分布式光纤温度传感渗漏监测技术研究进展

彭俊元

摘 要：分布式光纤温度传感器以其自身的绝对优势，在渗漏监测方面得到了广泛应用。本文从分布式光纤温度传感渗漏监测技术的工作原理出发，对其中包含的两种监测方法进行了比较，同时，还对当前国内在该技术方面的研究现状进行了分析，最后探讨了该技术的未来发展趋势，以供参考。

关键词：分布式光纤温度传感器；渗漏监测；进展

中图分类号： TP29 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-150-2

0 引言

随着社会的进步，科学技术得到了快速的发展，使得各种渗漏监测技术不断涌现。传统的点式监测技术由于无法实现整体性覆盖，在监测的过程中会出现很多盲区，不利于工程的安全进程，尤其是针对一些线路比较长、分布比较广的工程，如油、气管道和堤坝工程，一旦安全隐患增多，将会出现严重后果。在这类工程中，如果增加监测点，会增加很多额外的成本，同时施工难度也会加大。分布式光纤温度传感器的出现，很好地解决了这个难题。利用分布式光纤温度传感器，能够完全覆盖所要检测的对象。该传感器的传感部件和信号传输部件都属于功能性光纤，成本较低。在实际的工程过程中，分布式光纤传感器可以利用光时域技术对渗漏部分进行定位，并能够实现实时监测，而且，该技术施工简单，监测范围广，监测距离长，抗腐蚀、耐高温、抗高压、防雷击、抗电磁辐射能力都比较强，在渗漏监测领域得到了广泛应用。

1 分布式光纤温度传感器的工作原理

温度示踪原理是分布式光纤温度传感渗漏监测技术的基础。其基本工作原理是：渗漏的水流（或者油、气）在与土壤和地下光纤接触时，会出现热传递，在它们进行热量交换的过程中，使得渗漏部位与非渗漏部位的温度产生差异，尤其是渗漏水流（或者油、气）的流速越大，渗漏部位的温度变化就越大。此时，我们可以利用这种渗漏部位与非渗漏部位之间的温度差异实现渗漏监测，即利用温度场反馈渗流场。这种检测方法的前提是渗漏水流（或者油、气）与土壤存在较大的温度差异，如果温度差异不明显，我们可以对光纤进行加热，人为改变温度差异。这样一来，我们就可以将检测方法进一步分为梯度法和加热法两种方法。

1.1 梯度法

所谓梯度法，就是直接利用渗漏水流（或者油、气）与土壤之间的温度差异进行渗漏监测。首先对土壤温度场分布情况进行测量，然后对测量结果进行分析，如果发现土壤局部范围内温度变化比较大，可以利用光纤温度场进行分析，进而确定发生渗漏的部位。想要确定渗漏流速，就可以根据已有的温差和渗漏流速关系模型，对监测的温度场进行深度分析，从而确定渗漏的流速。利用梯度法进行渗漏监测时，必须加深光纤的埋置深度，否则光纤温度容易受到外界温度的影响，对监测结果影响较大。此外，渗漏水流（或者油、气）也要和土壤具有明显的温度梯度。因此，梯度监测方法受到季节变化的影响比较大，进而使得梯度监测法的使用范围受到了一定的限制。

1.2 加热法

加热监测法，顾名思义就是人为的对光纤进行加热，从而使渗漏水流（或者油、气）与光纤产生一定的温度差异。利用加热法进行监测时，需要在光纤周围并行设置特别的导体，测量之前需要首先将导体通电，提升光纤周围的温度，然后再进行光纤温度场的测量。如果存在渗漏点，该部位的温度会明显低于其他部位，这样就可以很容易的确定渗漏部位。与梯度法类似，我们也可以通过温度升高与渗漏流速的关系模型，对渗漏流速的大小进行确定。由于季节的变化不会对加热法造成影响，使得加热监测法比梯度监测法的应用范围更加广泛。

2 国内研究现状

当前，我国在分布式光纤温度传感渗漏监测技术方面的研究仍然处于定性监测阶段，也就是说，我们仅仅将其作为确定渗漏部位的一种技术手段，而利用该技术实现渗漏的量化监测，相关研究者仍在模拟和试验，而且该研究在理论方面主要包含理论推导和有限元模拟等内容。因此，对分布式光纤温度传感器技术仍需继续研究。

在理论分析方面，肖衡林等以多孔介质传热理论基本假定为基础，结合分布式光纤温度传感原理推导分析得出计算渗流流速的理论解，该理论解描述了渗流流速与多孔介质导热系数、孔隙率和外加热功率等因素的关系，目前该关系尚未得到验证；陈江等提出以多孔介质-热源-FBG的共轭传热数学模型理论为基础的热脉冲法，采用ADINA进行数值模拟，得出温升与渗流速度及加热功率的关系；陆艳梅等根据热传导方程及系统能量方程提出了大坝渗漏传热模型，并根据边界条件及初始条件推导出拉氏空间下以Bessel函数表示的无量纲解析解，同时结合工程实例验证了该模型的合理性；王新建等利用叠加原理推导出堤坝多渗漏通道温度场解析解，并利用BURSA-WOLF模型转化坐标，运用最优化方法迭代出堤坝集中渗漏通道位置的数值解，结合工程实例确定了渗漏通道的位置，证明了该方法的有效性；董海洲等利用热平衡理论及坝体周围土体温度变化与集中渗漏流速关系建立了数学物理模型，在层流和紊流2种不同流态下探讨了渗流流速的确定方法，并结合实例验证了其正确性。

3 发展趋势

分布式光纤温度传感器优势明显，例如成本低廉、耐高温、耐腐蚀、稳定性也较强，因此其在渗漏监测领域的发展前景良好。但是我国对分布式光纤温度传感渗漏监测技术的研究仍然处于初级阶段，还需要对其进行更加深入的研究。

3.1 实现定量监测

当前我国还没有实现利用分布式光纤温度传感器对渗漏量进行定量监测，只是在研究的过程中积累了部分实验数据和理论模型，不过因为地下土壤成分复杂，加上各种实验条件难以达成，在该方面的研究成果尚不能统一，仍需要进一步的研究确定。但是在我国《土石坝安全监测技术规范》中，有关土石坝的渗漏量监测方面的规定，对未来实现渗漏量的定量监测具有深刻意义。

3.2 考虑施工控制因素

3.2.1 压实度

压实度在实际工程中具有非常重要的作用，例如，在土石坝工程施工中，工程施工质量的主要指标中就包含土体的压实程度，并且在相关规范中对土壤的压实度也有明确规定。由此可见，要想将研究成果顺利应用到实际中，还需要对实际工程的施工内容进行深入分析。众多周知，土壤的压实度与土壤渗透性关系密切，在土壤相同的条件下，土壤压实度与土壤渗透系数属于反比例关系。从现有的研究成果看来，压实度对渗透性的影响还不够全面，需要在后续的研究中进行重点分析。

3.2.2 现场光纤网络布置方法

利用分布式光纤温度传感器进行渗漏监测的时候，需要在监测范围内按照一定的原则进行光纤网络布置，即光纤布置应该简洁、经济，最主要的是做到对检测范围的全覆盖。对于正在建设的工程，在布置光纤时，难免影响施工进度，而且施工和光纤布置同时进行也容易损坏光纤，埋设的传感器成活率无法保证；对于线路比较长的工程，比较适合选择加热监测法，但是需要保证对加热电线的网络设计不会对施工安全造成影响；对于已经建设好的工程，则应该注重布置光纤时的打孔尺寸，避免尺寸过大影响工程的安全性能。可见，在不同的工程中，进行光纤布置时需要区别对待，并做好经验积累。

3.3 其他辅助监测手段

在工程监测方面，还包含光纤光栅传感器、测压管等多种手段。当工程的检查项目比较多时，应当充分考虑各种监测手段的优劣势，取长补短，将多种监测手段充分结合在一起，确保监测结果更加准确、可靠。例如，在土石坝工程中，需要监测变形、渗流压力、孔隙水压力以及水位等多个指标，我们就可以利用分布式光纤温度传感器对渗流进行定位和定量监测，利用光纤光栅传感器和测压管对温度、应力和水压力进行监测。

4 结束语

综上所述，分布式光纤温度传感器以其覆盖面广泛、成本低廉、定位准确等优势，被广泛应用到管道工程、土石坝工程以及堤坝工程等多种工程中，但是对于该技术的研究仍然不够全面，需要相关技术人员共同努力，解决该技术尚不能达到的目标。

参 考 文 献

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