1、光纤光栅 -水暖循环集成系统监测渗流的试验研究 陈 江 1，程 飞 2， 昝亚锋 3，葛 琪 1， 熊 峰 1* (1. 四川大学 建筑与环境学院，四川成都 610065; 2. 四川大学 轻纺与食品学院，四川成都 610065; 3. 华能澜沧江水电股份有限公司漫湾水电厂 ， 云南 临沧 677000) 摘 要： 为了解决土石坝渗流常规监测手段空间不连续、效率低等缺陷，基于温度示踪法中的加热法，提出了将光纤光栅温度传感系统与水暖循环供热系统相结合的新型监测体系。该集成系统采用锅炉作为加热设备，热水通过分集水器分配到各条供暖管 路进行循环加热，光纤光栅温度传感器预埋在供暖管内测量管道内热水的温
2、度，根据温度场与渗流场的相关性间接获得渗流状态。基于牛顿冷却定律，提出根据管路降温曲线拟合出系数 v 并将其作为判别指标识别渗漏状态的新方法。建立了集中渗漏的试验模型，考虑了渗漏通道的位置、数量及渗漏强度等影响因素进行多工况试验，试验结果表明：降温阶段的温度实测数据与按牛顿冷却定律确定的温度变化数学模型基本相符，采用 v 作为判别指标能很好地进行渗漏的定位，其量值与渗漏强度定性相符。因此，本文提出的渗流监测系统及渗流状态识别方法是有效的。 关键词 ： 土石坝安全监测；温度示踪法；光纤传感；水循环加热；牛顿冷却定律 中图分类号： TV 871 文献标识码： A Experiment Study
3、of Seepage Monitoring with FBG-water Cycling Integrated System CHEN Jiang1, CHENG Fei2,ZAN Yafeng3, GE Qi1, XIONG Feng1* (1. College of Architecture 2. College of Light Industry, Textile and Food Engineering, Sichuan Univ., Chengdu 610065, China; 3. Huaneng lancang river hydropower co., LTD. Of manw
4、an Hydropower Plant, Lincang 677000, China) Abstract： Based on the heating method included in the temperature tracer method, a new monitoring system characterized by combinations of FBG sensors and the water cycling heating system is presented to apply on the leakage monitoring of rock-fill dam, aim
5、ing to overcome the disadvantages of conventional means such as spatial discontinuity and execution inefficiency. The main structure of this novel system is designed by embedding the FBG sensors in the pipes of the water cycling heating system. Several major components of this syst em including boil
6、er, sub-water catcher, heating pipeline, and FBG temperature sensors can play the functions of heating, allocation, transporting and monitoring, respectively. The temperature of heated water along the pipeline can be measured by embedded FBG. Based on the operational principle of this monitoring sys
7、tem, a series of experiments that take the influence factor of leakage passage (location and amount) and leakage intensity into account are performed for simulating the concentrated leakage monitoring. A cooling curve can be derived from the measured temperature data using Newtons Law of cooling. Th
8、e testing results in temperature decreasing phase are basically accorded with fitting results determined by Newtons law of cooling. The coefficient v fitted from cooling curve can be used as the key factor to identify the location and quantity of leakage, because the magnitude of v has a good agreem
9、ent with the leakage state. Therefore, the seepage monitoring system and its corresponding leakage identifying method are valid. Key Words： safety monitoring of rock-fill dam; temperature tracer method; optical fiber sensing; water cycling heating; Newtons law of cooling 近年来，我国大力开发水能资源，很多坝高超过 200m 的
10、大型水利工程都采用了土石坝方案。土石坝一般采用分层碾压的施工方法，层间结合面易形成渗水弱面；土石坝运行初期，由于拱效应 和不均匀沉降的影响，心墙防渗体容易 发生水力劈裂1。渗水弱面和裂缝一旦发展为渗漏通道，下游反滤料将遭到渗漏水的冲刷，而影响到整个坝体的稳定性，如不及时加以控制将导致大坝防渗体的破坏而引起灾难性后果 , 众所周知的美国 Teton 坝的溃决就是由渗透破坏所致。坝体的渗漏具有隐蔽性、收稿日期： 2015-11-18 基金项目 : 国家自然科学基金项目（ 51509174），四川省科技厅 应用基础研究项目（ 2015JY0235） 作者简介 ：陈江 （ 1982 ） ，男，副教授，
11、博士 .研究方向 :工程结构抗震及安全监测及 .E-mail: *通信联系人 E-mail: 网络出版时间 : 网络出版地址 : 空间和时间上的随机性，监测范围广，常规监测手段（如：测压管、渗压计、量水堰、水位管等）无能为力。由于渗流场与温度场的相关性 2，可通过测量温度并结合适当的数学模型间接获得渗流状态，这种方法称为温度示踪法，已广泛用于地下水的研究 3-4和及输油管线的渗漏监测5-6。将光纤测温技术与温度示踪法相结合是实现渗流监测的大范围、分布式、自动化观测功能的 有效途径。 基于温度测量的渗流监测方法分为梯度法和加热法。 梯度法利用渗漏水温与正常温度间的差异进行渗流状态的识别。Tobi
12、as Vogt 等 7基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术，将缠有光纤的 PVC 管埋入瑞士 prealpine 河的河床中，监测光纤温度的时空分布规律，分析河床中的渗流速度与水位及深度的关系，进而了解河水与地下水的补给情况。 Amir A Khan 等 8将该方法用于法国某水电站供水渠河堤的渗漏监测。朱萍玉等 9采用基于布里渊散射的分布式光纤传感技术进行了堤坝渗漏监测的模型试验。上述梯度法实施 的前提条件是补给源水温与正常情况下的背景温度场有较大差异，若差异较小，则效果不佳。加热法在监测点提供一个稳定热源以增大补给源水温与背景温度场的温差。肖衡林等 10、董海州等 11分别对分布式光纤加热法
13、监测渗流的数学模型进行了理论研究。Su Huaizhi等 12基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术，采用 ZTT 光缆进行了渗流监测加热法的研究。 Alain Ct等 13采用一种混合光缆进行了渗流监测加热法的研究，基于一维热传导方程，提出了一种求解渗流速度的线热源模型，并以模型试验加以验证 ， 该系统还应用 于加拿大Peribonka 坝的坝基渗流监测。陈江等 14-15提出了基于光纤布拉格光栅（ FBG）温度传感技术的渗漏监测方法，基于多孔介质 -传感加热单元的共轭传热数学模型，对这种监测方法进行了数值仿真和模型试验，验证了其可行性。综上，温度示踪法是渗流监测领域的研究热点， 目前主要采用
14、电阻丝加热，因土石坝和堤坝中监测线路较长，加热丝的电阻值较大，要达到预定的加热温度，往往需要较高的电压和较长的加热时间，且加热丝的电阻值会随着温度的变化而变化，因此，很难保证热源强度的稳定性。另外，电阻丝埋入坝体内的耐久性如何还有 待考证，因此，有必要探索其它加热方式。本文提出了一种由光纤光栅传感系统和水暖循环供热系统组成的新型监测体系，该监测系统采用水循环加热，可弥补电阻加热的某些缺陷。基于 牛顿冷却定律 ，提出了基于降温曲线的渗流识别方法，并通过模型试验验证了其有效性。 1 土石坝渗流监测方案 1.1 监测系统设计 本文提出的渗流监测方法基于温度示踪法中的加热法，其监测系统由传感系统和加热
15、系统组成。传感系统基于 FBG 温度传感技术，主要由光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、传感光缆组成；加热系统采用由锅炉、分集水器、供暖管路组成的水暖循 环系统，传感系统与加热系统的集成如图 1 所示。该加热系统相比于电阻丝加热有以下优点： 1）传感器在水中加热，受热更均匀； 2）升温快，最高加热温度可达 90 ； 3）没有漏电隐患； 4）供暖管对传感光缆具有保护作用。 加热系统的工作方式为：启动锅炉后，供暖管内的水开始循环流动，锅炉对其腔体内的水实施加热，加热后的水从供水口流出，经分集水器分配到各个支路，在各支路循环供热后再汇集到分集水器，然后由回水口进入锅炉。出于节能考虑，当锅炉腔体内的水
16、温达到设定值后，锅炉停止加热，当回水温度低于设定值时，锅炉重新开始加热，如此循环 ，因此，管路内的水温是呈周期性波动的。锅炉关闭后，循环水 即 停止流动。传感光缆穿入供热管路中，通过热水循环加热，光纤接头通过三通接头引出，用玻璃胶密封接头引出口，避免漏水（实践表明这种密封方式能保证不漏水），由光纤光栅解调仪测量供热管路中各测点的温度。 图 1 传感加热集成系统示意图 Fig.1 Sketch map of sensing-heating system 1.2 监测系统在土石坝中的适应性 实际应用中可根据大坝填筑进度，将传感加热管路分层埋设在心墙下游的反滤料中，用于大坝防渗体的渗漏监测。 根据监
17、测层面将锅炉分层布置在坝基廊道中，供暖系统通过分集水器可实现单锅炉 -多支路控制，单台锅炉可实现 1000m 长供暖管的加热，足以满足土石坝同一监测层面的监测长度要求。供暖温度和供水流量均可调，采用循环水加热，不会造成水资源的浪费。供暖管材一般为交联聚乙烯管，柔韧性好，尺寸小（外径 16 或 20mm，壁厚 2mm），强度高（ 20 时，可承受 20MPa以上的环向应力， 95 时，可承受 6MPa以上的环向应力），能适应土石坝的大变形及高围压。普通家用地暖供暖管的保修年限长达 50 年，其耐久性能满足土石坝的长期观测需要，同 时，供暖管还能对光缆起保护作用。普通规格的供暖管，单卷长度可 达
18、500m，可保证 长距离监测无接头，减小 管路漏水 隐患 。综上，该监测系统能适应土石坝的渗流监测需要。 2 基于降温曲线的渗流监测理论 采用上述监测系统进行渗流监测的步骤为： 1）启动锅炉，实施循环水加热； 2）当温度波动稳定后，关闭锅炉，这时管路内的水停止流动； 3）实时监测管路内各测点的降温过程，直至温度基本稳定； 4）根据测点的降温曲线确定渗流状态。下面介绍这种方法的基本原理。 设锅炉关闭时的状态为初始状态，选取管路中的一个微段进行分析，该微段内水的初始 温度为 T0，任意时刻的温度为 T，微段周围的环境温度为 T，微段的侧面积为 A。该微段的热传递方式包括： 1）微段沿轴向的热传导作
19、用； 2）微段与周围介质的热传导作用； 3）渗流水所产生的对流传热作用。其中， 渗流水所产生的对流传热作用 在整个热量交换中所占比例 最大 。根据牛顿冷却定律，单位时间 散失的热量与温度差成正比，如式（ 1）。 ()dQ A h T Tdt (1) 式中： Q 为散失的热量； t 为时间； h 为对流传热系数。 根据物体升温或降温所吸收和释放的热量与物体质量及比热的关系，可 得管路热量损失与水温增量间的微分关系如下： dQ c m dT (2) 式中： c 为水的比热； m 为水的质量。 由式（ 1）和式（ 2）可得，任意时刻温度随时间的变化关系如下： 0() v tT T T e T (3)
20、 其中： v hAmc (4) 上式中： v是反映散热速度的综合性指标，A、 m、 c 为常数， h 与周围介质热力学指标及渗流速度等因素有关。渗流速度越大，散热越快 ， h 越大， v 也越大 ，因此 ， v可作为渗流状态的判别指标。 将式（ 3）转化为以下形式： 0ln( ) vTT tTT (5) 令0ln( )TTy TT ，则 y 与 t 呈线性关系，根据 实测的降温曲线按式（ 5）的数学形式进行线性拟合，即可得系数 v。 3 渗流监测的试验模型 为了验证本文所提出的监测系统及渗流监测方法的有效性，设计了图 2 所示渗流监测试验模型。模型外壁采用 6mm厚有机玻璃板制作，全长 8m，
21、分 4 节制作，每节 2m ，模型截面尺寸为30cm30cm。模型底板按梅花形布孔，孔径 1cm，孔距 5cm，用于排水。模型用河沙填充，河沙孔隙率 0.34，填沙前，先在底板铺一层 200 目不锈钢钢丝网，以防砂土流失。采用德国 BOSCH 欧洲之星采暖炉、意大利卡莱菲 662 型分集水器及外径2cm PE-RT 地暖管组成的水暖循环供热系统实施加热，供暖管布置在模型中部，整条管路全长 32m，其中： 8m 埋设在沙中，其余 24m 暴露在空气中。 将 14 个光纤光栅温度传感器 通过传感光缆连成一整串 ，先在供暖管中穿钢丝，再通过钢丝牵引将传感串布置在供暖管中， 传感器的布置见图 3。光纤
22、接头通过三通 接头引出，如图 4所示，在图 4 接头引出管中灌入玻璃胶密封堵水。采用 FS2200RM 工业级光纤光栅解调仪（葡萄牙 FiberSensing 公司制造）实时测量光栅温度传感器的波长，光纤光栅解调仪与笔记本电脑通过 TCP/IPv4 协议连接，采样时间间隔取 1s（每秒最大采样数可达 100）。在模型上方布置了两个渗漏点，渗漏点 A与测点 4 相对应，渗漏点B布置在测点 8 和 9 之间，靠近测点 8，如图 3 所示，渗流量可通过水箱上的阀门调节。试验前对河沙进行了洒水饱和处理。共进行了 3 种不同渗漏部位的试验，每种渗漏部位设置 4 种渗流状态，试验工 况见表 1，试验步骤在
23、第 3 节中已作说明，不再累述。 图 2 渗流监测试验模型 Fig.2 Experiment model of seepage monitoring 图 3 测点布置 Fig.3 Arrangement of measure points 图 4 光纤接头引出 Fig.4 Extraction of optical fiber connector 表 1 试验工况 Tab. 1 Experiment cases 工况 渗漏部位 渗流量 / ml.min-1 A 点 B点 1-1 A 点 0 0 1-2 310 0 1-3 470 1-4 0 2-1 B点 0 0 2-2 0 300 2-3 0
24、 450 2-4 0 680 3-1 A 点 +B点 0 0 3-2 385 350 3-3 810 350 3-4 810 830 4 试验结果及分析 4.1 加热阶段温度变化特征 前已述及，锅炉供水口流出的水并不是恒温水，而是呈周期性波动的，管路中的循环水温也是周期性变化的 ，与供暖管中的热水流速有关， 二者的关系 见图 5，可以看出：随着热水流速的增大 （供 暖管中的热水流速可通过分水器上的内置流量计设置） ，升温 速度 越快、温升值越大 。 当供暖管中的热水流速 为 33.2mm/s 时 （此流速为分水器流量计刻度设置为 1 时对应的流速） ， 工况 1-11-4 渗漏点 A 对应的
25、4号测点在加热阶段的温度变化时程曲线见图 6。可以看出： 1）测点水温呈周期性波动并逐渐升高，约 25 分钟后，波峰和波谷以及波动周期趋于稳定； 2） 4 种渗流状态得到的温升曲线几乎一致，这是由于管路中的水为循环水，循环水的流速比渗流速度大 得多 ，循环水流到渗漏区域时，渗流作用所产生的热交换时间很短，对循环水温度影响很小，因此 ，从加热阶段的温度时程曲线上无法分辨是否有渗漏发生。 图 5 不同热水流速下的温升曲线 Fig.5 Temperature rising curve under various flow velocity of heating water 图 6 加热阶段 4号测点
26、温度时程曲线 Fig.6 Temperature curves of point 4 in temperature rising phase 4.2 降温阶段曲线拟合 当循环水温的波动趋于稳定后，关闭锅炉停止加热，同时，管路中的水也停止流动，这样，渗流水与管路的热交换即可充分进行。从第 3 节的理论分析中可以看出，有渗流的区域，对流传热系数更 大，散热越快，因此，从降温过程曲线中可提取出与渗流有关的信息用于渗漏状态的识别。 按式（ 5）的数学形式对各测点降温阶段的温度实测数据进行拟合，可得系数v，即渗漏状态判别指标。 工况 1-11-4渗漏点 A对应的 4号测点在降温阶段的温度实测数据与拟合曲
27、线的对比见图 7。可以看出： 初始降温段与拟合结果偏差较大，这是由于实际操作过程中， 是在 测点 温度达到波峰时关闭锅炉， 管路中的循环水由于惯性作用并没有马上停止流动，因此，初始降温段包含了循环水流动而产生的降温因素，即图 6 中波峰至波谷间的降温段。除去初始降温段（ 0200s 之间）， 按式（ 3）的拟合结果与实测结果基本相符 ，说明式（ 3）可以用于该系统降温阶段温度变化的数学描述。 (a) 工况 1-1 (b) 工况 1-2 (c) 工况 1-3 (d) 工况 1-4 图 7 降温阶段温度实测结果与拟合结果对比 Fig.7 Comparison between test result
28、s and fitting results in temperature decreasing phase 4.3 渗漏状态识别 本文通过调节渗流量来改变渗流速度，由于渗流量的增大会同时导致渗流范围和渗流速度的增大，因此，渗流量与渗流速度并非成正比，但是，从试验现象可见：渗流速度是随渗流量增大而增加的。渗流速度的测量比较困难，因此，本文采用渗流量来反映渗流强度。对各工况各测点降温阶段的温度实测数据进行拟合，得到与测点所在区域对应的 v，根据 v的分布进行渗漏状态的识别，识别结果见图 8。 (a) A 点渗漏 (b) B点渗漏 (c) A 点和 B点同时渗漏 图 8 渗漏状态识别结果 Fig.8
29、 Identification results of leakage state 在上图中，受渗流影响的区域，其拟合的 v值很好地反映了渗流状态的变化，而不受渗流影响的区域，各个工况拟合的v值变化很小， 说明判别指标 v能很好地进行渗漏的定位，随着渗流量的增大，渗流影响区域的 v绝对值也呈增大趋势，其数值与渗流量定性相符。从图 8(c)还可以看出最右侧的 14 号测点 v的绝对值明显低于其它部位， 这是由于该测点靠近窗边，长期的日照导致该 部位水分蒸发过快，含水率较低，散热较慢， v绝对值较小。 5 结论 本文针对土石坝渗流监测这一工程难题，提出了采用水暖循环供热系统与光纤光栅传感系统进行渗流
30、监测的新型监测体系，基于牛顿冷却定律，提出根据管路降温曲线识别渗漏状态的新方法，并进行了渗流监测的模型试验。可得到以下结论： （ 1）水暖循环系统在加热阶段的水温呈周期性波动并逐渐升高， 升温速度与温升值随供暖管中的热水流速的增大而增大。当供暖管中的热水流速为 33.2mm/s时， 约 25 分钟后，波峰和波谷以及波动周期趋于稳定， 不同 渗流状态下的温升曲线几乎一致， 利用温升阶段的监测数据未能识别渗漏状态； （ 2）各测点在降温阶段的温度实测数据与按牛顿冷却定律确定的温度变化数学模型基本相符，说明本文提出的渗流状态识别方法理论依据充分； （ 3）渗漏状态识别结果表明：采用拟合的系数 v作为
31、判别指标能很好地进行渗漏的定位，其量值与渗漏强度定性相符。 综上，采用本文提出的监测系统及渗漏识别方法进行渗流监测是有效且可靠的。 参考文献 ： 1 Zhang Bingyin, Li Na, Li Quanming, etal. Mechanism analysis and model test of hydraulic fracturing in embankment damsJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(11): 1277 1281. 张丙印 , 李娜 , 李全明 , 等 . 土石坝水力劈裂发生机理及模型
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