周 偉

（安徽維尼檢測(cè)科技有限公司,安徽 合肥 230000）

1 引言

由于環(huán)境變化、內(nèi)部侵蝕、老化以及地面運(yùn)動(dòng)等原因,滲漏問題常常存在于水工建筑和管道運(yùn)輸工程中。滲漏不僅會(huì)引發(fā)安全隱患造成經(jīng)濟(jì)損失,而且對(duì)環(huán)境具有一定破壞性。水工建筑的滲漏雖為常見缺陷,但其危害不可忽視,若滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重不僅會(huì)威脅到水工建筑的安全運(yùn)行,同時(shí)會(huì)對(duì)下游安全形成巨大威脅[1]。因此,監(jiān)測(cè)水工建筑滲漏情況具有重要意義。

研究表明,約50%的大壩故障是由建筑內(nèi)部侵蝕、天然徑流裹挾土壤顆粒對(duì)水工建筑沖刷導(dǎo)致。在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)中,目視法和局部測(cè)量法具有一定實(shí)用價(jià)值,但布設(shè)位置通常較遠(yuǎn)難以在第一時(shí)間獲取監(jiān)測(cè)資料。目前,學(xué)者們利用土壤電阻率、滲透率與內(nèi)部侵蝕之間的相關(guān)性構(gòu)建方程,以此判斷壩體滲漏情況,但判斷準(zhǔn)確性較低。而分布式光纖溫度傳感器能在第一時(shí)間完成滲漏監(jiān)測(cè),同時(shí)收集的溫度信息與滲漏具有較高的相關(guān)性,使監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。分布式光纖溫度傳感器（DTS）依靠大量傳感器和靈活的布置,使其測(cè)量距離可達(dá)到20 km左右,并有效記錄1 m空間內(nèi)和0.01℃～0.1℃的分辨率,這使得該方法比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法更具有優(yōu)勢(shì)[2-3]。因此本文利用分布式光纖溫度傳感器遠(yuǎn)程收集堤壩的溫度等相關(guān)信息,對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,以監(jiān)測(cè)堤壩滲漏情況。

本文旨在將該監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)際工程中。利用光纖獲取原始溫度數(shù)據(jù),并通過源分離技術(shù)和奇異點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)信息處理,最終給出不同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 研究方法

2.1 分布式光纖測(cè)溫原理

在測(cè)量過程中使用差熱分析法對(duì)堤壩進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水工建筑運(yùn)行正常情況下,利用空氣溫度和地下水溫之間的相互作用形成的熱傳遞完成滲漏測(cè)量。當(dāng)水流通過堤壩造成了滲漏時(shí),對(duì)流現(xiàn)象將會(huì)產(chǎn)生額外熱量。因此,當(dāng)發(fā)生滲漏時(shí),對(duì)流疊加引起的局部熱量變化將被光纖的熱傳輸系統(tǒng)捕獲,而光纖的埋設(shè)也應(yīng)置于堤壩內(nèi)部關(guān)鍵位置（例如下游坡腳）處,通過相關(guān)布設(shè)與信息處理,可通過溫度監(jiān)測(cè)出滲漏現(xiàn)象[4]。在實(shí)際工況中,由于季節(jié)性溫度變化、地面不均勻性和降水等事件影響,將使得收集到的溫度數(shù)據(jù)包含了多種因素干擾,因此在利用溫度數(shù)據(jù)識(shí)別滲漏時(shí)需要進(jìn)行相關(guān)分析,以避免滲漏誤判現(xiàn)象[5]。

2.2 系統(tǒng)模型

圖1為光纖溫度傳感系統(tǒng)在水工建筑中運(yùn)行示意圖。傳感系統(tǒng)主要部件包括：脈沖激光源、定向耦合器和作為固有溫度傳感元件的光纖電纜。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)拉曼散射產(chǎn)生溫度效應(yīng)對(duì)滲漏進(jìn)行記錄,當(dāng)激光源發(fā)射光使纖維材料的分子相互作用時(shí),光子會(huì)在熱誘導(dǎo)分子作用下產(chǎn)生振動(dòng)并完成拉曼散射。其次,根據(jù)與溫度相關(guān)的反斯托克斯分量和溫度無關(guān)的斯托克斯分量之間的強(qiáng)度比給出了溫度信息。最終根據(jù)光纖內(nèi)光的傳輸速度以及傳輸時(shí)間,定位溫度異常點(diǎn)。

圖1 灤河灤州段水系及礦區(qū)分布圖

堤壩漏水會(huì)產(chǎn)生熱異?，F(xiàn)象,而這種隨著時(shí)間推移產(chǎn)生的溫度異變,可通過光纖記錄。然而,受多種環(huán)境因素的影響,在原始溫度數(shù)據(jù)上不易識(shí)別到滲漏特征。因此,需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理,以便提取關(guān)于滲漏的有用信息。

光纖記錄數(shù)據(jù)由二維變量構(gòu)成,可通過時(shí)間變量t和距離變量x構(gòu)建相應(yīng)函數(shù),即Y={y（t,x）|1≤t≤Nt,1≤x≤Nx},其中Nx和Nt分別代表光纖長度和采集總數(shù)。原則上,可利用測(cè)量管道和埋有纖維土壤之間的溫差識(shí)別滲漏。然而,這種差異同樣受人為因素和自然因素干擾,這使得溫度數(shù)據(jù)的獲取包含了多種因素,因此需要將這些因素從原始溫度數(shù)據(jù)中分離出來?？紤]到這些因素的獨(dú)立性,假設(shè)相關(guān)溫度來源為獨(dú)立分布,并以加權(quán)線性混合將溫度數(shù)據(jù)表示出來,其線性方程可表示為：

式中：M為混合變量矩陣；F為因素獨(dú)立來源；B為信號(hào)噪音。

為減弱干擾因素的影響,采用數(shù)據(jù)降噪和歸一化等方法對(duì)原始信息進(jìn)行處理?？紤]到降水周期內(nèi)可能引發(fā)非滲漏導(dǎo)致的預(yù)警,采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)法用以識(shí)別此類周期,避免誤報(bào)。

2.3 泄漏監(jiān)測(cè)方法

2.3.1 源分離法

源分離法包含奇異值分解（SVD）和獨(dú)立分量分析（ICA）,該方法以公制分辨率監(jiān)測(cè)堤壩溫度分布。利用等式（1）中的矩陣M和F將不同熱源進(jìn)行分離,最終得到溫度數(shù)據(jù) Y。

首先以奇異值分解將原始數(shù)據(jù)空間分解成正交子空間,隨后,基于熱源相互獨(dú)立的假設(shè),使用獨(dú)立分量分析處理奇異值分解的輸出結(jié)果。通過最大獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)法區(qū)分熱源并分析不同熱源的貢獻(xiàn)度。最終輸出滲漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)YL。該方法常用于中期分析中,其計(jì)算過程見圖2。

圖2 源分離滲漏監(jiān)測(cè)示意圖

2.3.2 奇異點(diǎn)監(jiān)測(cè)法

本文以奇異點(diǎn)監(jiān)測(cè)法滿足對(duì)每日監(jiān)測(cè)的需求,該方法假設(shè)堤壩部分區(qū)域由非奇異區(qū)構(gòu)成,從而顯示奇異區(qū)域的每日溫度變化。圖3為奇異點(diǎn)法在每日監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中運(yùn)行示意圖。該系統(tǒng)首先核實(shí)氣象條件,以確保無降水天數(shù),同時(shí)記錄相應(yīng)時(shí)間k內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。最終由數(shù)據(jù)本身計(jì)算出奇異區(qū)域24小時(shí)的溫度變化。

圖3 每日預(yù)警系統(tǒng)的滲漏監(jiān)測(cè)示意圖

每日預(yù)警系統(tǒng)是基于相異測(cè)度數(shù)學(xué)模型以及恒定警報(bào)閾值的監(jiān)測(cè)方案。其中,相異測(cè)度模型可根據(jù)固定閾值計(jì)算出每日的自適應(yīng)閾值di（x）。最終通過奇點(diǎn)監(jiān)測(cè)器將異常結(jié)果

dth（ix）輸出。該系統(tǒng)具有早期預(yù)警的能力,有助于提高異常識(shí)別的準(zhǔn)確性。

3 工程應(yīng)用

圖4 為光纖安裝示意圖。由于海拔高度不同,因此將實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)區(qū)域,由于建筑本身因素影響,光纖布設(shè)需繞過排水口D1、D2 并將光纜埋設(shè)在坡趾處。圖5為原始溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空分布圖,其描述了季節(jié)性變化下排水口處和人工滲漏處的溫度變化。

圖4 光纖安裝示意圖

圖5 原始溫度時(shí)空分布圖

為測(cè)試滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)采用人工滲漏模擬堤壩滲漏。滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1,描述內(nèi)容包括滲漏流速、位置和持續(xù)時(shí)間。

表1 滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過歸一化處理和統(tǒng)計(jì)識(shí)別對(duì)干擾因素進(jìn)行降噪,再由源分離法獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果,其監(jiān)測(cè)輸出結(jié)果見圖6。通過放大人工滲漏點(diǎn)附近L1、L2和L3的信號(hào),能有效地監(jiān)測(cè)和定位人工滲漏點(diǎn)以及滲漏時(shí)間和滲漏流量大小。由表1可知,L1滲流量最大,其次是L2,而L3被認(rèn)為是滲流量最小,這是因?yàn)長3 流速較低,且滲漏發(fā)生時(shí)間為水和空氣溫度差異不顯著的夜間,因此斷定時(shí)刻滲流最小。為了定位滲漏點(diǎn),結(jié)合檢測(cè)結(jié)果與信號(hào)傳輸速度及時(shí)間,將結(jié)果投影到距離軸yproj（x）上,以獲取真實(shí)的滲漏信息。圖7 為實(shí)驗(yàn)定位滲漏點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果,根據(jù)結(jié)果顯示滲漏點(diǎn)分別位于D2 前后幾米處。

圖6 基于源分離法滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 滲漏點(diǎn)定位結(jié)果

圖8為每日預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果圖,該過程對(duì)每日最大值進(jìn)行了歸一化處理,以便于觀察異常點(diǎn),根據(jù)結(jié)果可判斷出排水管D2后處和實(shí)際泄漏點(diǎn)為異常點(diǎn),利用該圖有利于跟蹤異常點(diǎn)后續(xù)滲漏演變過程。

圖8 每日預(yù)警系統(tǒng)滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性,研究選用不同季節(jié)下的堤壩為研究對(duì)象,并將光纜埋設(shè)于邊坡與排水渠的交叉處。通過定期目視檢查表明,該段堤壩存在滲漏現(xiàn)象。利用源分離法對(duì)該段堤壩不同時(shí)間進(jìn)行滲漏監(jiān)測(cè),并將結(jié)果投影至yproj（x）上,其結(jié)果見圖9。

圖9 基于源分離監(jiān)測(cè)結(jié)果投影

圖中箭頭標(biāo)記位置為滲漏點(diǎn),對(duì)比圖9（a）和圖9（b）發(fā)現(xiàn),4月出現(xiàn)異常標(biāo)記的位置在7月無顯著異常表現(xiàn)。通過實(shí)地考察后認(rèn)為,滲漏會(huì)隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)或消失與河流流速隨著季節(jié)變化影響有關(guān)。

4 結(jié)論

本文介紹了分布式光纖溫度傳感器的監(jiān)測(cè)原理以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型。為保障堤壩中期監(jiān)測(cè)和每日監(jiān)測(cè)需求,分別采用源分離法和奇異點(diǎn)監(jiān)測(cè)法對(duì)實(shí)驗(yàn)堤壩進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過埋設(shè)光纖完成了原始溫度數(shù)據(jù)的收集,以原始數(shù)據(jù)通過線性方程和源分離法得出監(jiān)測(cè)結(jié)果,根據(jù)信號(hào)傳輸速度和時(shí)間定位出了滲漏點(diǎn)位置。分析不同季節(jié)下壩體滲漏原因發(fā)現(xiàn),滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受河道流速影響。通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為分布式光纖溫度傳感技術(shù)是滲漏監(jiān)測(cè)的有效方法,結(jié)合目視法能有效提高對(duì)滲漏識(shí)別的準(zhǔn)確性。