test under 9 W/m condition

表5 計算水深與實際水深對比Tab.5 The water depth comparison between calculated and actual values

5 結 語

針對傳統直線布型堤防光纖監測精度的不足，設計并制作了一種用于監測浸潤線的蛇形分布式光纖新布型，以提高定位精度，并通過水深測量試驗進行堤防浸潤線定位探索。試驗結果表明：蛇形分布式光纖新布型定位具有較高精度，可為實際工程中的應用提供新的參考。

本文試驗只考慮空氣和水的影響，但在實際工程中，堤防浸潤線附近的介質比較復雜，界面兩側不再是單純的空氣和水。當堤壩發生滲流時，浸潤線以下部分是飽和土體，浸潤線以上部分是非飽和土體，這就形成了飽和與非飽和滲流同時存在的問題。在土中吸力和水力梯度等因素的作用下，飽和與非飽和區之間也存在連續的水流，這部分水流會影響浸潤線以上光纖溫度的監測，進而影響光纖浸潤線定位精度。