基于DTS 的岩溶洼地渗漏室内试验研究

郭法旺，彭 浩，毛 鹏，朱宝强

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081）

1 引言

岩溶洼地为负地形,是修建水库的理想场所,而岩溶洼地多位于岩溶强发育区,存在岩溶渗漏难题,因此在水库、渣库选址时,一般都避开岩溶洼地。但随着土地资源的紧缺,完全避开岩溶洼地已极为困难,研究解决岩溶渗漏,在岩溶洼地建渣库、水库将成为未来的必然选择。因此,对岩溶洼地的渗漏监测进行研究,为岩溶洼地的资源化利用提供理论支撑和技术支持,已显得尤为重要。目前对于岩溶洼地建库的监测,通常是采用单点式监测对库周地下水位,对于库盆的监测处于盲区。点式监测不能整体性地覆盖监测对象,存在不可预知的安全隐患。研究发现温度可以持续通过介质进行传递,从而为结构渗流量的监测提供了一个新的示踪量。在各种渗流监测的温度示踪方法中,分布式光纤温度传感技术（Distributed Fiber Optic Temperature Sensor,DTS）比较引人关注[1-3]。

为了将DTS 应用于岩溶洼地的渗漏监测,本文研究了分布式温度传感光缆的渗漏响应规律。文章进行了两类温度传感光缆（常规型及加热型）的渗漏试验、可加热型光缆在不同介质中的升温特性试验、可加热型光缆渗漏感知范围试验及可加热型光缆渗漏感知能力改进试验,最后通过分析试验数据评价了可加热型光缆的响应规律,为今后DTS 在岩溶洼地防渗体的安全监测提供参考和借鉴。

2 试验设计

试验选用的可加热型温度传感光缆为铜网内加热温度感测光缆,不加热时视作常规型温度传感光缆。解调设备为DTS 解调仪,并同时连接有温度补偿箱。试验中用到的主要试验设备见图1。

为了对DTS 监测渗漏的可行性、影响因素和定位精度等进行评价,设计四组不同的试验。

试验一：为研究现阶段渗漏探测的两类温度传感光缆（常规型及加热型）在相同渗漏条件下的温度表现规律,设计两类温度传感光缆的渗漏试验。试验中在PVC 管中间位置的正上方开孔放置泵管,泵管另一侧连接蠕动泵,通过控制蠕动泵使水流进入泵管后在渗漏位置处流出,以此来模拟渗漏,见图2,试验工况见表1。

表1 渗漏试验不同工况

图2 渗漏试验装置图

试验二：为研究不同加热功率下,温度光缆在水、空气、土体等介质中的升温特性及相应最佳加热功率、加热时间,设计可加热型光缆在不同介质中的升温特性试验,将光缆分别放置于半圆型PVC 管、干燥砂土、充满水的PVC 管中模拟其在空气介质、砂土介质、水中的条件,亚克力盒规格为1 m×0.2 m×0.2 m。光缆在各介质中的布置见图3,试验工况见表2。

表2 升温特性试验不同工况

图3 光缆在不同介质中的布置

试验三：为研究温度光缆在介质中的渗漏感知范围,设计可加热型光缆渗漏感知范围试验。试验中所用亚克力盒（规格同上）,以干燥中粗砂为埋设介质,将温度传感器沿垂直光缆方向,按每隔3 cm 布设,见图4（a）。点式的温度传感器为光纤光栅（FBG）温度计,见图4（b）。将温度传感器与无线FBG 解调仪,见图4（c）连接,用于量测介质的温度。试验工况见表3。

表3 渗漏感知范围试验不同工况

图4 FBG 温度传感器及其埋设

试验四：为了进一步提升渗漏过程中光缆的感知能力,设计可加热型光缆渗漏感知能力改进试验。试验通过水壶向沙箱供水,以此控制水的流速,试验工况见表4。试验中水流速为1000 mL/min。沙箱体积为1.6 m×1.2 m×0.3 m,将沙箱用隔水挡板按0.5 m、0.56 m、0.5 m 分割成三个区域。将加热光缆绕在直径为5 cm、长度为1.55 m 的PVC 管上,两根PVC 管分别编号为①号测管和②测号管,然后以0.55 m 的间距沿挡板垂直的方向置入沙箱见图5（a）。试验准备过程见图5（b）,埋设介质为干燥粗砂。

表4 渗漏感知能力改进试验不同工况

图5 渗漏感知能力改进试验

上述四个试验的试验过程：

（1）选择并根据工况搭建试验装置；

（2）试验正式开始前,检查所有设备确保其运行正常并同步采集数据；

（3）采用热风枪加热,观察DTS 解调仪的实时温度数据,对光缆在测试段中的部分进行位置定位,待温度回落至稳定后,根据工况进行相应的测试并记录数据,两类温度传感光缆的渗漏试验和渗漏感知能力改进试验温度下降至稳定后停止实验、升温特性试验温度上升至相对稳定后停止试验、渗漏感知范围试验达到加热时间停止试验；

（4）依次完成各个试验的不同工况见表1～表4,重复步骤（1）～（3）；

（5）分析所有试验数据。

3 试验结果分析

试验一：两种传感光缆在渗漏条件下的温度分布曲线见图6,在渗漏位置处的温度变化曲线见图7。由图6 和7 可知,常规型光缆在渗漏位置处渗漏前后的温度变化很小,仅有1.74℃；而可加热型光缆在渗漏位置处渗漏前后的温差达到了11℃；说明通过加热可有效提升温度变化的梯度,从而准确识别渗漏,定位渗漏位置。

图6 两种传感光缆在渗漏下的温度分布图

图7 两种传感光缆在渗漏位置处的温度变化曲线

试验二：不同介质中可加热型光缆在不同加热功率下的温度变化曲线见图8。由图8 可知：可加热型光缆在不同介质中的升温规律一致,温度先逐渐上升,后逐渐趋于稳定；光缆在各介质中的温度特征值均随加热功率的提高而增大；可加热型光缆在空气和砂土中加热稳定时长约13 min；在水中加热稳定时长约7 min。

图8 不同介质中不同加热功率下的温度变化曲线

由表5 可以看出：相同功率下可加热光缆在空气中的升温幅度最大,在水中的升温幅度最小；功率为3 W/m 时,可加热型光缆在三种介质中的差异均在3℃左右,表明可加热型光缆在识别以上三种介质的最低加热功率为3 W/m。

表5 不同介质中可加热型光缆在不同加热功率下的温升值

试验三：研究可加热型光缆渗漏感知范围时,不同功率下各个测点在光缆加热至稳定过程中的温度变化见图9（a）～图9（c）；图9（d）为光缆在2 W/m 加热功率下,持续60 min各测点的温度变化曲线。由图9 可知,从开始加热到稳定的时长（20 min）内,距离3 cm 处：2 W/m～5 W/m 温差较小,8 W/m～10 W/m 温差较大,功率增大其变化幅度也增大；距离6 cm和9 cm 处：2 W/m～10 W/m 温度相对稳定；随着加热时间的延长,可加热型光缆引起介质的温度变化越大,且距离6 cm处也发生了较小的温度变化。因此适当延长加热时间可以提升可加热型光缆的感知范围。

图9 不同加热功率下光缆及各测点的变化曲线

试验四：为了方便研究光缆沿PVC 管缠绕的方式是否可以提升光缆的渗漏感知能力,将①、②号测管穿越三个区域的部分称作1、2、3、4、5、6,见图10。各个区域中光缆的温度变化趋势见图11。由图11 可知0～100 min 为加热时间,各点加热速率基本保持一致,温度上升曲线基本呈直线分布。147 min 后,停止供电,位于静水区的各点温度也开始下降,下降速率基本保持不变。3、4 号点降温时间比其余各点降温时间要短,说明对流造成的热量传递速度比热传递速度快很多。

图10 沙箱区域划分

图11 试验中各个区域的降温曲线

4 结论

通过室内试验研究可加热型光缆在岩溶洼地工程应用中的可行性,得出以下结论：

（1）在相同渗漏条件下,常规型温度传感光缆无法发挥准确识别渗漏的作用；可加热型光缆对渗漏的响应程度非常显著,且能准确识别到渗漏的位置。

（2）可加热型光缆在各介质中的升温特征相同。可通过调整加热功率使光缆的温度特征值产生明显差异来识别不同的介质,光缆识别空气、干砂和水三种介质的最佳加热功率为3 W/m,有效识别的加热时长不低于15 min。

（3）干燥砂土中,10 W/m 加热功率以内,光缆从开始加热到稳定的时长内,其感知范围最大不超过6 cm。

（4）将可加热型光缆沿PVC 管螺旋缠绕的方式测得结果最大升温幅度约为20℃,可显著提高加热光缆的渗漏感知能力。