基于光纤温度传感技术集中渗漏监测探究

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1、基于光纤温度传感技术集中渗漏监测探究　　摘要:本文创新地利用分布式光纤温度传感技术对土石坝渗流监测进行了探索性的研究，主要研究路线包括：模型建立、理论分析、模型验证等。主要研究结论包括以下几个方面：（1）土石坝温度场变化特征与渗流模型建立。（2）光纤拉曼（Raman）自发散射渗流监测模型。（3）强制加热光纤渗流监测模型。关键词：土石坝分布式光纤温度渗流监测AbstractThisinnovativeuseofdistributedfiberoptictemperaturesensingtechnologyforearthdamseepage

2、monitoringarecarriedoutsystematicresearch,themainresearchprograminclude:modelbuilding,theoreticalanalysis,modelvalidation.Themainresearchcontentsincludethefollowing:(1)Temperaturevariationofearthdamandseepagemodel.(2)fiberRaman(Raman)scatteringofspontaneousmonitoringseepag

3、emodel.(3)Mandatorymonitoringoftheheatingfiberpercolationmodel.Keywords:DamDistributedopticalfiberTemperatureTheseepagemonitoringVelocityofflow13中图分类号：TP212文献标识码：A一、综述地层中的温度分布规律是随着深度的增加而稳定升高。坝区或坝基中发现的低温异常一般与库水集中渗漏有关，据此可用温度来检测水库的渗漏。当渗漏的库水在坝体中流动时，流动的水体会将热量带入或带出坝体。这样，大坝稳定的温度场

4、就会受到渗漏水的扰动。通过光纤的自发后向拉曼散射可定性地判断大坝的渗漏状况；通过对传感光纤强制加热，应用热传导和热对流理论，定量地监测坝体渗流状况：包括渗流流速、渗流量、渗流比降。二、温度与渗漏模型的建立（一）、模型基本假定土石坝属于连续的离散介质，热传导率很低。对于粘土，土体热传导率基本保持不变。在没有严重渗漏的工况下，坝体温度场基本处于稳定。在发生渗漏的工况下，渗漏水会与坝体发生热量交换，坝体温度场会受到渗流的影响而发生变化。本文为了通过坝体温度研究坝体渗漏，作如下假定：（1）土体为连续介质，渗流为连续渗流；（2）土体的导热系数不随含水

5、率的变化而变化；（3）忽略坝体孔隙中气相，只考虑固液两相。（二）、基于坝体温度场的渗漏模型13在坝体未发生渗漏或渗漏很小的工况下，坝体与外界没有发生热量交换，坝体温度场基本趋于稳定。当坝体中存在较大渗流时，渗漏水将热量带入或带出坝体，坝体的温度场将发生明显变化。温度的变化幅度、温度变化区域、变化延续时间取决于渗流流速、渗漏水流量和渗漏区域的面积等渗流指标。三、分布式光纤渗流监测研究（一）、传热模型建立非渗流状态下，大坝坝体和地基处于非饱和状态。光纤和土体之间的传热方式为热传导；在渗流状态下，大坝坝体和地基处于饱和状态。光纤和土体之间的传热方

6、式为热传导，光纤与渗水之间的传热方式为热对流。由于通常情况下，光纤，坝区和坝基的温度不会很高，故忽略热辐射。对于热传导，把坝体材料简化为一个均一材料，采用导热系数换算法统一考虑光纤和土体的导热问题。对于热对流，利用流体横向掠过管束的对流换热准则进行分析。（二）、拉曼自发散射渗流监测模型1．模型建立13拉曼自发散射渗流模型是利用坝体温度的变化特征（变化幅值、变化速率、变化范围）来表征坝体的渗漏及渗流状况。依据坝体温度场的分布规律，将坝体简化为一个温度随深度呈线性分布的恒温结构。借助光纤拉曼自发散射原理，对坝体温度进行实时监控。在坝体不发生严重

7、渗漏的工况下，监控得到的温度场是呈线性分布的温度温度场。在坝体发生严重渗漏的工况下，渗漏水必定会引起坝体温度场的局部明显的改变。在发生渗漏的坝体部位，其温度场分布不再呈线性分布，将呈现出奇异点或奇异区域。根据温度场的变化特征，反馈坝体的渗漏、渗流状况。2．温度传感分析分布式光纤温度传感器测温原理：向光纤发射一束脉冲光，脉冲光会向四周发射散射光。散射光一部分又会沿光纤返回入射端。散射光中的Raman散射光含有Stokes和Anti-Stokes光，这两种光强度之比和温度之间有以下关系：（1）式中：－－Anti-Stokes光强度，用A表示；－

8、－Stokes光强度，用B表示－－温度相关系数；－－普朗克系数,；－－真空中光速,；－－拉曼平移量,；－－玻尔兹曼常数,；－－绝对温度值,。令的值为D,则：，单位为，带入常输得：