蘇 觀 南，徐 勇 俊，袁 叔 洋，朱 昆

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

堤防工程在我國防洪工程體系中占有非常重要的地位，它是抵御洪水、保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的基本設(shè)施和屏障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上堤防潰決是由滲透破壞造成[1-2]，而浸潤線位置及其變化是判斷堤壩滲流狀況和堤坡穩(wěn)定性的重要因素。因此，加強(qiáng)堤防滲流浸潤線的定位和監(jiān)測，對堤防工程安全運(yùn)行意義重大[3]。傳統(tǒng)的浸潤線定位及監(jiān)測技術(shù)雖然應(yīng)用廣泛，但具有實(shí)時(shí)性較差、只能進(jìn)行點(diǎn)式監(jiān)測等弊端。目前，利用分布式光纖測溫技術(shù)對土石壩、邊坡等滲流監(jiān)測問題已有深入研究[4-5]，并取得了大量研究成果。Aufleger等[6]提出利用分布式光纖對土石壩進(jìn)行長期監(jiān)測；Khan等[7]針對分布式光纖堤壩滲漏探測，提出多種監(jiān)測溫度模型分析方法，并構(gòu)建了一套堤壩滲漏監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、分析及預(yù)警系統(tǒng)；康業(yè)淵[8]基于分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，通過理論分析和模型試驗(yàn)，對穿堤涵閘土石結(jié)合部滲流狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；黎峰[9]提出了光纖分散敷設(shè)方式，并通過試驗(yàn)成功運(yùn)用于石牛水庫浸潤線測量。但大多數(shù)研究中的光纖均采用直線布置，因光纖定位精度技術(shù)限制，嚴(yán)重影響監(jiān)測結(jié)果。鑒于此，本文根據(jù)測溫光纖測點(diǎn)定位特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的蛇形光纖布型以提高溫度測點(diǎn)定位精度，通過水深測量試驗(yàn)進(jìn)行堤防浸潤線定位探索，對比分析計(jì)算水深與實(shí)際水深的結(jié)果，從而證明光纖新布型定位具有較高精度。

1 蛇形分布式光纖設(shè)計(jì)

因采樣間隔和空間分辨率(1.0 m)等因素的限制，分布式光纖直線布型所采集的數(shù)據(jù)很大程度上無法滿足水利工程對堤防體內(nèi)浸潤線的測量要求。為此，設(shè)計(jì)了一種新的光纖布型，通過蛇形纏繞提高其定位精度，如圖1所示。制作方法為：① 光纖固定支架制作。設(shè)光纖鋪設(shè)層堤防寬為c，該監(jiān)測堤段長為b，則固定支架尺寸確定為c×b(長×寬)。② 光纖新布型的制作。為防止鎧裝光纖纏繞時(shí)內(nèi)部不銹鋼軟管在彎曲中折斷，首先對固定支架的兩條長邊按c1、c2交替進(jìn)行標(biāo)記，c1、c2的取值需確保光纖彎曲半徑大于12D(D為光纜直徑)；然后取一定長度的光纖，按圖1(a)中所標(biāo)記的1，2，…，6的順序纏繞并固定，最終可形成圖1(b)完整的光纖新布型。

圖1 光纖新布型設(shè)計(jì)和制作Fig.1 Design and fabrication of new lay pattern about fiber optical

2 蛇形分布式光纖的浸潤線定位原理

圖2為基于蛇形分布式光纖的堤防浸潤線監(jiān)測方法示意圖。光纖新布型共鋪設(shè)了4層光纖監(jiān)測層，堤防體內(nèi)浸潤線和毛細(xì)管水上升區(qū)邊界與光纖層均有交點(diǎn)，因此通過光纖加熱法，一方面可感知堤防體內(nèi)滲流的發(fā)展過程；另一方面可根據(jù)浸潤線兩側(cè)光纖溫度的差異，確定其與光纖層交點(diǎn)處的光纖長度，然后利用測點(diǎn)定位關(guān)系式將其轉(zhuǎn)化成距上游堤面的水平距離，進(jìn)而確定該層浸潤線的位置。

圖2 基于光纖新布型的堤防浸潤線光纖監(jiān)測方法示意Fig.2 The monitoring method in dyke seepage by the fiber optical

為了利用浸潤線兩側(cè)光纖溫度明顯差異點(diǎn)的光纖長度位置推導(dǎo)浸潤線定位關(guān)系，下面只考慮光纖與滲流水之間的熱交換，忽略毛細(xì)管水等因素的影響。

圖3為光纖溫度穩(wěn)定時(shí)刻沿程分布曲線。由圖3可以看出：浸潤線以上光纖穩(wěn)定溫度為T1，浸潤線以下光纖穩(wěn)定溫度為T2，傾斜過渡段中間部分測點(diǎn)B的穩(wěn)定溫度為T3，根據(jù)光纖測溫原理，其應(yīng)滿足T2

圖3 光纖溫度穩(wěn)定時(shí)刻沿程溫度分布曲線示意Fig.3 The distribution of temperature along the way when the temperature of the fiber optical being stable

圖4為浸潤線位置光纖長度計(jì)算說明。設(shè)光纖在長度L處與浸潤線相交，O點(diǎn)為浸潤線與光纖的交點(diǎn)，B點(diǎn)為靠近浸潤線的光纖測點(diǎn)，D、E均離B點(diǎn)k/2距離，且處于浸潤線下側(cè)的位置點(diǎn)為E，OE長為x，則DE段光纖溫度的平均值即為B測點(diǎn)的溫度測值。若DO段光纖上各點(diǎn)溫度為T1、OE段為T2、B點(diǎn)溫度測值為T3，DTS系統(tǒng)的空間分辨率為k，則有：

圖4 理想條件下浸潤線位置光纖長度計(jì)算說明Fig.4 The calculation diagram of fiber length on seepage line under ideal condition

T3=[T2x+T1(k-x)]/k

(1)

即

x=k(T1-T3)/(T1-T2)

(2)

設(shè)O點(diǎn)的光纖長度為L，測點(diǎn)B處的光纖長度為l，則有：

L=(l-k/2)+x

(3)

即得到L為

L=(l-k/2)+k(T1-T3)/(T1-T2)

(4)

為了確定浸潤線位置H(見圖5)，可先利用光纖新布型對n組水深H水面所在處光纖長度L進(jìn)行測量，以模擬浸潤線測定，這樣就能獲得n組(H，L)觀測值，分析H～L之間的關(guān)系，即可得出光纖新布型定位浸潤線的關(guān)系式H(L)。

圖5 堤防浸潤線位置H示意Fig.5 The position of H about the levee infiltration line

3 堤防浸潤線定位關(guān)系式測定

試驗(yàn)中光纖布型的固定支架尺寸c=2.0 m，b=0.35 m，光纖纏繞尺寸c1=0.15 m，c2=0.05 m，試驗(yàn)采用的主要儀器設(shè)備包括DTS測溫、數(shù)據(jù)采集處理和加熱系統(tǒng)3部分，輔助儀器有電子萬能表和校準(zhǔn)溫度傳感器PT100。為確定蛇形分布式光纖定位浸潤線的關(guān)系式，在確定加熱功率P的情況下，通過改變水的深度，可獲得對應(yīng)水面線處的光纖長度。選取5，9，13 W/m 3組加熱功率條件，每次試驗(yàn)測量10，20，30，40，50，60 cm共6個(gè)水深處溫度。具體試驗(yàn)步驟如下。

步驟1。將繞有光纖的支架豎向固定在水桶正中，光纖連接到DTS，接通好電源，開啟DTS，監(jiān)測初始溫度5 min。

步驟2。加熱功率選取5 W/m，確定對應(yīng)的加熱電壓，快速將調(diào)壓器撥到對應(yīng)電壓處，開始對光纖進(jìn)行加熱。

步驟3。待到光纖加熱到穩(wěn)定溫度后，記錄當(dāng)前DTS監(jiān)測時(shí)間和測值，同時(shí)向水桶中快速注水至10 cm。

步驟4。通過觀察DTS中的水下光纖測點(diǎn)的降溫曲線，當(dāng)溫降曲線穩(wěn)定后，記錄當(dāng)前DTS監(jiān)測時(shí)間和測值，同時(shí)向水桶中快速注水至20 cm。

步驟5。不斷重復(fù)步驟4，完成加熱功率為5 W/m工況下的其余水深的監(jiān)測。

步驟6。變換每米加熱功率，重復(fù)步驟1～5，完成其余2組加熱功率下的水深測量試驗(yàn)。

4 結(jié)果與分析

5，9，13 W/m 3組加熱功率下的水深測量成果所顯示的規(guī)律基本相同，故以9 W/m加熱功率水深測量試驗(yàn)為例，進(jìn)行浸潤線定位關(guān)系式測定分析。

4.1 定位關(guān)系式的確定

本次試驗(yàn)中將空間分辨率設(shè)置為1.02 m，DTS測溫系統(tǒng)自動(dòng)在光纖布型監(jiān)測段生成11個(gè)測點(diǎn)，各測點(diǎn)處光纖長度如表1所列。光纖布型段第一個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)定義為光纖布型段數(shù)據(jù)采集起始點(diǎn)，本次試驗(yàn)中光纖新布型數(shù)據(jù)采集起始點(diǎn)的光纖長為6.09 m，圖6為水深測量模型示意圖。本文只取水深部分的光纖測點(diǎn)進(jìn)行分析。

表1 溫度點(diǎn)處光纖長度統(tǒng)計(jì)Tab.1 The length of the fiber-optical at measuring points of temperature m

圖6 水深測量模型示意Fig.6 The model of measurement of water depth

圖7為9 W/m加熱功率下10，20，30，40，50，60 cm水深時(shí)的光纖溫度沿程分布曲線。根據(jù)理想條件下靠近浸潤線測點(diǎn)的判定方法，結(jié)合圖7及表1可得出6組水深測量試驗(yàn)中靠近水面線測點(diǎn)B處的光纖長度l，由式(3)可計(jì)算出各水面線處光纖長度l，具體結(jié)果如表2所列。其中，T1為C點(diǎn)之后空氣中光纖任意測點(diǎn)的溫度(即圖4中OD段光纖測點(diǎn)溫度)，以避免水溫對其溫度值的影響；T2為A點(diǎn)之前水中光纖任意測點(diǎn)的溫度(即圖4中OE段光纖測點(diǎn)溫度)，以避免空氣對其溫度值的影響；T3為靠近水面線測點(diǎn)B的溫度。A、B、C點(diǎn)的位置如圖3所示。由于光纖溫度測量具有一定的波動(dòng)，為消除其誤差影響，取T1、T2、T3對應(yīng)測點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定后DTS系統(tǒng)連續(xù)5次采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值作為計(jì)算溫度。

圖7 9 W/m加熱功率下不同水深的光纖溫度沿程分布曲線Fig.7 The temperature distribution along the way of fiber-optical at different water depths with 9 W/m heating power

表2 9 W/m工況下相應(yīng)水面處光纖長度Tab.2 The length of fiber-optical corresporiding to water surface at 9W/m condition

表3 水面線處光纖長度計(jì)算值與實(shí)際值對比Tab.3 The fiber-optical length comparison between calculated and actual values at water surface

為進(jìn)一步探究水深H與ΔL之間關(guān)系，現(xiàn)以ΔL為x軸，H為y軸將兩者繪制成曲線，見圖8。

圖8 水面線處光纖相對長度ΔL與水深H的關(guān)系曲線Fig.8 The relation between fiber-optical relative length at water surface(ΔL)and water depth(H)

由圖8可知，根據(jù)ΔL與L的關(guān)系，H與L的關(guān)系式為

H=0.192 7(L-l0)-0.005 8

(5)

4.2 定位關(guān)系式的精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證定位關(guān)系式(5) 的精確性，隨機(jī)選取加熱功率9 W/m下3組水深13，37，63 cm作為驗(yàn)證水深。圖9為3組驗(yàn)證水深下光纖溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)刻的光纖溫度分布圖。根據(jù)圖9計(jì)算得到9 W/m工況下相應(yīng)驗(yàn)證水面線處光纖長度列于表4。表5為計(jì)算水深與實(shí)際水深對比分析表。由表5可知：計(jì)算水深與實(shí)際水深之間的誤差均在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了蛇形分布式光纖新布型定位具有較高精度。

圖9 光纖溫度穩(wěn)定時(shí)刻溫度沿程分布曲線Fig.9 The temperature distribution along the way when the the fiber-optical being stable

表4 9 W/m工況下驗(yàn)證水面線處光纖長度Tab.4 The length of fiber-optical at water surface in check test under 9 W/m condition

表5 計(jì)算水深與實(shí)際水深對比Tab.5 The water depth comparison between calculated and actual values

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)直線布型堤防光纖監(jiān)測精度的不足，設(shè)計(jì)并制作了一種用于監(jiān)測浸潤線的蛇形分布式光纖新布型，以提高定位精度，并通過水深測量試驗(yàn)進(jìn)行堤防浸潤線定位探索。試驗(yàn)結(jié)果表明：蛇形分布式光纖新布型定位具有較高精度，可為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供新的參考。

本文試驗(yàn)只考慮空氣和水的影響，但在實(shí)際工程中，堤防浸潤線附近的介質(zhì)比較復(fù)雜，界面兩側(cè)不再是單純的空氣和水。當(dāng)?shù)虊伟l(fā)生滲流時(shí)，浸潤線以下部分是飽和土體，浸潤線以上部分是非飽和土體，這就形成了飽和與非飽和滲流同時(shí)存在的問題。在土中吸力和水力梯度等因素的作用下，飽和與非飽和區(qū)之間也存在連續(xù)的水流，這部分水流會(huì)影響浸潤線以上光纖溫度的監(jiān)測，進(jìn)而影響光纖浸潤線定位精度。