基于光纤分布渠道渗流自动监测系统研究

张安庆

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司，安徽 合肥 230031)

光纤光栅传感技术是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源传感器件。光纤光栅作为最成熟的一种光纤传感技术，它具有无源本质安全防爆、无电磁干扰、长距离 信号传输、长期稳定性好、多参量并行检测等显著优势，已在土木工程、航空航天、 铁路、电力石化、水利等行业广泛应用。光纤光栅监测系统可多参量同时监测，同一系统同一监测链路上可混合接入、同时测量多个点的温度、应力、应变、位移、渗压、土压等多种物理量，可进行边坡裂缝监测、位移监测、倾斜监测、地下水位渗压监测、锚杆张力监测等等[1-4]。杨皓然等[5]介绍了分布式光纤监测技术在岷江犍为航电枢纽库区防护工程中的应用实; 刘健等[6]分析了采用分布式光纤的温度传感系统监测水利工程渗流的可行性,设计室内模型试验,分析了试验过程中土石坝模型的温度变化与水头和光纤加热时间的关系,得出了加热时间—温度变化、水头变化—温度变化的关系；林成锋等[7]设计了基于加热弱光纤监测渗流的圆筒模型试验,通过光纤周围温度场与渗流场的耦合关系, 间接获得圆筒模型的渗流状态；陶珺等[8]为监测土石坝内渗流水的情况,提出一种多点光纤Bragg光栅传感器(FBG)结构, 采用InGaAs光电探测器阵列探测光强的光纤光栅传感阵列的波长解调方法。本文基于拉曼分布式温度传感(DIS)的分布式光纤，对350 m长的水渠渗流情况进行了监测分析,如图1，并对渠道渗流区域以及识别指标进行了详细分析，研究结果可为相关工程提供参考[9]。

1 工程概况

本次渠道渗流监测项目位于安徽省，地表和地下水位之间的距离为1.5 m，根据现场勘察地基土可分为五个工程地质层：(1)人工填土层(Qml)，主要由素填土组成，呈褐黄～灰黄色，可塑状态为主，无层理，粉质黏土、黏质土为主，局部夹粉土薄层，表层含植物根茎等，属中压缩性土为主。填垫年限大于十年。(2)粉质黏土层，呈褐黄～灰黄色，软塑～可塑状态，无层理，含铁质、有机质，属中压缩性土，局部夹黏土透镜体。(3)淤泥质黏土层，呈灰色，流塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。局部为淤泥质粉质黏土、黏土。(4)粉质黏土层，呈灰色，软塑状态为主，有层理，含贝壳，属中压缩性土。局部夹淤泥质土、黏土透镜体。(5)上更新统第四组滨海潮汐带沉积层(Q3dmc)，主要由黏土组成，呈灰～黄灰色，可塑状态，有层理，含贝壳，属中(偏高)压缩性土。局部夹粉质黏土透镜体。

图1 渠道渗流监测位置

2 分布式光纤简介及安装

渠道后方土体温度的波动常被用作识别水渠异常渗流的指标。温度感测的原理是假设当正常流态存在时，温度波动是由周边环境变化引起的热传导驱动的，而当水渠发生异常渗流时，温度波动的幅度会变得非常显著。分布式光纤传感采用的是接触式传感器技术，能够以足够的空间分辨率测量长距离下土壤的温度变化，在路堤温度监测中的首次应用可追溯到20世纪90年代中期，尤其是利用基于拉曼分布式温度传感(DIS)的分布式光纤是最常用的光纤传感器，也适用于渠道渗流的研究。当使用光信号探测光纤时，由于纤维材料的均匀性，会产生两个信号，并沿纤维反向传播。此外，当用脉冲光探测纤维和测量往返传播时间时，可以向前确定反向传播光信号的位置，其强度与当地温度有关。本文采用的是Oryx SR DTS访问器，其特点是在30 s的测量时间内，具有1 m的空间分辨率和2 km内0.1 ℃的温度分辨率，温度精度限制在0.5 ℃以内。光纤测温的主要困难是识别不同的渗流信号(受时间速率、振幅、空间梯度等影响)，为解决这个问题，本研究中提出并采用了主动测温法，该方法使用一条或多条混合电缆嵌入光纤，通过焦耳效应加热电缆。加热和冷却阶段的温度动态，即达到最终稳定温度的时间与渗流引起的导热系数相关。这种方法在水温度变化较小或水与土壤中测量点之间的温度梯度非常小的水渠中有效。在本文的监测现场中，在一条350 m长的沟渠中安装了一根光纤电缆，如图2所示，光缆部署在三个层面，深度约为1.8 m(1级)、1.0 m(2级)和0.5 m(3级)。在该应用中，嵌入光纤和四根铜线的混合电缆可用于主动测温。

图2 水渠光纤布置

埋入光纤的沟槽开挖因尽可能地窄，同时考虑路堤的水平尺寸。光缆与沟槽侧壁的原状土接触，填充土被压实，以防止沟槽内的水垂直流动。此外，在安装光纤期间，潜水面深度低于8 m。图3给出了三个级别上光纤的温度分布实测数据，一组为夏季所采集的数据，另一个为冬季所采集的数据，其中季节波动不同，三层光纤的温度变化也有所不同。冬季的平均温度从低层往高层逐渐下降，而在夏季则相反，此时温度随深度降低。2020年7月26日和2021年2月1日的两次测量都是在干燥天气条件下进行的，此外，还可以观察到，三种光纤的温度变化均显示出一种共同的趋势，即在某一位置出现局部峰值和凹陷，可能与土体的空间变异性有关。

图3 不同季节下光纤温度变化规律

3 监测数据分析

为评估现场光纤监测系统的有效性，本文通过两次降雨工况来进行评估，始于10月27日，于11月1日结束。图4给出了不同时段降雨量以及渠道水和空气温度的演变，并标记了两个重要时刻，用于光纤温度测量的后续结果分析。需要注意的是，降雨在10月27日上午晚些时候较大，并于10月30日结束，且近3周内没有降雨记录。两次大降雨从10月27日下午晚些时候开始，到10月31日晚上结束；其特点是10月30日清晨出现最大峰值；洪水开始时，平均气温下降，然后保持近似稳定(有一些波动)，直到10月30日结束。其次，在降雨峰值开始之前，水渠水流温度大致保持不变，然后缓慢下降，从而在10月3日上午之后稳定在较低水平。从图4中还可看出，在10月28日之前，渠水温度在2 d内相对稳定，等于10.0 ℃，然后在第二次强降雨后下降，由于来自周围山脉的冷却水，最终稳定在8.4 ℃左右。10月31日之后，水温约为11.4 ℃。

图4 不同时段降雨量以及渠道水和空气温度的演变

图5给出了降雨期间两个不同时刻光纤温度变化规律，即10月28日上午9:45、10月31日，第一次对应于水渠水位上升阶段，而第二次位于第二次峰值降雨之后。监测于上午9点45分开始，在50 min的时间段内，每2 min测量一次温度。由图5可知，在降雨峰值出现以前，3种级别光纤的温度都明显高于强降雨之后的温度，总体上呈现出U型变化。根据10月28日的监测数据，L1光纤在整个渠长范围内最高温度为14.6 ℃，L2为14.5 ℃，L3为14.2 ℃，而3者的最低温度分别均出现于渠长176 m处，分别为13.1 ℃、12.8 ℃和12.6 ℃。而对于10月31日的监测数据，L1光纤在整个渠长范围内最高温度为13.0 ℃，L2为12.6 ℃，L3为12.1 ℃，而3者的最低温度同样出现于渠长176 m处，分别为11.5 ℃、11.6 ℃和11.1 ℃。

图5 给出了降雨期间两个不同时刻光纤温度变化规律

图6 渠水温度与光纤温度的差值

通过比较两个时间段的光纤监测结果，可以得出三种光纤沿渠长的温度都会随着渠水温度的下降而下降，图6给出了渠水温度与光纤温度的差值。由图6可知，L1与L2光纤温度与渠水温度相差较小，而L3呈出现出明显的震荡，最大温差达到2 ℃，说明表层光纤由于更接近地面，导致温差不明显，而底层的光纤能够更号反映渠道渗流的实际情况。总体而言，在降雨期间，水渠水头超过一侧地面标高时，沿垂直方向会发生局部垂直渗流，导致纵向温度下降，其中L3的温度变化最大，说明光纤能明显感知渗流的存在。在第一次降雨渗透过程中，由于土体表层的水力渗透系数低，在非饱和条件下甚至更低，可以观察到每天测得的L1和L2光纤温度振荡与渠水温度没有明显相关性。 值得一提的是，光纤测得的温度降低可能与从河床到陆侧路堤坡脚的分流有关，因此，很难确定渗漏率较高的精确位置。然而，值得注意的是，大约185 m到208 m处测量出了温度梯度的反转，这可能是由于存在优先且更快的向上渗流的路径，与土体的性质有关，局部混合了不同温度的地下水。在整个降雨发生期间，该区域以及温度梯度的反转程度增大，如图7所示。

图7 温度梯度反转区域

4 结 论

本文将先进的分布式光纤与传统传感器技术相结合，对350 m长的水渠渗流情况进行了监测分析。其中监测以温度波动为主要分析对象来判断水渠是否发生异常渗流，而渗流水头通过两次天然降雨来进行施加。研究结果表明，在降雨峰值出现以前，光纤的温度都明显高于强降雨之后的温度，总体上呈现出U型变化；无论埋藏深度多少，光纤沿渠长的温度都会随着渠水温度的下降而下降，L1与L2光纤温度与渠水温度相差较小，因为表层光纤由于更接近地面，导致温差不明显。此外， L3的温度变化最大，最大温差达到2 ℃，说明沿垂直方向会发生局部垂直渗流，导致纵向温度下降，因此光纤能明显感知渠道渗流的发生。