張安慶

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第六設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230031)

光纖光柵傳感技術(shù)是近年來發(fā)展極為迅速的一種新型光纖無源傳感器件。光纖光柵作為最成熟的一種光纖傳感技術(shù)，它具有無源本質(zhì)安全防爆、無電磁干擾、長(zhǎng)距離 信號(hào)傳輸、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、多參量并行檢測(cè)等顯著優(yōu)勢(shì)，已在土木工程、航空航天、 鐵路、電力石化、水利等行業(yè)廣泛應(yīng)用。光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可多參量同時(shí)監(jiān)測(cè)，同一系統(tǒng)同一監(jiān)測(cè)鏈路上可混合接入、同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、滲壓、土壓等多種物理量，可進(jìn)行邊坡裂縫監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)、地下水位滲壓監(jiān)測(cè)、錨桿張力監(jiān)測(cè)等等[1-4]。楊皓然等[5]介紹了分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在岷江犍為航電樞紐庫區(qū)防護(hù)工程中的應(yīng)用實(shí); 劉健等[6]分析了采用分布式光纖的溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水利工程滲流的可行性,設(shè)計(jì)室內(nèi)模型試驗(yàn),分析了試驗(yàn)過程中土石壩模型的溫度變化與水頭和光纖加熱時(shí)間的關(guān)系,得出了加熱時(shí)間—溫度變化、水頭變化—溫度變化的關(guān)系；林成鋒等[7]設(shè)計(jì)了基于加熱弱光纖監(jiān)測(cè)滲流的圓筒模型試驗(yàn),通過光纖周圍溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合關(guān)系, 間接獲得圓筒模型的滲流狀態(tài)；陶珺等[8]為監(jiān)測(cè)土石壩內(nèi)滲流水的情況,提出一種多點(diǎn)光纖Bragg光柵傳感器(FBG)結(jié)構(gòu), 采用InGaAs光電探測(cè)器陣列探測(cè)光強(qiáng)的光纖光柵傳感陣列的波長(zhǎng)解調(diào)方法。本文基于拉曼分布式溫度傳感(DIS)的分布式光纖，對(duì)350 m長(zhǎng)的水渠滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析,如圖1，并對(duì)渠道滲流區(qū)域以及識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考[9]。

1 工程概況

本次渠道滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目位于安徽省，地表和地下水位之間的距離為1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察地基土可分為五個(gè)工程地質(zhì)層：(1)人工填土層(Qml)，主要由素填土組成，呈褐黃～灰黃色，可塑狀態(tài)為主，無層理，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)土為主，局部夾粉土薄層，表層含植物根莖等，屬中壓縮性土為主。填墊年限大于十年。(2)粉質(zhì)黏土層，呈褐黃～灰黃色，軟塑～可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)、有機(jī)質(zhì)，屬中壓縮性土，局部夾黏土透鏡體。(3)淤泥質(zhì)黏土層，呈灰色，流塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土。(4)粉質(zhì)黏土層，呈灰色，軟塑狀態(tài)為主，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。局部夾淤泥質(zhì)土、黏土透鏡體。(5)上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層(Q3dmc)，主要由黏土組成，呈灰～黃灰色，可塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬中(偏高)壓縮性土。局部夾粉質(zhì)黏土透鏡體。

圖1 渠道滲流監(jiān)測(cè)位置

2 分布式光纖簡(jiǎn)介及安裝

渠道后方土體溫度的波動(dòng)常被用作識(shí)別水渠異常滲流的指標(biāo)。溫度感測(cè)的原理是假設(shè)當(dāng)正常流態(tài)存在時(shí)，溫度波動(dòng)是由周邊環(huán)境變化引起的熱傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)的，而當(dāng)水渠發(fā)生異常滲流時(shí)，溫度波動(dòng)的幅度會(huì)變得非常顯著。分布式光纖傳感采用的是接觸式傳感器技術(shù)，能夠以足夠的空間分辨率測(cè)量長(zhǎng)距離下土壤的溫度變化，在路堤溫度監(jiān)測(cè)中的首次應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)90年代中期，尤其是利用基于拉曼分布式溫度傳感(DIS)的分布式光纖是最常用的光纖傳感器，也適用于渠道滲流的研究。當(dāng)使用光信號(hào)探測(cè)光纖時(shí)，由于纖維材料的均勻性，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，并沿纖維反向傳播。此外，當(dāng)用脈沖光探測(cè)纖維和測(cè)量往返傳播時(shí)間時(shí)，可以向前確定反向傳播光信號(hào)的位置，其強(qiáng)度與當(dāng)?shù)販囟扔嘘P(guān)。本文采用的是Oryx SR DTS訪問器，其特點(diǎn)是在30 s的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，具有1 m的空間分辨率和2 km內(nèi)0.1 ℃的溫度分辨率，溫度精度限制在0.5 ℃以內(nèi)。光纖測(cè)溫的主要困難是識(shí)別不同的滲流信號(hào)(受時(shí)間速率、振幅、空間梯度等影響)，為解決這個(gè)問題，本研究中提出并采用了主動(dòng)測(cè)溫法，該方法使用一條或多條混合電纜嵌入光纖，通過焦耳效應(yīng)加熱電纜。加熱和冷卻階段的溫度動(dòng)態(tài)，即達(dá)到最終穩(wěn)定溫度的時(shí)間與滲流引起的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)。這種方法在水溫度變化較小或水與土壤中測(cè)量點(diǎn)之間的溫度梯度非常小的水渠中有效。在本文的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中，在一條350 m長(zhǎng)的溝渠中安裝了一根光纖電纜，如圖2所示，光纜部署在三個(gè)層面，深度約為1.8 m(1級(jí))、1.0 m(2級(jí))和0.5 m(3級(jí))。在該應(yīng)用中，嵌入光纖和四根銅線的混合電纜可用于主動(dòng)測(cè)溫。

圖2 水渠光纖布置

埋入光纖的溝槽開挖因盡可能地窄，同時(shí)考慮路堤的水平尺寸。光纜與溝槽側(cè)壁的原狀土接觸，填充土被壓實(shí)，以防止溝槽內(nèi)的水垂直流動(dòng)。此外，在安裝光纖期間，潛水面深度低于8 m。圖3給出了三個(gè)級(jí)別上光纖的溫度分布實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一組為夏季所采集的數(shù)據(jù)，另一個(gè)為冬季所采集的數(shù)據(jù)，其中季節(jié)波動(dòng)不同，三層光纖的溫度變化也有所不同。冬季的平均溫度從低層往高層逐漸下降，而在夏季則相反，此時(shí)溫度隨深度降低。2020年7月26日和2021年2月1日的兩次測(cè)量都是在干燥天氣條件下進(jìn)行的，此外，還可以觀察到，三種光纖的溫度變化均顯示出一種共同的趨勢(shì)，即在某一位置出現(xiàn)局部峰值和凹陷，可能與土體的空間變異性有關(guān)。

圖3 不同季節(jié)下光纖溫度變化規(guī)律

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，本文通過兩次降雨工況來進(jìn)行評(píng)估，始于10月27日，于11月1日結(jié)束。圖4給出了不同時(shí)段降雨量以及渠道水和空氣溫度的演變，并標(biāo)記了兩個(gè)重要時(shí)刻，用于光纖溫度測(cè)量的后續(xù)結(jié)果分析。需要注意的是，降雨在10月27日上午晚些時(shí)候較大，并于10月30日結(jié)束，且近3周內(nèi)沒有降雨記錄。兩次大降雨從10月27日下午晚些時(shí)候開始，到10月31日晚上結(jié)束；其特點(diǎn)是10月30日清晨出現(xiàn)最大峰值；洪水開始時(shí)，平均氣溫下降，然后保持近似穩(wěn)定(有一些波動(dòng))，直到10月30日結(jié)束。其次，在降雨峰值開始之前，水渠水流溫度大致保持不變，然后緩慢下降，從而在10月3日上午之后穩(wěn)定在較低水平。從圖4中還可看出，在10月28日之前，渠水溫度在2 d內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，等于10.0 ℃，然后在第二次強(qiáng)降雨后下降，由于來自周圍山脈的冷卻水，最終穩(wěn)定在8.4 ℃左右。10月31日之后，水溫約為11.4 ℃。

圖4 不同時(shí)段降雨量以及渠道水和空氣溫度的演變

圖5給出了降雨期間兩個(gè)不同時(shí)刻光纖溫度變化規(guī)律，即10月28日上午9:45、10月31日，第一次對(duì)應(yīng)于水渠水位上升階段，而第二次位于第二次峰值降雨之后。監(jiān)測(cè)于上午9點(diǎn)45分開始，在50 min的時(shí)間段內(nèi)，每2 min測(cè)量一次溫度。由圖5可知，在降雨峰值出現(xiàn)以前，3種級(jí)別光纖的溫度都明顯高于強(qiáng)降雨之后的溫度，總體上呈現(xiàn)出U型變化。根據(jù)10月28日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，L1光纖在整個(gè)渠長(zhǎng)范圍內(nèi)最高溫度為14.6 ℃，L2為14.5 ℃，L3為14.2 ℃，而3者的最低溫度分別均出現(xiàn)于渠長(zhǎng)176 m處，分別為13.1 ℃、12.8 ℃和12.6 ℃。而對(duì)于10月31日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，L1光纖在整個(gè)渠長(zhǎng)范圍內(nèi)最高溫度為13.0 ℃，L2為12.6 ℃，L3為12.1 ℃，而3者的最低溫度同樣出現(xiàn)于渠長(zhǎng)176 m處，分別為11.5 ℃、11.6 ℃和11.1 ℃。

圖5 給出了降雨期間兩個(gè)不同時(shí)刻光纖溫度變化規(guī)律

圖6 渠水溫度與光纖溫度的差值

通過比較兩個(gè)時(shí)間段的光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以得出三種光纖沿渠長(zhǎng)的溫度都會(huì)隨著渠水溫度的下降而下降，圖6給出了渠水溫度與光纖溫度的差值。由圖6可知，L1與L2光纖溫度與渠水溫度相差較小，而L3呈出現(xiàn)出明顯的震蕩，最大溫差達(dá)到2 ℃，說明表層光纖由于更接近地面，導(dǎo)致溫差不明顯，而底層的光纖能夠更號(hào)反映渠道滲流的實(shí)際情況。總體而言，在降雨期間，水渠水頭超過一側(cè)地面標(biāo)高時(shí)，沿垂直方向會(huì)發(fā)生局部垂直滲流，導(dǎo)致縱向溫度下降，其中L3的溫度變化最大，說明光纖能明顯感知滲流的存在。在第一次降雨滲透過程中，由于土體表層的水力滲透系數(shù)低，在非飽和條件下甚至更低，可以觀察到每天測(cè)得的L1和L2光纖溫度振蕩與渠水溫度沒有明顯相關(guān)性。 值得一提的是，光纖測(cè)得的溫度降低可能與從河床到陸側(cè)路堤坡腳的分流有關(guān)，因此，很難確定滲漏率較高的精確位置。然而，值得注意的是，大約185 m到208 m處測(cè)量出了溫度梯度的反轉(zhuǎn)，這可能是由于存在優(yōu)先且更快的向上滲流的路徑，與土體的性質(zhì)有關(guān)，局部混合了不同溫度的地下水。在整個(gè)降雨發(fā)生期間，該區(qū)域以及溫度梯度的反轉(zhuǎn)程度增大，如圖7所示。

圖7 溫度梯度反轉(zhuǎn)區(qū)域

4 結(jié) 論

本文將先進(jìn)的分布式光纖與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)相結(jié)合，對(duì)350 m長(zhǎng)的水渠滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。其中監(jiān)測(cè)以溫度波動(dòng)為主要分析對(duì)象來判斷水渠是否發(fā)生異常滲流，而滲流水頭通過兩次天然降雨來進(jìn)行施加。研究結(jié)果表明，在降雨峰值出現(xiàn)以前，光纖的溫度都明顯高于強(qiáng)降雨之后的溫度，總體上呈現(xiàn)出U型變化；無論埋藏深度多少，光纖沿渠長(zhǎng)的溫度都會(huì)隨著渠水溫度的下降而下降，L1與L2光纖溫度與渠水溫度相差較小，因?yàn)楸韺庸饫w由于更接近地面，導(dǎo)致溫差不明顯。此外， L3的溫度變化最大，最大溫差達(dá)到2 ℃，說明沿垂直方向會(huì)發(fā)生局部垂直滲流，導(dǎo)致縱向溫度下降，因此光纖能明顯感知渠道滲流的發(fā)生。