[发明专利]一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术与系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种土石坝浸润线监测的分布式光纤传感技术型式及系统，能够实现当地 材料堤坝-尤其高土石坝浸润线及其坝基防渗帷幕地下水位的高效可靠的实时在线遥测。

背景技术

土石坝的浸润线监测是大坝安全监测的一个重要项目，据此掌握大坝运行期的渗 流状态及其时空演化趋势，对于评价土石坝的工作状况和安全状态、对于预判是否会面临 渗漏事故的潜在风险，具有重要意义。现用的测压管、渗压计等常规设备，属于单点式监测， 具有釆集信息量少、难以捕捉到事故的早期信号、可靠耐久性差强人意、测压管易堵且滞 后、人工操作多等缺点。

近年来，大坝安全监测领域开始关注研发运用光纤传感以监测土石坝浸润线的方 法。基于温度示踪方法，通过电加热光纤，观测浸润线处的光纤温升量的突变，据此实现对 浸润线的定位。国家发明专利“一种基于分布式光纤测温系统的土石堤坝浸润线监测方法” （公开号CN103353322A），提出了采用拉曼型DTS系统进行温度观测，其传感光纤釆用垂直 向-直线形、埋设在坝体中，从坝底竖直向一直延伸到接近坝顶和下游坝坡，用U形折返、数 个波次覆盖坝宽。其优选实例给出的含水率8.5%土料的加热温升，为2~8oC。

从工程实用的角度考量，该方法的问题主要有三：

（1）光纤存活率保障困难：垂向布置致使光纤敷设过程相当漫长，几乎与大坝填筑期一 样，在高坝工程要历时数年，光纤经历百余个填筑层的运土-压实作业的“磨难”，时时有损 坏风险；断纤融接头过多，不利于光信号质量。总之，光纤现场保护难度大，严重威胁其存活 率。众知，光纤存活率是光纤传感在大型工程应用中最为棘手的问题。

（2）对大坝施工有干扰：在坝长范围内需布置多个监测断面，每断面上有多个光纤 与填筑面相交，光纤敷设作业会干扰施工，这在心墙型高土石坝尤其明显。

（3）系统信噪比偏低：拉曼散射光强极弱（比瑞利散射小1000倍^［1］），这限制了它的 空间分辨率为米级（0.5-1m）。这对于光纤-浸润线相交点这种温度突变处的观测特别不利， 因为在分辨率范围内温度效应会被平均化、误差增大。拉曼型解调仪量程大而精准度（±1o C）不够理想，对于浸润线这样一种温度梯度较高的区域，其空间分辨率范围内的平均化效 应，更增加了误差源。再结合上述光纤温升仅为2~8oC的量级，导致全系统的信噪比（SNR）偏 低，以至于有效信号常受到强噪声干扰。故拉曼型DTS传感系统难以适用于高坝的狭小局部 温度突变-精度要求又高的场合。

可见，拉曼光纤测温的通常产品对于高坝渗漏早期征兆捕捉的高要求而言，其SNR 偏低，实用性尚不理想。SNR低时观测量“极易被观测误差所掩盖”^［2］。

主要参考文献：

[1]祝宁华等，光纤光学前沿.科学出版社.

[2]魏德荣等.电力行业标准DJ/T5078-2003《混凝土坝安全监测技术规范》修订介绍. 大坝与安全，2003年6期.

发明内容

综上可见，现提出的拉曼型分布式光纤传感系统对于土石坝浸润线监测尚缺乏工 程应用价值。

本发明具体提供了基于高精度的布里渊系统/布里渊—瑞利合成系统的高SNR分 布式光纤传感监测的技术及系统，技术方案如下：

技术方案

（一）技术方案所依据的科学原理

（1）光纤光学原理：在光纤光学领域的布里渊散射理论表明，布里渊散射光频移取决于 光纤应变和温度，故通过测量布里渊频移就可测定光纤应变和温度，经二者解耦可得光纤 沿程的温度分布。

高精度的PPP-BOTDA（预脉冲布里渊光时域解调仪），其脉冲最小宽度达0.2ns，空 间分变率达2~10cm、温度精度0.1~0.35oC。高精度的布里渊-瑞利合成系统（Hybrid Brillioun-Rayleighsystem）近期业已产品化，具备类似的分辨率和精度，还可实现温度- 应变二参量的自动解耦^［3、4］。这些为提高系统的信噪比、增强温度观测数据的可靠性提供了 亟有利条件。