[发明专利]点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法

说明书

本发明公开了一种点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法，监测系统包括传感加热元件、监测管、稳压电源、光纤光栅解调仪、笔记本电脑、铠装光缆和导线。铠装光缆将传感加热元件中的传感元件串连，铠装光缆与光纤光栅解调仪连接，采用波分复用技术进行多测点同步测量；光纤光栅解调仪与笔记本电脑连接；所述导线将传感加热元件中的加热元件串连，导线两端与稳压电源连接，形成闭合回路通电加热；将传感加热元件穿入监测管内。本发明的优点在于：构建了点热源加热系统，避免渗流监测结果受渗流方向影响；移动分布式监测，解决了光纤光栅准分布式传感系统的空间分辨率问题；监测线路可从监测管中取出进行修复或更换。

技术领域

本发明涉及岩土工程渗流监测技术领域，特别涉及光纤光栅点热源移动分布式渗流监测系统及其监测方法。

背景技术

许多岩土工程中存在着渗流问题，渗流会影响岩土体的稳定性，直接威胁工程安全，众所周知的美国Teton坝的溃决就是由渗透破坏所致^[1]。渗流具有隐蔽性、空间和时间上的随机性，对渗流的防治大多需要辅以一定的监测手段来进行，因此，渗流监测是岩土工程领域中的一项重要监测内容。

渗流监测方法具有多样性，包括：(1)常规监测方法。这类方法历史悠久，工程应用和经验积累较多，且为相应规范所认可，如：测压管、渗压计、量水堰、水位孔；(2)地球物理方法。这类方法在堤坝的渗流监测中应用和研究较多。如：电阻率法^[2]、自然电位法^[3]；(3)示踪法，如：同位素示踪法^[4]、荧光剂示踪法^[5]；(4)温度示踪法^[6-10]。该方法基于渗流场与温度场的耦合作用，通过测量温度并结合适当的数学模型间接获得渗流状态。利用分布式光纤温度传感技术，该方法容易实现渗流的大范围、分布式监测功能，因此，基于光纤温度传感技术的渗流监测方法是该领域的研究热点。为了提高监测系统的灵敏度和测试精度，该方法一般需要辅以相应的加热手段，加热方法有电阻丝加热法和水暖循环加热法。这两种加热方法构造的热源均为线热源，其渗流监测物理模型可简化为多孔介质中线热源的传热问题。由于渗流具有隐蔽性，渗流方向事先未知，因此，无法确定入渗方向与线热源的夹角。图1示出了渗流速度为0.5mm/s时，不同入渗角度下，线热源的散热时程曲线，可以看出：线热源在多孔介质中的传热规律与入渗角度具有较强的相关性。因此，在入渗角度未知的情况下，采用线热源法进行渗流监测容易产生误判。点热源具有球对称性，若将线热源改为点热源，很显然，传热规律将与入渗方向无关(如图2所示)。本专利将利用点热源的这一特性，研发一套集光纤光栅温度传感阵列与点热源阵列于一体的新型移动分布式渗流监测系统。

与本发明相关的现有技术一

该技术将分布式光纤测温系统(Distributed temperature sensing system——DTS)与电加热系统相结合用于渗流监测，其系统组成如图3所示。铠装光缆用于测量温度分布，集传感与信号传输与一体，在铠装光缆旁边铺设电缆(电阻丝)或将电阻丝集成于铠装光缆内部。电缆与稳压电源连接，稳压电源用于调节电阻丝的加热功率。将铠装光缆和电缆埋在监测体内部(如：土石坝下游反滤层中)，稳压电源和DTS测温系统放在坝基廊道内。开通稳压电源实施加热，电缆周围土体温度将升高，升温值可由铠装光缆感知并由光纤测温系统测量。当有渗流发生时，在加热功率恒定的情况下，由能量守恒原理可知，电缆所释放的热量应等于渗流水带走的热量、热传导带走的热量、电缆周围土体升温所需的热量之和。由于渗流水所带走的热量随渗流速度的增大而增加，因此，有渗流的区域升温小，根据这一异常现象即可确定渗流的位置，并可根据升温值与渗流速度的关系确定渗漏强度。

现有技术一的缺点

(1)该技术采用基于拉曼散射的分布式光纤测温系统，空间分辨率较低，约为1m，测得的温度为1m范围内的平均温度，精度较低；

(2)加热方式采用电阻丝加热，土石坝的监测线路较长，与监测线路配套的电阻丝的电阻值较大，要达到预定的加热温度，往往需要较高的电压和较长的加热时间；