阅读说明：本技术 基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统及监测方法 (Geomembrane damage leakage amount monitoring system and method based on distributed optical fibers ) 是由 程琳 宋福彬 杨杰 李炎隆 王赵汉 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统,包括渗流系统、加热系统和DTS系统,渗流系统包括模型槽和供水系统,模型槽内设置有土石坝断面模型和土工膜,供水系统为土石坝端面模型提供渗流,加热系统为土石坝端面模型提供热源；DTS系统包括依次相连的光纤、DTS解调设备和采集分析光纤温度及相应位置信息的工控机,光纤的一部分设置在土工膜上,其余部分设置在土石坝断面模型内部。本发明还公开了基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测方法,该方法监测的数据连续性强,能反映出大坝整体的渗流情况,根据光纤的温度变化规律可推测出土工膜的破损位置和渗流量,可用于实际工程中。(The invention discloses a geomembrane damage leakage monitoring system based on distributed optical fibers, which comprises a seepage system, a heating system and a DTS system, wherein the seepage system comprises a model groove and a water supply system, an earth and rockfill dam section model and a geomembrane are arranged in the model groove, the water supply system provides seepage for the earth and rockfill dam end face model, and the heating system provides a heat source for the earth and rockfill dam end face model; the DTS system comprises optical fibers, DTS demodulation equipment and an industrial personal computer for collecting and analyzing the temperature of the optical fibers and corresponding position information, wherein the optical fibers are sequentially connected, one part of the optical fibers is arranged on the geomembrane, and the other part of the optical fibers is arranged inside the cross section model of the earth-rock dam. The invention also discloses a geomembrane damage leakage monitoring method based on the distributed optical fibers, the data monitored by the method has strong continuity, the integral seepage condition of the dam can be reflected, the damage position and the seepage quantity of the geomembrane can be estimated according to the temperature change rule of the optical fibers, and the method can be used in actual engineering.)

基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于大坝安全监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统及监测方法。

背景技术

传统的土石材料坝防渗体基本为黏土心墙、斜墙、斜心墙，混凝土面板，沥青混凝土心墙。土工膜与上述几种防渗体相比具有更为优越的防渗性能，同时，具有施工简便、造价低廉、适用条件广泛等优点，近年来被广泛应用于各种水工建筑物的防渗结构。

我国土工膜防渗技术起步较晚，不仅受限于早期的土工膜生产工艺、耐久性和施工工艺，同时考虑到土工膜之间的拼接缝、连接缝及隐性破损等均不同程度的造成土工膜的缺陷孔洞或缺陷裂隙，在高水头作用下，由于上述原因产生的破损土工膜渗漏通道会产生相对大的渗漏量，势必威胁整个大坝的安全。因此加强土工膜破损情况监测便成为了解决这一问题的有效途径。

目前，土工膜破损监测方法主要包括：电学法、偶极子法、地下水检测法等。

电学法主要是利用两个导电的电极及其他相关设备，通过肉眼观察破损部位的一些异常现象，从而判断缺陷部位，此种方法适用于大面积非焊接区土工膜的微小缺陷探测，其探测的精度和灵敏度均较高，但是实际应用条件非常局限，不仅需要将检测部位的土工膜全部暴露而且对检测环境有较高的要求，因此，此种方法仅适用于施工期土工膜的完整性检测。

偶极子法是利用一对固定间距的探测电极(即偶极子)在土工膜上移动探测。通过记录电位差变化过程，绘制变化曲线，进行缺陷检测。这种方法的优点在于探测的灵敏度较高，对于覆盖层下的毫米级的土工膜缺陷有准确的定位，但是，相应的探测过程耗时较长，不能实现自动化监测，费时费力。

其他的探测方法，诸如地下水检测法、扩散软管法、化学试剂追踪法等都存在一定的局限性。例如地下水检测法仅能判断土工膜是否存在缺陷，无法确定缺陷的具***置及数量；扩散软管法虽然可以确定缺陷位置及数目，但其实际探测精度与布置的软管数量密切相关；化学试剂追踪法则存在技术水平高费用昂贵等问题，而且探测结果具有滞后性，无法适应实际工程需求。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统，解决现有土工膜破损监测方法只能点式监测，监测数据不连续，无法反映大坝整体渗流情况的问题。

探测精度低，探测结果具有滞后性的问题。

本发明的另一个目的是提供一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统，包括渗流系统、加热系统和DTS系统，渗流系统包括模型槽和供水系统，模型槽内设置有土石坝断面模型和土工膜，供水系统为土石坝端面模型提供渗流，加热系统为土石坝端面模型提供热源；DTS系统包括依次相连的光纤、DTS解调设备和采集分析光纤温度及相应位置信息的工控机，光纤的一部分设置在土工膜上，其余部分设置在土石坝断面模型内部。

本发明的技术特征还在于，

其中，加热系统包括硅橡胶加热带，硅橡胶加热带连接有恒温器，恒温器连接有交流电源。

土石坝端面模型由砂石颗粒堆积形成，所述硅橡胶加热带缠绕在塑料棒上，塑料棒埋设于土石坝端面模型中间。

供水系统包括进水管和水闸，水闸将模型槽底部分隔成左右两部分，进水管设置于模型槽左侧顶部，土石坝断面模型设置于模型槽右侧，水闸与土石坝断面模型之间设置有挡水板，挡水板固定在模型槽内壁顶部，挡水板底部与模型槽底面留有间隙。

模型槽靠近进水管的一侧底部设置有出水口a，相对的另一侧底部设置有出水口b，出水口a和出水口b上分别安装有水阀。

土工膜包裹在土石坝断面模型外侧，光纤的一部分呈“S”形布设在土工膜靠近上游的一侧上，其余部分分层布设在土石坝断面模型内部。

光纤为线性多模感温光纤，DTS解调设备解调、记录光纤自然降温过程中的温度值，DTS解调设备是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量。

本发明所采用的第二技术方案是，一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测方法，包括在土工膜表面和土石坝断面模型内部设置光纤，采用硅橡胶加热带对土石坝断面模型进行加热，通过DTS解调设备和工控机采集光纤自然降温过程中的温度变化，通过光纤的温度变化规律确定土工膜的破损位置及渗漏量。

具体包括以下步骤：

步骤1：在土工膜表面和土石坝断面模型内部设置光纤，底层的光纤靠近土石坝断面模型底部，顶层的光纤靠近土石坝断面模型顶部；将光纤与DTS解调设备连接，DTS解调设备与工控机相连，工控机连接有电源；

步骤2：将硅橡胶加热带缠绕在塑料棒上，硅橡胶加热带连接有恒温器和交流电源，将塑料棒埋设在土石坝断面模型内部；

步骤3：向模型槽内注水，开启土石坝断面模型上游的水闸，在土石坝断面模型的水位达到预设水位后，关闭水闸；

步骤4：采用硅橡胶加热带对土石坝断面模型进行加热，光纤温度随土石坝断面模型温度上升，加热到预设温度后，断开硅橡胶加热带的交流电源，使光纤自然降温；

步骤5：采用工控机记录并显示光纤自然降温过程中的温度变化，通过光纤的温度变化规律确定出土工膜的破损位置及渗漏量。

步骤5的具体过程为，

步骤5.1：采用工控机记录并显示光纤自然降温过程中的温度变化过程；

步骤5.2：记录温度变化幅度最大的光纤点，推测出所述光纤点对应的土工膜位置，即为土工膜的破损位置；

步骤5.3：记录土石坝断面模型底部的光纤温度T_S，测量土石坝断面模型周围的水流温度T_f，土工膜的渗漏量Q_对流为，

式中：Q_v为光纤和水流之间的对流热，Q_d为水流由于热传导传递的热量，A_a为光纤和水流之间的换热面积，即光纤的外表面积，h为换热系数，T_s为光纤表面的温度，T_f为水流温度，λ_w为水的导热系数，T为水流传导过程中的瞬时温度，x为水的传热距离。

本发明的有益效果是，采用分布式光纤监测采集土工膜内部土石坝断面模型各处的温度变化，监测的数据连续性强，能反映出大坝整体的渗流情况；根据光纤的温度变化规律可推测出土工膜的破损位置和渗流量，制作成本低，探测结果准确性高，能够及时确定缺陷的具***置及数量，可用于实际工程中。

附图说明

图1是本发明基于分布式光纤的均质土坝渗漏监测系统的结构示意图；

图2是本发明基于分布式光纤的均质土坝渗漏监测系统中光纤在土工膜上的布置示意图。

图中，1.进水管，2.挡水板，3.水闸，4.出水口a，5.土工膜，6.光纤，7.出水口b，8.硅橡胶加热带，9.DTS解调设备，10.工控机，11.恒温器，12.交流电源，13.土石坝断面模型，14.模型槽，15.土工膜破损处，16.光纤测量起始点，17.塑料棒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测系统，参照图1，包括渗流系统、加热系统和DTS系统，渗流系统包括有机玻璃制备的模型槽14和供水系统，模型槽14的长为2.4m、宽为0.5m、高为0.8m，模型槽14内设置有高度为0.6m的土石坝断面模型13，土石坝断面模型13细砂土分层堆积而成，两侧边坡以粒径较小的石子做护坡，坝体自然沉降密实，上游边的坝体表面布设有土工膜5，土工膜5为复合土工膜，一布一膜，为了增加坝两侧的粗糙程度，专布设了土工布，大大降低坝两侧透水性。供水系统为土石坝端面模型13提供渗流，加热系统为土石坝端面模型13提供热源；DTS系统包括依次相连的光纤6、DTS解调设备9和采集分析光纤6温度及相应位置信息的工控机10，光纤6的一部分呈“S”形布设在土工膜5靠近上游的一侧上(见图2)，布设长度为10m；光纤6的其余部分分层布设在土石坝端面模型内部，布设长度为16m，分三层布设，每层分别距离坝底10cm、20cm、30cm。

光纤6为线性多模感温光纤，DTS解调设备9解调、记录光纤6自然降温过程中的温度值，DTS解调设备9是基于拉曼光时域发射测量技术进行分布式温度测量。光纤在进行传输时，期间产生的拉曼散射可以实现对外界的温度进行实时测量，而斯托克斯光和反斯托克斯光可以组成拉曼散射光，并且反斯托克斯光对温度存在一定的影响，斯托克斯光对温度毫无影响。由DTS解调设备接受到的两种光的反射光强关系，可得到某一点的温度。利用光时域反射技术(OTDR)，测量入射光与反射光之间的时间间隔，得到该点的位置信息。

加热系统包括硅橡胶加热带8，硅橡胶加热带8连接有恒温器11，恒温器11连接有交流电源12；土石坝断面模型13由砂石颗粒堆积形成，硅橡胶加热带8缠绕在塑料棒17上，塑料棒17竖直埋设于土石坝端面模型13中间。

供水系统包括进水管1和水闸3，水闸3将模型槽14底部分隔成左右两部分，通过调节水闸位置和开度，保证土石坝断面模型上游蓄水时，水面保持平稳上升。进水管1设置于模型槽14左侧顶部，土石坝断面模型13设置于模型槽14右侧，水闸3与土石坝断面模型13之间设置有挡水板2，挡水板2固定在模型槽14内壁顶部，挡水板2底部与模型槽14底面留有间隙。模型槽14靠近进水管1的一侧底部设置有出水口a4，用于调节坝前水位，相对的另一侧底部设置有出水口b7，用于测量渗流量，出水口a4和出水口b7上分别安装有水阀。

当土工膜破损发生渗漏时，水流会改变渗漏点处及渗流路径上的光纤温度，DTS解调设备能通过光时域反射技术可将温度改变处的位置信息传输到主控机上，通过拉曼散射的温度效应可将温度信息也传输到主控机上，因此，能够通过监测光纤上各点的温度变化，反演得到土工膜破损发生的部位及渗漏路径。

本发明一种基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在土石坝断面模型13靠近上游的一侧上设置土工膜5，在土工膜5表面和土石坝断面模型13内部设置光纤6，光纤6缠绕在PVC管上，光纤6的一部分呈“S”形设置在土工膜5上，其余部分分层布设在土石坝断面模型13内部，底层的光纤6靠近土石坝断面模型13底部，顶层的光纤6靠近土石坝断面模型13顶部，土工膜5顶部的光纤6的起始点为光纤测量起始点16，光纤6顶端端部与DTS解调设备9连接，DTS解调设备9与工控机10相连，工控机10连接有电源；

步骤2：将硅橡胶加热带8缠绕在塑料棒17上，硅橡胶加热带8连接有恒温器11和交流电源12，将塑料棒竖直埋设在土石坝断面模型13中央；

步骤3：通过进水管1向模型槽14内注水，开启土石坝断面模型13上游的水闸3，在土石坝断面模型13上游的水位达到预设水位后，关闭水闸3，使得土石坝断面模型形成该水位下的稳定渗流场；

步骤4：采用硅橡胶加热带8对土石坝断面模型13进行加热，光纤6温度随土石坝断面模型13温度上升，加热到85℃温度后，断开硅橡胶加热带8的交流电源12，使光纤6自然降温；

步骤5：采用工控机10记录并显示光纤6自然降温过程中的温度变化过程；记录温度变化幅度最大的光纤6点，推测出光纤点对应的土工膜5位置，即为土工膜5的破损位置；

稳定时期布设的光纤温度基本没有任何变化，但当土工膜一旦开始发生破损时，土工膜上布设的光纤有一部分温度突然下降，说明该段光纤所处的位置为土工膜破损处，并且温降越大的点，就是离破损处越近的点，土工膜破损点位置为距离光纤初始端为6.4m处左右；

过了一段时间，土石坝断面模型中底部铺的光纤也有一部分温度发生突降，说明土工膜的破损导致砂性土石坝断面模型内部发生渗漏，温降越大的点，就是发生渗漏越显著的地方，土石坝断面模型内部发生渗漏的位置大致距离光纤布设初始端为21.5m左右；后期，底部光纤的温度集中下降，该段布设发生渗漏的位置大致距离光纤布设初始端为42m左右，说明土工膜破损使砂性土石坝断面模型内部产生渗漏通道；

根据渗漏位置选取两个相对应的光纤点作为测点1和测点2，记录光纤点的温度T_S，测量土石坝断面模型13周围的水流温度T_f，则该光纤点处土工膜的渗漏量Q_对流为：

式中：Q_v为光纤和水流之间的对流热，Q_d为水流由于热传导传递的热量，A_a为光纤和水流之间的换热面积即光纤的外表面积，本实施例中为0.785m，h为换热系数(300～500W/m²·k)，T_s为光纤表面的温度，T_f为水流温度，λ_w为水的导热系数，具体为0.62W/m·k，T为水流传导过程中的瞬时温度，x为水的传热距离。

通过上式可拟合出测点1和测点2对应的渗漏量Q_对流分别为1.34cm³/s、1.31cm³/s；为检验本发明监测方法的实用效果，对测点1和测点2处的渗漏量进行实际测量，测量结果如表1所示，从该表中可看出，本发明基于分布式光纤的土工膜破损渗漏量监测方法拟合出的渗漏量与实际测量结果相差较小，准确度较高，可用于实际测量中。

表1

	拟合渗流量，cm<sup>3</sup>/s	实测渗流量，cm<sup>3</sup>/s
			测点1	1.34	1.41
测点2	1.31	1.40