基于光纤光栅原理的一维圆筒渗透模型试验研究

田振华，刘发智，张术彬，韩 雷

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

基于光纤光栅原理的一维圆筒渗透模型试验研究

田振华，刘发智，张术彬，韩 雷

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

采用先进的光纤光栅传感技术，对经典的一维圆筒渗透模型进行了渗流场与温度场的监测，研究了渗流发生过程中介质的温度变化规律。研究结果表明：相同渗流水温时，随着渗流量的增加，渗透发生前后，介质温差相应增大，其增大值基本呈线性增大；随着渗流水温的增加，渗透发生前后，介质温差明显增大，其最大温差值为5.06 ℃。

光纤光栅；圆筒模型；渗流；温度

资料[1]表明，渗流破坏导致垮坝事故约占土石坝事故总数的30%～40%。对土石坝渗透破坏的研究由来已久，随着科技的发展及监测手段的提高，对土石坝渗透过程的监测逐渐由传统、常规的监测方法，比如测压管、渗压计、渗流量等，向电法、高密度电阻率法、自然电位法、激发极化法、示踪法、流场法、弹性波法、遥感法，及影像学法等转移过渡[2]。近年来随着光纤传感技术在各领域的应用与发展，已广泛应用于土石坝渗流安全监测领域[3]。采用光纤光栅系统测量温度除具有普通光纤传感器的优点如防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高压、长距离、能实现实时快速测温并定位外，还具有其独特的优点:①传感信号是波长调制，测量信号不受光强波动的影响；②具有自参考点，测量的是绝对值；③更容易采用复用传感技术；④光栅直接写入纤芯，结构简单、稳定性好及插入损耗低，易于实现一维光子集成，无需研磨工艺和对准工艺[4]。本试验研究旨在采用光纤光栅传感测温技术，通过模拟一维圆筒渗流过程，探求渗流过程中介质的温度场变化，为土石坝渗流安全监测预警提供必要的技术支持。

1 光纤光栅测温系统与原理

光纤光栅测温系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器和信号解调系统等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来[5]。

光纤光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅。

光栅对入射的宽带光进行选择性的反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，中心波长为布拉格波长λB，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就对光波进行了选择。如果光栅处的温度发生变化，光栅的折射率neff会相应改变，由于热胀冷缩，光栅条纹周期Λ也会跟随温度变化，从而导致光栅布拉格波长λB的漂移。漂移的幅度和温度的改变量呈线性关系[6]。

ΔλB=(α+ζ)ΔTλB

(1)

这样通过监测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅处的温度变化。光纤光栅分布式传感系统框架如图1所示。

光纤光栅分布式传感系统中，一根光纤上串接多个光栅(如图1所示各测点)，宽带光源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的光栅，每个光栅反射不同中心波长的光，反射光经Y型分路器的另一端口耦合进光纤光栅感温探测信号处理器。通过光纤光栅感温探测信号处理器探测反射光的波长及变化，就可以得到解调数据，再经过式(1)处理，就得到对应各个光栅处环境的实际温度。

图1 光纤光栅分布式传感系统框架图

2 一维圆筒渗透模型试验

2.1 试验模型制作

试验采用光纤光栅测温系统自动采集温度、测压管测量渗透水头及量筒测渗流量。基于达西渗流理论，设计制作了可直观反映渗透过程的圆筒模型。圆筒内径24 cm，介质装样深度为60 cm，如图2所示。装置采用有机玻璃制作，装置的主要部分是一个上端开口的圆筒，筒中预装本试验渗透介质(细砂)，其上有输水管、出水管、排水管，筒的侧壁装有测压管，两个测压管分别设置在相距L=50 cm的两个过水断面1-1和2-2位置处，渗透水自圆筒的下部输水管经砂土渗透，渗透水由出水管排出，渗流量由量筒量取。

光纤沿圆筒轴向布设，如图3所示，先自介质顶层至介质底层垂直布设一条，再在介质底层弯折光纤垂直向上至介质顶层布设第二条光纤，再在介质顶层弯折向下布设第三条光纤，依此沿圆筒轴向共布设六条光纤，使得光纤在渗透介质横截面上沿圆周均匀分布6个测点。本试验所监测的有效光栅测温点共计30个，分5层分别布设于渗透介质圆柱体的10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm位置处，每一层有6个光栅测温监测点，本试验为一维渗透模型，取每一层6个测点温度的温度平均值作为该截面介质的温度。通过秒表记录渗流时间，由量筒量测渗流量继而计算出平均渗流量。试验全过程摄像记录。

渗流用水由保温水箱供给，水箱内径长宽高尺寸为60 cm×50 cm×70 cm，其供水水头范围为0～5 m。试验中为减小环境对水箱内及输水管中水温的影响，箱体四周采用苯板保温，输水管采用保温棉缠裹。

试验用渗透介质选用细砂，其渗透性、孔隙率及级配曲线等物理力学参数由试验测得。颗分曲线见图4、基本性质见表1。

表1 试验用介质物理力学参数

2.2 试验过程及方案

本研究主要试验步骤如下。

(1)率定光纤光栅测温系统。使其测温准确度及精度满足《光纤温度传感器通用规范》(SJ 20832-2002)要求，并根据图2所示试验装置及图3所示布设方式，空间架立并固定光纤于渗透圆筒内。

图2 一维圆筒渗透试验装置示意图

图3 光纤光栅布设示意图

图4 试验介质(细砂)颗分曲线

(2)装样。预先在图2所示滤网上放置一圆形无纺布，待介质高度升至圆筒内出水口截面时，在河砂上层覆盖一圆形无纺布，其上压一圆柱状透水石。装样过程中每装入5 cm深度，均匀振捣，装样过程中，保持光纤光栅的位置如图3所示的空间位置不发生移动。

(3)测温。量测渗透前渗流水温、介质温度。

(4)注水。将恒温水箱置于一定的高度，满足水头H=2.0 m。由调节阀控制流量，注水，监测渗流过程中的测压管水头、温度、流量等数据，渗流全过程由摄像机摄录。

(5)停水。待两个测压管水位差保持稳定，且单位时间内的渗流量保持不变时，停止注水，试验结束。

试验中为了对比研究渗流发生前后温度的改变，重复步骤(1)、(2)、(3)制作一个不发生渗透试验的装置，用于监测未发生渗流时介质的温度。为避免渗透过程中介质的温度受外界的干扰，仅取介质20 cm、30 cm、40 cm截面处所监测温度的平均值作为渗透发生时介质温度。

试验采用细砂作为渗透介质，所选渗流水温分别为4 ℃、10 ℃、20 ℃、40 ℃，分别监测不同水温下的相同介质发生渗透时的温度场变化。试验中时刻监测供水水箱内的水温，保证其温度变化不超过±0.5 ℃。

3 试验结果分析

表2给出了各渗流水温条件与不同渗流量组合时，渗透发生前后介质温差的变化值。从表2得出，在本试验条件下发生渗透前后，介质温差变化范围在0.25～5.06℃之间。当渗流水温保持恒定时，随着渗透流量的增大，其发生渗流前后温度差也随之增大，其趋势基本呈线性增大，见图5。渗透过程一旦发生，介质温度场与渗流水温度场必相互作用，随着渗透流量的增大，渗流速度逐渐增大，介质的温度场随着渗流水的流入，两场耦合热交换的过程迅速被渗流水的温度场所替代。在相同渗透流量作用下，随着渗流水温的升高，其介质的温度差也随之增大，主要是由于渗流水的运动黏性主要受温度的影响，随着温度的升高其黏度减小，流动性增大，其渗透速度也随之增大，渗流水温度场与介质温度场的耦合过程相对缩短，渗流水对介质温度的影响程度更加明显。

表2 各工况渗透作用前后介质温差变化统计表

图5 渗透流量与渗透介质温差关系曲线

4 结 论

基于光纤光栅传感测温技术，研究了一维圆筒渗透模型在不同流量、不同水温下发生渗流作用时介质温度的变化规律，得出以下结论。

(1)渗流水温保持不变，随着渗透流量的增大，渗透前后介质温差变化值亦随之增大，其增大趋势基本呈线性变化。相同渗透流量下，随着渗流水温的升高，渗透前后介质温差相应增大。

(2)渗流水温是影响介质温度变化的主要影响因素，主要是由于随着温度的升高，水的运动黏度减小，介质温度场与渗流水温度场耦合过程中，渗流水温度场起主导作用。

[1] 孔祥言.高等渗流力学[M].第2版.合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

[2] 吴玉龙.基于分布式光纤测温技术的堤坝渗漏监测研究[D].南京：南京理工大学，2014.

[3] 陶珺，穆磊，杜平.多点光纤光栅测温系统在渗流监测中的应用研究[J].量子电子学报，2010，27(6)：105-109.

[4] 林钧岫，王文华，王小旭.光纤光栅传感技术应用研究及其进展[J].大连理工大学学报，2014，44(11)：931-936.

[5] 庞丹丹.新型光纤光栅传感技术研究[D].济南：山东大学，2014.

[6] 梅加纯，姜德生，范典，等.基于光纤光栅温度传感技术的面板坝渗漏监测系统[J].传感器技术，2005，24(9)：65-66.

Experimental study of one-dimensional cylinder seepage model based on the principle of fiber Bragg grating

TIAN Zhenhua, LIU Fazhi, ZHANG Shubin, HAN lei

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

By the advanced fiber Bragg grating sensor technology, the seepage field and temperature field were monitored to one-dimensional cylinder seepage model, some discipline which occurred in the process was produced. Conclusions: on the condition of same seepage water temperature, the temperature difference is enlarged sharply like a linear increase with the increase of seepage quality. And the maximum temperature difference before and after penetration is 5.06 ℃ with the rise of the seepage water temperature.

fiber Bragg grating; cylinder seepage model; penetration; temperature

黑龙江省财政厅科技专项(201302)

田振华(1983-)，男，工程师，主要从事水力学及河流动力学等方面的研究。E-mail:scorpiofield@163.com

TV139.16

A

2096-0506(2015)06-0019-05