基于蛇形分布式光纤的堤防浸润线定位试验

苏 观 南，徐 勇 俊，袁 叔 洋，朱 昆

(1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020)

堤防工程在我国防洪工程体系中占有非常重要的地位，它是抵御洪水、保障人民生命和财产安全的基本设施和屏障。据统计，90%以上堤防溃决是由渗透破坏造成[1-2]，而浸润线位置及其变化是判断堤坝渗流状况和堤坡稳定性的重要因素。因此，加强堤防渗流浸润线的定位和监测，对堤防工程安全运行意义重大[3]。传统的浸润线定位及监测技术虽然应用广泛，但具有实时性较差、只能进行点式监测等弊端。目前，利用分布式光纤测温技术对土石坝、边坡等渗流监测问题已有深入研究[4-5]，并取得了大量研究成果。Aufleger等[6]提出利用分布式光纤对土石坝进行长期监测；Khan等[7]针对分布式光纤堤坝渗漏探测，提出多种监测温度模型分析方法，并构建了一套堤坝渗漏监测数据自动处理、分析及预警系统；康业渊[8]基于分布式光纤温度传感系统，通过理论分析和模型试验，对穿堤涵闸土石结合部渗流状况进行实时监测；黎峰[9]提出了光纤分散敷设方式，并通过试验成功运用于石牛水库浸润线测量。但大多数研究中的光纤均采用直线布置，因光纤定位精度技术限制，严重影响监测结果。鉴于此，本文根据测温光纤测点定位特点，设计了一种新的蛇形光纤布型以提高温度测点定位精度，通过水深测量试验进行堤防浸润线定位探索，对比分析计算水深与实际水深的结果，从而证明光纤新布型定位具有较高精度。

1 蛇形分布式光纤设计

因采样间隔和空间分辨率(1.0 m)等因素的限制，分布式光纤直线布型所采集的数据很大程度上无法满足水利工程对堤防体内浸润线的测量要求。为此，设计了一种新的光纤布型，通过蛇形缠绕提高其定位精度，如图1所示。制作方法为：① 光纤固定支架制作。设光纤铺设层堤防宽为c，该监测堤段长为b，则固定支架尺寸确定为c×b(长×宽)。② 光纤新布型的制作。为防止铠装光纤缠绕时内部不锈钢软管在弯曲中折断，首先对固定支架的两条长边按c1、c2交替进行标记，c1、c2的取值需确保光纤弯曲半径大于12D(D为光缆直径)；然后取一定长度的光纤，按图1(a)中所标记的1，2，…，6的顺序缠绕并固定，最终可形成图1(b)完整的光纤新布型。

图1 光纤新布型设计和制作Fig.1 Design and fabrication of new lay pattern about fiber optical

2 蛇形分布式光纤的浸润线定位原理

图2为基于蛇形分布式光纤的堤防浸润线监测方法示意图。光纤新布型共铺设了4层光纤监测层，堤防体内浸润线和毛细管水上升区边界与光纤层均有交点，因此通过光纤加热法，一方面可感知堤防体内渗流的发展过程；另一方面可根据浸润线两侧光纤温度的差异，确定其与光纤层交点处的光纤长度，然后利用测点定位关系式将其转化成距上游堤面的水平距离，进而确定该层浸润线的位置。

图2 基于光纤新布型的堤防浸润线光纤监测方法示意Fig.2 The monitoring method in dyke seepage by the fiber optical

为了利用浸润线两侧光纤温度明显差异点的光纤长度位置推导浸润线定位关系，下面只考虑光纤与渗流水之间的热交换，忽略毛细管水等因素的影响。

图3为光纤温度稳定时刻沿程分布曲线。由图3可以看出：浸润线以上光纤稳定温度为T1，浸润线以下光纤稳定温度为T2，倾斜过渡段中间部分测点B的稳定温度为T3，根据光纤测温原理，其应满足T2

图3 光纤温度稳定时刻沿程温度分布曲线示意Fig.3 The distribution of temperature along the way when the temperature of the fiber optical being stable

图4为浸润线位置光纤长度计算说明。设光纤在长度L处与浸润线相交，O点为浸润线与光纤的交点，B点为靠近浸润线的光纤测点，D、E均离B点k/2距离，且处于浸润线下侧的位置点为E，OE长为x，则DE段光纤温度的平均值即为B测点的温度测值。若DO段光纤上各点温度为T1、OE段为T2、B点温度测值为T3，DTS系统的空间分辨率为k，则有：

图4 理想条件下浸润线位置光纤长度计算说明Fig.4 The calculation diagram of fiber length on seepage line under ideal condition

T3=[T2x+T1(k-x)]/k

(1)

即

x=k(T1-T3)/(T1-T2)

(2)

设O点的光纤长度为L，测点B处的光纤长度为l，则有：

L=(l-k/2)+x

(3)

即得到L为

L=(l-k/2)+k(T1-T3)/(T1-T2)

(4)

为了确定浸润线位置H(见图5)，可先利用光纤新布型对n组水深H水面所在处光纤长度L进行测量，以模拟浸润线测定，这样就能获得n组(H，L)观测值，分析H～L之间的关系，即可得出光纤新布型定位浸润线的关系式H(L)。

图5 堤防浸润线位置H示意Fig.5 The position of H about the levee infiltration line

3 堤防浸润线定位关系式测定

试验中光纤布型的固定支架尺寸c=2.0 m，b=0.35 m，光纤缠绕尺寸c1=0.15 m，c2=0.05 m，试验采用的主要仪器设备包括DTS测温、数据采集处理和加热系统3部分，辅助仪器有电子万能表和校准温度传感器PT100。为确定蛇形分布式光纤定位浸润线的关系式，在确定加热功率P的情况下，通过改变水的深度，可获得对应水面线处的光纤长度。选取5，9，13 W/m 3组加热功率条件，每次试验测量10，20，30，40，50，60 cm共6个水深处温度。具体试验步骤如下。

步骤1。将绕有光纤的支架竖向固定在水桶正中，光纤连接到DTS，接通好电源，开启DTS，监测初始温度5 min。

步骤2。加热功率选取5 W/m，确定对应的加热电压，快速将调压器拨到对应电压处，开始对光纤进行加热。

步骤3。待到光纤加热到稳定温度后，记录当前DTS监测时间和测值，同时向水桶中快速注水至10 cm。

步骤4。通过观察DTS中的水下光纤测点的降温曲线，当温降曲线稳定后，记录当前DTS监测时间和测值，同时向水桶中快速注水至20 cm。

步骤5。不断重复步骤4，完成加热功率为5 W/m工况下的其余水深的监测。

步骤6。变换每米加热功率，重复步骤1～5，完成其余2组加热功率下的水深测量试验。

4 结果与分析

5，9，13 W/m 3组加热功率下的水深测量成果所显示的规律基本相同，故以9 W/m加热功率水深测量试验为例，进行浸润线定位关系式测定分析。

4.1 定位关系式的确定

本次试验中将空间分辨率设置为1.02 m，DTS测温系统自动在光纤布型监测段生成11个测点，各测点处光纤长度如表1所列。光纤布型段第一个温度监测点定义为光纤布型段数据采集起始点，本次试验中光纤新布型数据采集起始点的光纤长为6.09 m，图6为水深测量模型示意图。本文只取水深部分的光纤测点进行分析。

表1 温度点处光纤长度统计Tab.1 The length of the fiber-optical at measuring points of temperature m

图6 水深测量模型示意Fig.6 The model of measurement of water depth

图7为9 W/m加热功率下10，20，30，40，50，60 cm水深时的光纤温度沿程分布曲线。根据理想条件下靠近浸润线测点的判定方法，结合图7及表1可得出6组水深测量试验中靠近水面线测点B处的光纤长度l，由式(3)可计算出各水面线处光纤长度l，具体结果如表2所列。其中，T1为C点之后空气中光纤任意测点的温度(即图4中OD段光纤测点温度)，以避免水温对其温度值的影响；T2为A点之前水中光纤任意测点的温度(即图4中OE段光纤测点温度)，以避免空气对其温度值的影响；T3为靠近水面线测点B的温度。A、B、C点的位置如图3所示。由于光纤温度测量具有一定的波动，为消除其误差影响，取T1、T2、T3对应测点温度达到稳定后DTS系统连续5次采集的监测数据的平均值作为计算温度。

图7 9 W/m加热功率下不同水深的光纤温度沿程分布曲线Fig.7 The temperature distribution along the way of fiber-optical at different water depths with 9 W/m heating power

表2 9 W/m工况下相应水面处光纤长度Tab.2 The length of fiber-optical corresporiding to water surface at 9W/m condition

表3 水面线处光纤长度计算值与实际值对比Tab.3 The fiber-optical length comparison between calculated and actual values at water surface

为进一步探究水深H与ΔL之间关系，现以ΔL为x轴，H为y轴将两者绘制成曲线，见图8。

图8 水面线处光纤相对长度ΔL与水深H的关系曲线Fig.8 The relation between fiber-optical relative length at water surface(ΔL)and water depth(H)

由图8可知，根据ΔL与L的关系，H与L的关系式为

H=0.192 7(L-l0)-0.005 8

(5)

4.2 定位关系式的精度验证

为验证定位关系式(5) 的精确性，随机选取加热功率9 W/m下3组水深13，37，63 cm作为验证水深。图9为3组验证水深下光纤温度达到稳定时刻的光纤温度分布图。根据图9计算得到9 W/m工况下相应验证水面线处光纤长度列于表4。表5为计算水深与实际水深对比分析表。由表5可知：计算水深与实际水深之间的误差均在3%以内，验证了蛇形分布式光纤新布型定位具有较高精度。

图9 光纤温度稳定时刻温度沿程分布曲线Fig.9 The temperature distribution along the way when the the fiber-optical being stable

表4 9 W/m工况下验证水面线处光纤长度Tab.4 The length of fiber-optical at water surface in check test under 9 W/m condition

表5 计算水深与实际水深对比Tab.5 The water depth comparison between calculated and actual values

5 结 语

针对传统直线布型堤防光纤监测精度的不足，设计并制作了一种用于监测浸润线的蛇形分布式光纤新布型，以提高定位精度，并通过水深测量试验进行堤防浸润线定位探索。试验结果表明：蛇形分布式光纤新布型定位具有较高精度，可为实际工程中的应用提供新的参考。

本文试验只考虑空气和水的影响，但在实际工程中，堤防浸润线附近的介质比较复杂，界面两侧不再是单纯的空气和水。当堤坝发生渗流时，浸润线以下部分是饱和土体，浸润线以上部分是非饱和土体，这就形成了饱和与非饱和渗流同时存在的问题。在土中吸力和水力梯度等因素的作用下，饱和与非饱和区之间也存在连续的水流，这部分水流会影响浸润线以上光纤温度的监测，进而影响光纤浸润线定位精度。