1、基于光纤温度传感技术的集中渗漏监测研究摘要:本文创新地利用分布式光纤温度传感技术对土石坝渗流监测进行了探索性的研究，主要研究路线包括：模型建立、理论分析、模型验证等。主要研究结论包括以下几个方面：（1）土石坝温度场变化特征与渗流模型建立。 （2）光纤拉曼（Raman）自发散射渗流监测模型。 （3）强制加热光纤渗流监测模型。 关键词：土石坝 分布式光纤 温度 渗流监测 Abstract This innovative use of distributed fiber optic temperature sensing technology for earth dam seepage monito
2、ring are carried out systematic research, the main research program include: model building, theoretical analysis, model validation. The main research contents include the following:(1) Temperature variation of earth dam and seepage model. (2) fiber Raman(Raman) scattering of spontaneousmonitoring s
3、eepage model. (3) Mandatory monitoring of the heating fiber percolation model. Keywords: Dam Distributed optical fiber Temperature The seepage monitoring Velocity of flow 中图分类号：TP212 文献标识码：A 一、 综述 地层中的温度分布规律是随着深度的增加而稳定升高。坝区或坝基中发现的低温异常一般与库水集中渗漏有关，据此可用温度来检测水库的渗漏。当渗漏的库水在坝体中流动时，流动的水体会将热量带入或带出坝体。这样，大坝稳定的
4、温度场就会受到渗漏水的扰动。通过光纤的自发后向拉曼散射可定性地判断大坝的渗漏状况；通过对传感光纤强制加热，应用热传导和热对流理论，定量地监测坝体渗流状况：包括渗流流速、渗流量、渗流比降。 二、温度与渗漏模型的建立 （一） 、 模型基本假定 土石坝属于连续的离散介质，热传导率很低。对于粘土，土体热传导率基本保持不变。在没有严重渗漏的工况下，坝体温度场基本处于稳定。在发生渗漏的工况下，渗漏水会与坝体发生热量交换，坝体温度场会受到渗流的影响而发生变化。本文为了通过坝体温度研究坝体渗漏，作如下假定： （1）土体为连续介质，渗流为连续渗流； （2）土体的导热系数不随含水率的变化而变化； （3）忽略坝体孔
5、隙中气相，只考虑固液两相。 （二） 、基于坝体温度场的渗漏模型 在坝体未发生渗漏或渗漏很小的工况下，坝体与外界没有发生热量交换，坝体温度场基本趋于稳定。当坝体中存在较大渗流时，渗漏水将热量带入或带出坝体，坝体的温度场将发生明显变化。温度的变化幅度、温度变化区域、变化延续时间取决于渗流流速、渗漏水流量和渗漏区域的面积等渗流指标。 三、 分布式光纤渗流监测研究 （一） 、传热模型建立 非渗流状态下，大坝坝体和地基处于非饱和状态。光纤和土体之间的传热方式为热传导；在渗流状态下，大坝坝体和地基处于饱和状态。光纤和土体之间的传热方式为热传导，光纤与渗水之间的传热方式为热对流。由于通常情况下，光纤，坝区和
6、坝基的温度不会很高，故忽略热辐射。 对于热传导，把坝体材料简化为一个均一材料，采用导热系数换算法统一考虑光纤和土体的导热问题。对于热对流，利用流体横向掠过管束的对流换热准则进行分析。 （二） 、拉曼自发散射渗流监测模型 1模型建立 拉曼自发散射渗流模型是利用坝体温度的变化特征（变化幅值、变化速率、变化范围）来表征坝体的渗漏及渗流状况。依据坝体温度场的分布规律，将坝体简化为一个温度随深度呈线性分布的恒温结构。借助光纤拉曼自发散射原理，对坝体温度进行实时监控。在坝体不发生严重渗漏的工况下，监控得到的温度场是呈线性分布的温度温度场。在坝体发生严重渗漏的工况下，渗漏水必定会引起坝体温度场的局部明显的改
7、变。在发生渗漏的坝体部位，其温度场分布不再呈线性分布，将呈现出奇异点或奇异区域。根据温度场的变化特征，反馈坝体的渗漏、渗流状况。 2温度传感分析 分布式光纤温度传感器测温原理：向光纤发射一束脉冲光，脉冲光会向四周发射散射光。散射光一部分又会沿光纤返回入射端。散射光中的 Raman 散射光含有 Stokes 和 Anti-Stokes 光，这两种光强度之比和温度之间有以下关系： （1） 式中： Anti-Stokes 光强度，用 A 表示； Stokes 光强度，用 B 表示 温度相关系数；普朗克系数, ；真空中光速, ；拉曼平移量, ；玻尔兹曼常数, ；绝对温度值, 。 令的值为 D,则： ，
8、单位为，带入常输得： = 图 1-1 光纤拉曼散射光谱示意图 自发式光纤温度传感方式主要应用于实现温度的分布式测量。不需要外界辅助信号，通过光拉曼（Raman）散射特征（频率、振幅）来表征坝体温度场特性。 （三） 、温度渗流耦合方程 坝体温度场变化，主要由流体与坝体土颗粒的热传导和流体与坝体土颗粒的热对流的影响。根据能量守恒定律，单位体积的坝土，在单位时间内，单位温度变化吸收（放出）的能量等于外界带入（带出）的热量。即： 式中：C 为坝体土颗粒比热容， ；为水比热容， ；T 为温度，；t 为时间，s；为坝体土颗粒导热系数， （这里表示由导热系数换算法处理的导热系数） ；为水的密度， ；为达西渗
9、流速度， 。 当水流速度较大时，对流传热占热量交换的大部分。这是热传导可以忽略。上式变形为： 当渗流稳定后，导数很小或为零，所以： 在二维平面内，,为温度梯度，为热流传播速度。 则：（2） 的物理意义：温度场中某一点的温度传至温度场中另一点所需要的时间。在二维场中为一二维向量，即：。 （四） 、强制加热光纤渗流监测模型 强制加热光纤渗流模型是利用加热前后光纤的温度变化特征（幅值、变化速率）来表征坝体特定部位的渗漏及渗流状况。强制加热光纤渗流监测模型基本依据是加热光纤与坝体土料、渗漏水模型之间的热传导和热对流原理。依据能量守恒定律，推导渗漏水的渗流流速。式中：通电加热光纤的功率，以热传导方式传输
10、的热量，以热对流方式传输的热量。加热光纤与坝体土料之间的传热主要为热传导，与渗漏水之间的传热主要为热对流。 1热传导分析 对于复杂的大坝土体采用有效导热系数法。用宏观的方法加以归纳，将实际多孔介质传热问题折算为一般固体材料的导热问题。根据傅里叶定律： 式中：为光纤通过热传导向介质传输的热量；导热面积；折算后的坝体或坝基的导热系数；温度；导热距离 。 利用差分格式对上式进行变换的得： (3) 式中：坐标点的温度；坐标+点的温度；光纤加热温度影响范围。 2、 对流传热分析 对于光纤和渗漏水之间的热对流，利用流体横向掠过管束的对流换热准则进行分析。计算流体横向掠过管束的平均表面传热系数应采用如下准则
11、关系计算： （4） 式中： 和 分别为垂直于流体流动方向和沿着流动方向上管束之间的距离； 为管排数目修正系数；c、n、m 及 p 为准则关系式中的常数。为普朗特数，取值在 0.7120； 为流体平均温度下普朗特数； 为管束壁面温度下的普朗特常数； 为外掠单管的雷诺特征数； 为努塞尔数，一个反映对流传热强弱的无量纲数。 (5) 式中：为传热膜系数；为传热面的几何特征常数，即光纤外径 d； 为流体热传导率。将上述表达式写成： （6） 式中的 就是对流换热下的导热系数。上式就可以把对流换热转化为相当于传热过程仅以热传导方式进行时的传热方式进行分析。 利用式（4） 、 （6）就可以计算出渗漏水和光纤之
12、间的对流换热系数，整理得：（7） 式（7）中特征数的计算： 为外掠单管的雷诺特征数： ，其中，为渗流流速；为光纤外径；为渗水运动粘滞系数。 为普朗特数：流体力学中表征流体流动中动量交换与热交换相对重要性的一个无量纲参数，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。 ，式中为定压渗水比热容； 为热导率。 式（7）经整理得： （8） 对于式（8）中的 ,当光纤埋设好后为一常数，记为 ，这里定义为光纤管束特征系数： 可由实验测算得出，得出各个温度条件的的值，记为 ，这里定义为普朗特相对系数。则整理式（8）得： (9) 令上式中的,则有： 就是对流换热下的对流表面换热系数。 3温度渗流流速耦合 对于渗漏，发
13、生渗漏通道的坝体部位渗水流速较大，坝体颗粒被渗水水流带走。在没有发生管涌的坝体部位，通过坝体固体颗粒和正常渗水散失的热量的速率相对比较慢。而发生渗漏的坝体部位，水流流速较大，这是对流传热散失热量的速率较大，并且占热量散失的大部分。所以，根据能量守恒 （10） 式中： 为光纤通过热传导向坝体土体介质传输的热量， ； 为渗水水流横向掠过光纤管束对流换热的热量， 。则 （11） 式中：为坝体颗粒与光纤的接触面积； 为光纤与渗水水流的接触面积，这里假设水流流向与光纤排列方向垂直。即： （12） 这里，假设坝体颗粒的空隙率为 e，且水流充满坝体颗粒之间的空隙。则得：（13） 式（16）为渗流流速与各特定
14、参数之间的关系算式。 当坝体出现严重渗漏，渗流流速较大时，加热光纤的热量大部分由流体和光纤之间的热对流散失，所以可忽略光纤与土体之间的热传导。得： 由上式可得出如下结论： （1）渗流流速与加热前后光纤的温度差成反比，温度差越小，则渗流流速越大，温度差越大，则渗流流速越小。这与理论分析结果一致。当渗流流速越大，对流换热带走的热量越多，光纤在加热后散失的热量越多，光纤温度下降的越快。 （2）渗流流速与渗流面积成反比，渗流面积越大，流速越小，这与这与理论分析结果一致。当接触面积较大时，散失同样的热量，需要的对流换热较弱，所以流体的流速就小。 4参数分析 对于 式中： 坝体土体导热系数与干密度，含水率
15、相关。在粘土模型中为定值，约 1.01.2；=0.51.0m，为光纤温度影响距离；为坝体土体颗粒空隙率；为光纤加热的功率。 对于，式中准则系数见下表， 表 1：绕流管束换热准则系数值表 其中：为定义为光纤管束特征系数，当光纤埋设好后为一常数。 ；为渗水导热系数，当水温在 0100变化时，取值范围为 5568)；定义为普朗特相对系数， ，对与选定的传感光纤仅与与温度有关；为管排数目修正系数，通常取 0.951.05；为定压渗水比热容，值为；为渗水运动粘滞系数，取值见表。 则：（1）当时，c=0.27、m=0.36、n=0.63、p=0， = （2）当时，c=0.021、m=0.36、n=0.84
16、、p=0 式中的都只与温度有关，所以 E 是一个只与温度有关的量。 （五） 、流速监测模型结论 通过对上述监测模型的分析，得出如下结论： （1）拉曼自发散射渗流监测模型，提出了一种简便判别坝体渗漏及渗流状况的手段。依据渗流对坝体温度场的改变特性，通过坝体温度场特征反演出坝体的渗漏及渗流状况。 （2）强制加热光纤渗流监测模型，定量地探讨了坝体渗漏水流速与光纤加热前后温度差的关系；模型中的参数都是仅与温度有关的量，故可以充分发挥分布式光纤测温的优越性。 （六） 、渗流分析与温度监测耦合模型 1允许流速 （1） 允许管涌流速： （2） 允许流土流速： 2渗流分析与光纤渗流监测模型耦合分析 （1）拉曼自发散射渗流监测模型得：； （2）强制加热光纤渗流监测模型得：。 管涌监测 通过对坝体土颗粒的分析，由细粒含量和不均匀系数可判定土的渗
