基于DTS 的巖溶洼地滲漏室內(nèi)試驗研究

郭法旺，彭 浩，毛 鵬，朱寶強

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 引言

巖溶洼地為負地形,是修建水庫的理想場所,而巖溶洼地多位于巖溶強發(fā)育區(qū),存在巖溶滲漏難題,因此在水庫、渣庫選址時,一般都避開巖溶洼地。但隨著土地資源的緊缺,完全避開巖溶洼地已極為困難,研究解決巖溶滲漏,在巖溶洼地建渣庫、水庫將成為未來的必然選擇。因此,對巖溶洼地的滲漏監(jiān)測進行研究,為巖溶洼地的資源化利用提供理論支撐和技術(shù)支持,已顯得尤為重要。目前對于巖溶洼地建庫的監(jiān)測,通常是采用單點式監(jiān)測對庫周地下水位,對于庫盆的監(jiān)測處于盲區(qū)。點式監(jiān)測不能整體性地覆蓋監(jiān)測對象,存在不可預知的安全隱患。研究發(fā)現(xiàn)溫度可以持續(xù)通過介質(zhì)進行傳遞,從而為結(jié)構(gòu)滲流量的監(jiān)測提供了一個新的示蹤量。在各種滲流監(jiān)測的溫度示蹤方法中,分布式光纖溫度傳感技術(shù)（Distributed Fiber Optic Temperature Sensor,DTS）比較引人關(guān)注[1-3]。

為了將DTS 應用于巖溶洼地的滲漏監(jiān)測,本文研究了分布式溫度傳感光纜的滲漏響應規(guī)律。文章進行了兩類溫度傳感光纜（常規(guī)型及加熱型）的滲漏試驗、可加熱型光纜在不同介質(zhì)中的升溫特性試驗、可加熱型光纜滲漏感知范圍試驗及可加熱型光纜滲漏感知能力改進試驗,最后通過分析試驗數(shù)據(jù)評價了可加熱型光纜的響應規(guī)律,為今后DTS 在巖溶洼地防滲體的安全監(jiān)測提供參考和借鑒。

2 試驗設(shè)計

試驗選用的可加熱型溫度傳感光纜為銅網(wǎng)內(nèi)加熱溫度感測光纜,不加熱時視作常規(guī)型溫度傳感光纜。解調(diào)設(shè)備為DTS 解調(diào)儀,并同時連接有溫度補償箱。試驗中用到的主要試驗設(shè)備見圖1。

為了對DTS 監(jiān)測滲漏的可行性、影響因素和定位精度等進行評價,設(shè)計四組不同的試驗。

試驗一：為研究現(xiàn)階段滲漏探測的兩類溫度傳感光纜（常規(guī)型及加熱型）在相同滲漏條件下的溫度表現(xiàn)規(guī)律,設(shè)計兩類溫度傳感光纜的滲漏試驗。試驗中在PVC 管中間位置的正上方開孔放置泵管,泵管另一側(cè)連接蠕動泵,通過控制蠕動泵使水流進入泵管后在滲漏位置處流出,以此來模擬滲漏,見圖2,試驗工況見表1。

表1 滲漏試驗不同工況

圖2 滲漏試驗裝置圖

試驗二：為研究不同加熱功率下,溫度光纜在水、空氣、土體等介質(zhì)中的升溫特性及相應最佳加熱功率、加熱時間,設(shè)計可加熱型光纜在不同介質(zhì)中的升溫特性試驗,將光纜分別放置于半圓型PVC 管、干燥砂土、充滿水的PVC 管中模擬其在空氣介質(zhì)、砂土介質(zhì)、水中的條件,亞克力盒規(guī)格為1 m×0.2 m×0.2 m。光纜在各介質(zhì)中的布置見圖3,試驗工況見表2。

表2 升溫特性試驗不同工況

圖3 光纜在不同介質(zhì)中的布置

試驗三：為研究溫度光纜在介質(zhì)中的滲漏感知范圍,設(shè)計可加熱型光纜滲漏感知范圍試驗。試驗中所用亞克力盒（規(guī)格同上）,以干燥中粗砂為埋設(shè)介質(zhì),將溫度傳感器沿垂直光纜方向,按每隔3 cm 布設(shè),見圖4（a）。點式的溫度傳感器為光纖光柵（FBG）溫度計,見圖4（b）。將溫度傳感器與無線FBG 解調(diào)儀,見圖4（c）連接,用于量測介質(zhì)的溫度。試驗工況見表3。

表3 滲漏感知范圍試驗不同工況

圖4 FBG 溫度傳感器及其埋設(shè)

試驗四：為了進一步提升滲漏過程中光纜的感知能力,設(shè)計可加熱型光纜滲漏感知能力改進試驗。試驗通過水壺向沙箱供水,以此控制水的流速,試驗工況見表4。試驗中水流速為1000 mL/min。沙箱體積為1.6 m×1.2 m×0.3 m,將沙箱用隔水擋板按0.5 m、0.56 m、0.5 m 分割成三個區(qū)域。將加熱光纜繞在直徑為5 cm、長度為1.55 m 的PVC 管上,兩根PVC 管分別編號為①號測管和②測號管,然后以0.55 m 的間距沿擋板垂直的方向置入沙箱見圖5（a）。試驗準備過程見圖5（b）,埋設(shè)介質(zhì)為干燥粗砂。

表4 滲漏感知能力改進試驗不同工況

圖5 滲漏感知能力改進試驗

上述四個試驗的試驗過程：

（1）選擇并根據(jù)工況搭建試驗裝置；

（2）試驗正式開始前,檢查所有設(shè)備確保其運行正常并同步采集數(shù)據(jù)；

（3）采用熱風槍加熱,觀察DTS 解調(diào)儀的實時溫度數(shù)據(jù),對光纜在測試段中的部分進行位置定位,待溫度回落至穩(wěn)定后,根據(jù)工況進行相應的測試并記錄數(shù)據(jù),兩類溫度傳感光纜的滲漏試驗和滲漏感知能力改進試驗溫度下降至穩(wěn)定后停止實驗、升溫特性試驗溫度上升至相對穩(wěn)定后停止試驗、滲漏感知范圍試驗達到加熱時間停止試驗；

（4）依次完成各個試驗的不同工況見表1～表4,重復步驟（1）～（3）；

（5）分析所有試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果分析

試驗一：兩種傳感光纜在滲漏條件下的溫度分布曲線見圖6,在滲漏位置處的溫度變化曲線見圖7。由圖6 和7 可知,常規(guī)型光纜在滲漏位置處滲漏前后的溫度變化很小,僅有1.74℃；而可加熱型光纜在滲漏位置處滲漏前后的溫差達到了11℃；說明通過加熱可有效提升溫度變化的梯度,從而準確識別滲漏,定位滲漏位置。

圖6 兩種傳感光纜在滲漏下的溫度分布圖

圖7 兩種傳感光纜在滲漏位置處的溫度變化曲線

試驗二：不同介質(zhì)中可加熱型光纜在不同加熱功率下的溫度變化曲線見圖8。由圖8 可知：可加熱型光纜在不同介質(zhì)中的升溫規(guī)律一致,溫度先逐漸上升,后逐漸趨于穩(wěn)定；光纜在各介質(zhì)中的溫度特征值均隨加熱功率的提高而增大；可加熱型光纜在空氣和砂土中加熱穩(wěn)定時長約13 min；在水中加熱穩(wěn)定時長約7 min。

圖8 不同介質(zhì)中不同加熱功率下的溫度變化曲線

由表5 可以看出：相同功率下可加熱光纜在空氣中的升溫幅度最大,在水中的升溫幅度最小；功率為3 W/m 時,可加熱型光纜在三種介質(zhì)中的差異均在3℃左右,表明可加熱型光纜在識別以上三種介質(zhì)的最低加熱功率為3 W/m。

表5 不同介質(zhì)中可加熱型光纜在不同加熱功率下的溫升值

試驗三：研究可加熱型光纜滲漏感知范圍時,不同功率下各個測點在光纜加熱至穩(wěn)定過程中的溫度變化見圖9（a）～圖9（c）；圖9（d）為光纜在2 W/m 加熱功率下,持續(xù)60 min各測點的溫度變化曲線。由圖9 可知,從開始加熱到穩(wěn)定的時長（20 min）內(nèi),距離3 cm 處：2 W/m～5 W/m 溫差較小,8 W/m～10 W/m 溫差較大,功率增大其變化幅度也增大；距離6 cm和9 cm 處：2 W/m～10 W/m 溫度相對穩(wěn)定；隨著加熱時間的延長,可加熱型光纜引起介質(zhì)的溫度變化越大,且距離6 cm處也發(fā)生了較小的溫度變化。因此適當延長加熱時間可以提升可加熱型光纜的感知范圍。

圖9 不同加熱功率下光纜及各測點的變化曲線

試驗四：為了方便研究光纜沿PVC 管纏繞的方式是否可以提升光纜的滲漏感知能力,將①、②號測管穿越三個區(qū)域的部分稱作1、2、3、4、5、6,見圖10。各個區(qū)域中光纜的溫度變化趨勢見圖11。由圖11 可知0～100 min 為加熱時間,各點加熱速率基本保持一致,溫度上升曲線基本呈直線分布。147 min 后,停止供電,位于靜水區(qū)的各點溫度也開始下降,下降速率基本保持不變。3、4 號點降溫時間比其余各點降溫時間要短,說明對流造成的熱量傳遞速度比熱傳遞速度快很多。

圖10 沙箱區(qū)域劃分

圖11 試驗中各個區(qū)域的降溫曲線

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗研究可加熱型光纜在巖溶洼地工程應用中的可行性,得出以下結(jié)論：

（1）在相同滲漏條件下,常規(guī)型溫度傳感光纜無法發(fā)揮準確識別滲漏的作用；可加熱型光纜對滲漏的響應程度非常顯著,且能準確識別到滲漏的位置。

（2）可加熱型光纜在各介質(zhì)中的升溫特征相同。可通過調(diào)整加熱功率使光纜的溫度特征值產(chǎn)生明顯差異來識別不同的介質(zhì),光纜識別空氣、干砂和水三種介質(zhì)的最佳加熱功率為3 W/m,有效識別的加熱時長不低于15 min。

（3）干燥砂土中,10 W/m 加熱功率以內(nèi),光纜從開始加熱到穩(wěn)定的時長內(nèi),其感知范圍最大不超過6 cm。

（4）將可加熱型光纜沿PVC 管螺旋纏繞的方式測得結(jié)果最大升溫幅度約為20℃,可顯著提高加熱光纜的滲漏感知能力。