渗流流速与光纤温升关系研究

徐翔宇 肖衡林 朱若燕

摘要：本文详细分析了采用分布式光纤温度传感技术进行渗流流速与光纤温升关系实验的过程，以及试验数据的分析拟合。

关键词：渗流流速，光纤温升，渗漏，温度监测

Abstract: this paper analysis the distributed optical fiber temperature sensor technology to seepage flow velocity and temperature of the relationship between the process of the optical fiber, and the analysis of the test data fitting.

Keywords: seepage flow velocity, optical fiber temperature rise, seepage, and the temperature monitoring

中图分类号：P435文献标识码：A 文章编号：

渗流问题一直是影响大坝安全的一个重要问题，为保证坝体等拦水建筑物安全运行，行之有效的渗流监测就显得尤为重要。

在实际工程中，大坝出现渗漏位置以发生在水位线以下居多，也就是介质处于水饱和状态，因此，在建立渗流流速与光纤温升关系的试验模型实验的前提是模拟大坝饱和介质中渗漏对温升的影响试验，所以在每次渗漏试验前，先行对布好粘土、细砂、砾石介质的三个水槽进行喷雾式注水约1.5小时，以期使各个水槽介质达到饱和状态，并保证水槽下方的出水口的水流流速基本保持在匀速的时候，开始实验。

在实验时间的选择上，为确保实验初始温度的一致，在了解到气象情况比较稳定的4-7天内，选择上午8:30开始喷雾注水，10:00——15:00进行正式实验，从而保证大气温度的恒定，保证实验的客观、科学。

整个实验过程采用了费希尔三原则：通过保持水流开度一定的情况下，重复改变加热功率，对光纤的温升进行重复测试，并取多次测量的平均值作为最终值，来实现重复测试的目的；在测量过程中，每次实验中加热功率的设定顺序不固定，进行随机选择加热功率进行加热，来实现实验的随机化；为保证实验的大气温度一致，将实验安排在天气相似连续几日，并将实验固定在不同日期的一天内的相同时间段内进行，从而实现对大气温度的局部控制。

在加热功率的选择上，考虑到很好的放大温度信号和保证温升和时间保持较好的直线关系的要求，采用了5W/m、7W/m、9W/m、11W/m、13W/m的加热功率。在实验过程中，为避免风向对喷雾效果的影响，在渗漏区两侧悬挂了0.5m高的塑料薄膜，来保证实验过程中水流速度的恒定。控制渗流流速的方法主要有三个：①通过对总水管的阀门进行调节，改变总进水量，从而改变渗漏量；②通过对分水管的阀门进行调节，改变两侧的喷洒量，从而改变渗漏量；③通过增加和减少分水管上安装的雾化喷头数量，改变喷洒量，从而改变渗漏量。渗流流速的测定为：渗流流速=一定时间内从排水管排出的水的质量/模型槽的底面积，其中一定时间内从排水管排出的水的质量采取多次测量取平均值的方法来得到。

在进行了大量实验和对实验数据进行处理后发现，随着渗漏的发生，光纤的热量被水流带走，使得光纤的温升量比没有渗漏的光纤温升量低（如图一），从图中可以很容易发现，相同渗流流速下，光纤温升曲线基本保持着三个阶段：快速上升段、缓慢上升段和稳定段。

为了了解渗流流速对三种填料介质中的光纤温升的影响情况，选取了部分试验结果并进行分析。试验表明，相同介质中相同加热功率下，渗流流速与光纤的温升成反比，如下表，粘土介质中，渗漏速度越大，温升越小。

按照相关实验数据，对粘土、、细砂、砾石介质中的温升和渗流流速之间的关系，用MATLAB进行拟合，最终得到粘土在不同渗漏速度和加热功率下的温升拟合曲线为：

通过大量的渗漏试验，采集了大量的渗漏监测数据，通过对数据的处理和数值模拟，为今后对渗漏监测提供了一定的理论基础，为实际工程中渗漏速度的精确测量提供了实验依据。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。