[发明专利]多孔介质结构体渗流的分布式光纤测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔介质结构体渗流的分布式光纤测试试验装置及方法。

背景技术

我国的土石堤坝工程面临的主要问题有渗漏、管涌、坍塌、裂缝、滑坡、护坡破坏、冲刷空蚀等，据统计，土石坝工程中，超过三分之一的破坏是由于不同程度的渗漏以及渗漏衍生的各种问题所致，堤防溃决90%以上是由于渗漏破坏造成。

大量工程经验表明，加强土石堤坝渗漏与渗透变形的实时定位和定量监测，对保障工程的安全运行具有非常重要的意义。土石堤坝渗流问题具有时空随机性、隐蔽性特征，且初始量级细微，常规的点式监测仪器，多选择几个典型断面，采用大间距网格布设，监测盲区大，往往造成监测的空间不连续，极易导致漏检。

在对传统监测技术进行不断完善和发展的同时，越来越多的新型技术被引入堤坝安全监测领域，开展新技术在坝工领域中监测原理和实现方法、技术等的研究，已成为一个热点科研课题。光纤传感技术因其独特的优势，已经广泛应用于建筑（大型桥梁应力、应变监测，水利工程）、航天、石油化工、电力、医疗等。

分布式光纤温度传感技术分布式、连续性地实时进行堤坝渗漏监测测量已引起了工程界和学术界的高度关注。基于分布式光纤温度传感系统（DTS）的渗流监测方法提出和应用，使得全方位监测渗流场成为可能，但是目前该项技术的研究尚处于起步阶段，多用于定性识别，要达到定量化的应用，急切需要探索性、创新性的研究。

美国、德国、西班牙等国家20世纪70年代就采用温度场研究大坝渗漏，不过这个时期，主要通过离散点温度值监测渗漏通道，随着分布式光纤测温系统的推出，温度示踪法研究堤坝渗漏这一课题更加吸引了大量的研究人员。但是该技术在渗漏监测应用方面的理论还不成熟，特别是目前尚未建立光纤加热温升同渗流流速、环境温度、加热功率之间定量关系模型，因此进行土石堤坝渗流流速光纤监测理论研究、研制渗流监测方法及装置具有重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高效精确的多孔介质结构体渗流的分布式光纤测试方法。

技术方案：本发明受传热学中的传热系数概念的启发，首创以总传热系数表征光纤同包含渗流的饱和多孔介质之间的传热，进而分析了影响总传热系数的因素，发现了在相同流速、相同水温情况下，影响总传热系数的因素仅为渗流流速；继而通过试验数据分析，探讨了总传热系数同渗流流速的关系，得到了两者的数学关系模型，该渗流流速的监测方法及装置建立了渗流流速总传热系数的经验关系数学模型，从而达到了实现渗流流速的间接监测。

多孔介质结构体渗流的分布式光纤测试装置，包括加热系统、分布式光纤温度传感系统、埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽和出水系统；所述加热系统、分布式光纤温度传感系统和出水系统分别与所述多孔介质结构体模型槽连接。

所述加热系统为主要由交流电源、调压器和负载发热电阻丝组成的并联电路，通过负载发热电阻丝对监测光纤加热，通过调压器控制电压从而控制加热功率。

所述分布式光纤温度传感系统包括分布式光纤测温主机和线性多模感温光缆，所述分布式光纤测温主机通过脉冲激光设备与所述线性多模感温光缆相连并输出光脉冲；所述线性多模感温光缆的尾部与光纤连接器相连。

所述出水系统包括水箱、流速控制阀、水泵及循环水池；所述水箱的位置高于所述循环水池，所述水箱的水位线上部通过溢流管与所述循环水池连接；所述循环水池通过水泵将水输送到水箱中；所述水箱底部通过管道与所述多孔介质结构体模型槽连接；所述流速控制阀分别设置在水箱与所述多孔介质结构体模型槽和循环水池之间的管道上。

本发明多孔介质结构体渗流的分布式光纤测试方法,包括如下步骤:

(1)构建埋设有监测光纤的多孔介质结构体模型槽。基于不同试验要求，根据具体设计搭建带监测光纤的多孔介质结构体模型槽。多孔介质主要由固、液、气三相组成，对于许多土石坝及土石堤防的筑坝材料很多是由多孔介质材料组成。

(2)调整出水系统以形成均匀稳定渗流场。基于渗流出水控制监测仪器，将出水系统阀门调节到某一确定位置，后持续监测出水系统的出流量，待出流量稳定时，认为均匀稳定渗流场已经形成。

(3)基于分布式光纤温度传感系统对埋设于模型槽中的目标光纤进行温度监测；拉曼散射和布里渊散射对温度均有敏感性，可以用来测量温度，考虑到布里渊散射受应力等其他因素影响较大，故主要采用拉曼散射对温度进行测。通过斯托克斯光与反斯托克斯光计算出温度值：