堤防浸润线光纤监测模拟试验研究

秦畅

摘要：渗流浸润线监测是堤防安全监测的重要组成部分，传统的浸润线监测技术虽然得到长时间的广泛应用，但其弊端较多，比如只能进行点式监测、实时性较差等。目前，分布式光纤测温技术的快速发展为堤防渗流监测开辟了新的研究方向。已有许多学者利用分布式光纤测温技术深入研究了渗流监测问题，取得许多研究成果，但其中的光纤布型大部分采用直线布型，因光纤定位精度技术限制，严重影响监测结果。本文基于测温光纤测点定位特点研究设计新的光纤布型以提高温度测点定位精度，并应用新光纤布型开展堤防浸润线光纤监测模型试验研究，研究堤防浸润线光纤监测方法。

关键词：堤防安全，浸润线，光纤检测，模型试验

1 堤防浸润线光纤监测模型试验

1.1 试验模型制作

1）试验水槽 试验水槽分为进水段和试验段两部分，在进水段前端开有四个出水孔，其中三个是用于控制进水段水位，最后一个靠近底板用于排空进水段蓄水；在试验段一侧面每隔500mm各设一个水位观测孔，用于观测不同水位下相应位置浸润线距底板的高度。

2）传感光纤布设 水槽试验段共布设三层监测光纤层。

3）试验模型搭建 水槽试验段每填埋10cm砂土便在砂土表面正中平铺一层光纤，在填砂过程中应保护好层与层之间的连接段光纤，不能应过渡弯曲而将其折断。

1.2 试验工况设计

堤防浸润线光纤监测试验，通过在砂土中埋设的三层光纤，研究利用DTS测温系统定位浸润线及感知渗流在砂土内发展过程的可行性。试验主要选取加热功率和不同水位作为试验因素。一般情况下，堤防在非汛期运行性态平稳，浸润线相对稳定，渗流安全险情发生的较少。但是在汛期，河道水位上升，导致浸润线上抬，容易诱发渗流安全险情。针对工程实际，本试验设计以下两种工况：

1）稳定渗流工况

稳定渗流工况主要是模拟浸润线基本稳定的情况，探究利用加热光纤定位浸润线位置的可行性。试验思路为：首先向水槽进水段注水至预设水位，保持其不变，让其形成该水位下的稳定浸润线，然后选定合适加热功率对光纤加热一定时间，之后让其自然降温，通过分析光纤在降温过程中的温差变化规律，定位浸润线的大致位置。

2）非稳定渗流工况

设计此工况主要是为了分析汛期水位上涨时在堤防体内渗流性态的变化情况，及研究利用加热光纖定位浸润线的可行性。试验思路为：首先选定合适的加热功率对埋设在砂土中的光纤加热到基本稳定状态，然后向水槽进水段逐步地将水位抬高，通过DTS测温系统感知水位在上升过程中光纤的温降变化，并结合测压管监测成果分析砂土内渗流变化情况及定位浸润线的可行性。

1.3 加热功率选择及试验步骤

1）加热功率选择

在进行各设计工况试验之前，先使用伏安法精确地测得加热段光纤的电阻，计算出光纤加热功率对应的加载电压。

现选定加热功率从3W/m到19W/m，每隔2W/m的间隔逐渐增加，在每米加热功率下计算出输出电压并将调压器拨到相应电压即可加热。

结果显示，在砂土中不同加热功率下光纤的温升值各不相同，光纤的温升值随加热功率的增大而增大，以加热功率P为x轴，温升值为y轴的两者拟合曲线见图。

加热功率与砂土中光纤稳定温升值的关系曲线

从上图可知，与空气中光纤加热温升一样，在砂土中加热功率与光纤稳定升温值大致呈线性关系，且两者的拟合效果很好，由此得到光纤在砂土中加热功率与稳定温升之间的关系式为。由此可知，在砂土中光纤稳定温升值只与每米加热功率有关，即只要对任意长度的光纤随意选定一个加热功率，就能大致的确定光纤温度达到稳定时的温升值。与加热功率与空气中光纤稳定温升值的关系曲线相比，相同加热功率下，光纤在砂土中达到的稳定温升值明显要低于空气中。

可以得出，相同加热功率下，光纤在砂土中达到稳定温升值的时间要明显长于空气，但稳定温升值却要远小于空气中的光纤。基于此，本次试验中加热功率的选择应有别于水深测量试验。在砂土中，加热功率越大，光纤的稳定温升值越大，到达稳定的时间也越长，表现出来的加热效果越明显。本次试验的加热功率选为11W/m、13W/m、15W/m。

2 堤防浸润线光纤监测试验成果分析

首先利用关系式，求出每层光纤布型段温度测点距水槽试验段进水口处的水平距离。在此后的分析中，均用水平距离值表示对应的光纤测点。

2.1 稳定渗流工况试验成果分析

此种工况进行了9次试验，分别为水位为15cm对应加热功率为11W/m、13W/m、15W/m，水位为25cm对应加热功率为11W/m、13W/m、15W/m，水位为35cm对应加热功率为11W/m、13W/m、15W/m。现以水位为25cm工况下三次试验为例进行成果分析。

1）监测成果规律分析

（1）在相同时间内，离模型试验段上游侧面越近的光纤测点，温降越大；反之，温降越小。

（2）加热功率越小，光纤层温降过程图中的分界越不明显。

（3）浸润线以下，光纤的传热方式为以下两种：一是光纤与饱和砂土之间的热传导，二是水流对光纤的热对流。浸润线以上，光纤的传热方式只有一种，即光纤与非饱和砂土之间的热传导。故在相同的降温时间内，浸润线以下部分光纤的温降值大于浸润线以上部分，且因渗流流速的差异导致彼此间的温差值也存在差异；而浸润线以上部分光纤温降值基本相同，且比较小。

综上，可归纳出稳定渗流工况下靠近浸润线测点的判定方法：将光纤层所有温降过程线分为两部分的测点，或光纤温差沿程分布曲线中温差值开始保持基本不变的前一测点。

2.2 非稳定渗流工况试验成果分析

光纤加热功率越大，光纤监测效果越良好，所以非稳定渗流工况试验以15W/m加热功率试验为例进行成果分析。

1）光纤升温到基本稳定温度后，当砂土发生渗流时，浸润线及毛管水影响区内的光纤测点温度下降，而未受毛管水影响的测点，其温差值在0附近，基本保持稳定温度。另外，随着渗流向前行进，在渗水及毛细管水影响下的光纤测点，其温度随时间逐渐降低，这表明渗水能穿过浸润线从饱和区进入非饱和区，并在非饱和区继续前行。

2）水位在逐级上升的过程中，相同时间下，原先在浸润线以下的测点仍在浸润线以下，其温降值变化很小；而原先受毛细管水影响的测点变为浸润线以下的测点，其温降值改变较大。

3）相同水位条件下，底部光纤层温降值最大，其次是中间光纤层，上部光纤层温降值最小。由此可知，同等条件下，光纤铺设层离堤基越远，其温降值越小。

3 小结

本文分析了分布式光纤测温技术的特点，提出浸润线监测光纤新布型，研究了基于分布式光纤测温技术的堤防浸润线监测方法，主要成果如下：

（1）分析了分布式光纤测温技术的特点，针对其空间分辨率不足，设计提出了一种新的光纤布型，并通过试验验证了该方法测定浸润线位置的可行性。

（2）基于光纤新布型，设计和组建了一个由DTS测温系统、加热系统、数据处理分析系统及堤防渗流模型等组成的光纤浸润线监测试验模型，结合稳定渗流和非稳定渗流试验工况，给出了相应的试验方法。

（3）堤防浸润线光纤监测试验成果分析表明，光纤新布型能够较为准确地定位出浸润线的位置。在非稳定渗流工况下，光纤新布型能够实时感知渗流的发展过程，可以监测浸润线及毛管水上升区的位置变化。endprint