田振華，劉發(fā)智，張術(shù)彬，韓 雷

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于光纖光柵原理的一維圓筒滲透模型試驗(yàn)研究

田振華，劉發(fā)智，張術(shù)彬，韓 雷

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

采用先進(jìn)的光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)經(jīng)典的一維圓筒滲透模型進(jìn)行了滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，研究了滲流發(fā)生過程中介質(zhì)的溫度變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：相同滲流水溫時(shí)，隨著滲流量的增加，滲透發(fā)生前后，介質(zhì)溫差相應(yīng)增大，其增大值基本呈線性增大；隨著滲流水溫的增加，滲透發(fā)生前后，介質(zhì)溫差明顯增大，其最大溫差值為5.06 ℃。

光纖光柵；圓筒模型；滲流；溫度

資料[1]表明，滲流破壞導(dǎo)致垮壩事故約占土石壩事故總數(shù)的30%～40%。對(duì)土石壩滲透破壞的研究由來已久，隨著科技的發(fā)展及監(jiān)測(cè)手段的提高，對(duì)土石壩滲透過程的監(jiān)測(cè)逐漸由傳統(tǒng)、常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法，比如測(cè)壓管、滲壓計(jì)、滲流量等，向電法、高密度電阻率法、自然電位法、激發(fā)極化法、示蹤法、流場(chǎng)法、彈性波法、遙感法，及影像學(xué)法等轉(zhuǎn)移過渡[2]。近年來隨著光纖傳感技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于土石壩滲流安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[3]。采用光纖光柵系統(tǒng)測(cè)量溫度除具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)如防燃、防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾、耐高壓、長(zhǎng)距離、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速測(cè)溫并定位外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):①傳感信號(hào)是波長(zhǎng)調(diào)制，測(cè)量信號(hào)不受光強(qiáng)波動(dòng)的影響；②具有自參考點(diǎn)，測(cè)量的是絕對(duì)值；③更容易采用復(fù)用傳感技術(shù)；④光柵直接寫入纖芯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好及插入損耗低，易于實(shí)現(xiàn)一維光子集成，無需研磨工藝和對(duì)準(zhǔn)工藝[4]。本試驗(yàn)研究旨在采用光纖光柵傳感測(cè)溫技術(shù)，通過模擬一維圓筒滲流過程，探求滲流過程中介質(zhì)的溫度場(chǎng)變化，為土石壩滲流安全監(jiān)測(cè)預(yù)警提供必要的技術(shù)支持。

1 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)與原理

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器和信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)等組成。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應(yīng)外界被測(cè)量的信息，外界被測(cè)量的信息通過信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映出來[5]。

光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)為沿纖芯折射率周期性的調(diào)制，所謂調(diào)制就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對(duì)芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光柵。

光柵對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性的反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，中心波長(zhǎng)為布拉格波長(zhǎng)λB，其余的透射光則不受影響，這樣光纖光柵就對(duì)光波進(jìn)行了選擇。如果光柵處的溫度發(fā)生變化，光柵的折射率neff會(huì)相應(yīng)改變，由于熱脹冷縮，光柵條紋周期Λ也會(huì)跟隨溫度變化，從而導(dǎo)致光柵布拉格波長(zhǎng)λB的漂移。漂移的幅度和溫度的改變量呈線性關(guān)系[6]。

ΔλB=(α+ζ)ΔTλB

(1)

這樣通過監(jiān)測(cè)光柵反射光的波長(zhǎng)變化，就可以知道光柵處的溫度變化。光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)框架如圖1所示。

光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)中，一根光纖上串接多個(gè)光柵(如圖1所示各測(cè)點(diǎn))，寬帶光源所發(fā)射的寬帶光經(jīng)Y型分路器通過所有的光柵，每個(gè)光柵反射不同中心波長(zhǎng)的光，反射光經(jīng)Y型分路器的另一端口耦合進(jìn)光纖光柵感溫探測(cè)信號(hào)處理器。通過光纖光柵感溫探測(cè)信號(hào)處理器探測(cè)反射光的波長(zhǎng)及變化，就可以得到解調(diào)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過式(1)處理，就得到對(duì)應(yīng)各個(gè)光柵處環(huán)境的實(shí)際溫度。

圖1 光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)框架圖

2 一維圓筒滲透模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/p>

試驗(yàn)采用光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)自動(dòng)采集溫度、測(cè)壓管測(cè)量滲透水頭及量筒測(cè)滲流量?；谶_(dá)西滲流理論，設(shè)計(jì)制作了可直觀反映滲透過程的圓筒模型。圓筒內(nèi)徑24 cm，介質(zhì)裝樣深度為60 cm，如圖2所示。裝置采用有機(jī)玻璃制作，裝置的主要部分是一個(gè)上端開口的圓筒，筒中預(yù)裝本試驗(yàn)滲透介質(zhì)(細(xì)砂)，其上有輸水管、出水管、排水管，筒的側(cè)壁裝有測(cè)壓管，兩個(gè)測(cè)壓管分別設(shè)置在相距L=50 cm的兩個(gè)過水?dāng)嗝?-1和2-2位置處，滲透水自圓筒的下部輸水管經(jīng)砂土滲透，滲透水由出水管排出，滲流量由量筒量取。

光纖沿圓筒軸向布設(shè)，如圖3所示，先自介質(zhì)頂層至介質(zhì)底層垂直布設(shè)一條，再在介質(zhì)底層彎折光纖垂直向上至介質(zhì)頂層布設(shè)第二條光纖，再在介質(zhì)頂層彎折向下布設(shè)第三條光纖，依此沿圓筒軸向共布設(shè)六條光纖，使得光纖在滲透介質(zhì)橫截面上沿圓周均勻分布6個(gè)測(cè)點(diǎn)。本試驗(yàn)所監(jiān)測(cè)的有效光柵測(cè)溫點(diǎn)共計(jì)30個(gè)，分5層分別布設(shè)于滲透介質(zhì)圓柱體的10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm位置處，每一層有6個(gè)光柵測(cè)溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本試驗(yàn)為一維滲透模型，取每一層6個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的溫度平均值作為該截面介質(zhì)的溫度。通過秒表記錄滲流時(shí)間，由量筒量測(cè)滲流量繼而計(jì)算出平均滲流量。試驗(yàn)全過程攝像記錄。

滲流用水由保溫水箱供給，水箱內(nèi)徑長(zhǎng)寬高尺寸為60 cm×50 cm×70 cm，其供水水頭范圍為0～5 m。試驗(yàn)中為減小環(huán)境對(duì)水箱內(nèi)及輸水管中水溫的影響，箱體四周采用苯板保溫，輸水管采用保溫棉纏裹。

試驗(yàn)用滲透介質(zhì)選用細(xì)砂，其滲透性、孔隙率及級(jí)配曲線等物理力學(xué)參數(shù)由試驗(yàn)測(cè)得。顆分曲線見圖4、基本性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)用介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)過程及方案

本研究主要試驗(yàn)步驟如下。

(1)率定光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)。使其測(cè)溫準(zhǔn)確度及精度滿足《光纖溫度傳感器通用規(guī)范》(SJ 20832-2002)要求，并根據(jù)圖2所示試驗(yàn)裝置及圖3所示布設(shè)方式，空間架立并固定光纖于滲透圓筒內(nèi)。

圖2 一維圓筒滲透試驗(yàn)裝置示意圖

圖3 光纖光柵布設(shè)示意圖

圖4 試驗(yàn)介質(zhì)(細(xì)砂)顆分曲線

(2)裝樣。預(yù)先在圖2所示濾網(wǎng)上放置一圓形無紡布，待介質(zhì)高度升至圓筒內(nèi)出水口截面時(shí)，在河砂上層覆蓋一圓形無紡布，其上壓一圓柱狀透水石。裝樣過程中每裝入5 cm深度，均勻振搗，裝樣過程中，保持光纖光柵的位置如圖3所示的空間位置不發(fā)生移動(dòng)。

(3)測(cè)溫。量測(cè)滲透前滲流水溫、介質(zhì)溫度。

(4)注水。將恒溫水箱置于一定的高度，滿足水頭H=2.0 m。由調(diào)節(jié)閥控制流量，注水，監(jiān)測(cè)滲流過程中的測(cè)壓管水頭、溫度、流量等數(shù)據(jù)，滲流全過程由攝像機(jī)攝錄。

(5)停水。待兩個(gè)測(cè)壓管水位差保持穩(wěn)定，且單位時(shí)間內(nèi)的滲流量保持不變時(shí)，停止注水，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)中為了對(duì)比研究滲流發(fā)生前后溫度的改變，重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)制作一個(gè)不發(fā)生滲透試驗(yàn)的裝置，用于監(jiān)測(cè)未發(fā)生滲流時(shí)介質(zhì)的溫度。為避免滲透過程中介質(zhì)的溫度受外界的干擾，僅取介質(zhì)20 cm、30 cm、40 cm截面處所監(jiān)測(cè)溫度的平均值作為滲透發(fā)生時(shí)介質(zhì)溫度。

試驗(yàn)采用細(xì)砂作為滲透介質(zhì)，所選滲流水溫分別為4 ℃、10 ℃、20 ℃、40 ℃，分別監(jiān)測(cè)不同水溫下的相同介質(zhì)發(fā)生滲透時(shí)的溫度場(chǎng)變化。試驗(yàn)中時(shí)刻監(jiān)測(cè)供水水箱內(nèi)的水溫，保證其溫度變化不超過±0.5 ℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2給出了各滲流水溫條件與不同滲流量組合時(shí)，滲透發(fā)生前后介質(zhì)溫差的變化值。從表2得出，在本試驗(yàn)條件下發(fā)生滲透前后，介質(zhì)溫差變化范圍在0.25～5.06℃之間。當(dāng)滲流水溫保持恒定時(shí)，隨著滲透流量的增大，其發(fā)生滲流前后溫度差也隨之增大，其趨勢(shì)基本呈線性增大，見圖5。滲透過程一旦發(fā)生，介質(zhì)溫度場(chǎng)與滲流水溫度場(chǎng)必相互作用，隨著滲透流量的增大，滲流速度逐漸增大，介質(zhì)的溫度場(chǎng)隨著滲流水的流入，兩場(chǎng)耦合熱交換的過程迅速被滲流水的溫度場(chǎng)所替代。在相同滲透流量作用下，隨著滲流水溫的升高，其介質(zhì)的溫度差也隨之增大，主要是由于滲流水的運(yùn)動(dòng)黏性主要受溫度的影響，隨著溫度的升高其黏度減小，流動(dòng)性增大，其滲透速度也隨之增大，滲流水溫度場(chǎng)與介質(zhì)溫度場(chǎng)的耦合過程相對(duì)縮短，滲流水對(duì)介質(zhì)溫度的影響程度更加明顯。

表2 各工況滲透作用前后介質(zhì)溫差變化統(tǒng)計(jì)表

圖5 滲透流量與滲透介質(zhì)溫差關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

基于光纖光柵傳感測(cè)溫技術(shù)，研究了一維圓筒滲透模型在不同流量、不同水溫下發(fā)生滲流作用時(shí)介質(zhì)溫度的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)滲流水溫保持不變，隨著滲透流量的增大，滲透前后介質(zhì)溫差變化值亦隨之增大，其增大趨勢(shì)基本呈線性變化。相同滲透流量下，隨著滲流水溫的升高，滲透前后介質(zhì)溫差相應(yīng)增大。

(2)滲流水溫是影響介質(zhì)溫度變化的主要影響因素，主要是由于隨著溫度的升高，水的運(yùn)動(dòng)黏度減小，介質(zhì)溫度場(chǎng)與滲流水溫度場(chǎng)耦合過程中，滲流水溫度場(chǎng)起主導(dǎo)作用。

[1] 孔祥言.高等滲流力學(xué)[M].第2版.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010.

[2] 吳玉龍.基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的堤壩滲漏監(jiān)測(cè)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[3] 陶珺，穆磊，杜平.多點(diǎn)光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)在滲流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].量子電子學(xué)報(bào)，2010，27(6)：105-109.

[4] 林鈞岫，王文華，王小旭.光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，44(11)：931-936.

[5] 龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[6] 梅加純，姜德生，范典，等.基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的面板壩滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2005，24(9)：65-66.

Experimental study of one-dimensional cylinder seepage model based on the principle of fiber Bragg grating

TIAN Zhenhua, LIU Fazhi, ZHANG Shubin, HAN lei

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

By the advanced fiber Bragg grating sensor technology, the seepage field and temperature field were monitored to one-dimensional cylinder seepage model, some discipline which occurred in the process was produced. Conclusions: on the condition of same seepage water temperature, the temperature difference is enlarged sharply like a linear increase with the increase of seepage quality. And the maximum temperature difference before and after penetration is 5.06 ℃ with the rise of the seepage water temperature.

fiber Bragg grating; cylinder seepage model; penetration; temperature

黑龍江省財(cái)政廳科技專項(xiàng)(201302)

田振華(1983-)，男，工程師，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)等方面的研究。E-mail:scorpiofield@163.com

TV139.16

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2096-0506(2015)06-0019-05