[發(fā)明專利]一種土石壩浸潤線監(jiān)測的分布式光纖傳感技術與系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610068583.0
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN105698897A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發(fā)明（設計）人: 劉浩吾;孫曼;陳江;王琛;唐天國;張元澤
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學
• 主分類號: G01F23/22
• 分類號: G01F23/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種土石壩浸潤線監(jiān)測的分布式光纖傳感技術型式及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)當?shù)? 材料堤壩-尤其高土石壩浸潤線及其壩基防滲帷幕地下水位的高效可靠的實時在線遙測。

背景技術

土石壩的浸潤線監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的一個重要項目，據(jù)此掌握大壩運行期的滲 流狀態(tài)及其時空演化趨勢，對于評價土石壩的工作狀況和安全狀態(tài)、對于預判是否會面臨 滲漏事故的潛在風險，具有重要意義。現(xiàn)用的測壓管、滲壓計等常規(guī)設備，屬于單點式監(jiān)測， 具有釆集信息量少、難以捕捉到事故的早期信號、可靠耐久性差強人意、測壓管易堵且滯 后、人工操作多等缺點。

近年來，大壩安全監(jiān)測領域開始關注研發(fā)運用光纖傳感以監(jiān)測土石壩浸潤線的方 法。基于溫度示蹤方法，通過電加熱光纖，觀測浸潤線處的光纖溫升量的突變，據(jù)此實現(xiàn)對 浸潤線的定位。國家發(fā)明專利“一種基于分布式光纖測溫系統(tǒng)的土石堤壩浸潤線監(jiān)測方法” （公開號CN103353322A），提出了采用拉曼型DTS系統(tǒng)進行溫度觀測，其傳感光纖釆用垂直 向-直線形、埋設在壩體中，從壩底豎直向一直延伸到接近壩頂和下游壩坡，用U形折返、數(shù) 個波次覆蓋壩寬。其優(yōu)選實例給出的含水率8.5%土料的加熱溫升，為2~8oC。

從工程實用的角度考量，該方法的問題主要有三：

（1）光纖存活率保障困難：垂向布置致使光纖敷設過程相當漫長，幾乎與大壩填筑期一 樣，在高壩工程要歷時數(shù)年，光纖經(jīng)歷百余個填筑層的運土-壓實作業(yè)的“磨難”，時時有損 壞風險；斷纖融接頭過多，不利于光信號質(zhì)量。總之，光纖現(xiàn)場保護難度大，嚴重威脅其存活 率。眾知，光纖存活率是光纖傳感在大型工程應用中最為棘手的問題。

（2）對大壩施工有干擾：在壩長范圍內(nèi)需布置多個監(jiān)測斷面，每斷面上有多個光纖 與填筑面相交，光纖敷設作業(yè)會干擾施工，這在心墻型高土石壩尤其明顯。

（3）系統(tǒng)信噪比偏低：拉曼散射光強極弱（比瑞利散射小1000倍^［1］），這限制了它的 空間分辨率為米級（0.5-1m）。這對于光纖-浸潤線相交點這種溫度突變處的觀測特別不利， 因為在分辨率范圍內(nèi)溫度效應會被平均化、誤差增大。拉曼型解調(diào)儀量程大而精準度（±1o C）不夠理想，對于浸潤線這樣一種溫度梯度較高的區(qū)域，其空間分辨率范圍內(nèi)的平均化效 應，更增加了誤差源。再結(jié)合上述光纖溫升僅為2~8oC的量級，導致全系統(tǒng)的信噪比（SNR）偏 低，以至于有效信號常受到強噪聲干擾。故拉曼型DTS傳感系統(tǒng)難以適用于高壩的狹小局部 溫度突變-精度要求又高的場合。

可見，拉曼光纖測溫的通常產(chǎn)品對于高壩滲漏早期征兆捕捉的高要求而言，其SNR 偏低，實用性尚不理想。SNR低時觀測量“極易被觀測誤差所掩蓋”^［2］。

主要參考文獻：

[1]祝寧華等，光纖光學前沿.科學出版社.

[2]魏德榮等.電力行業(yè)標準DJ/T5078-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》修訂介紹. 大壩與安全，2003年6期.

發(fā)明內(nèi)容

綜上可見，現(xiàn)提出的拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)對于土石壩浸潤線監(jiān)測尚缺乏工 程應用價值。

本發(fā)明具體提供了基于高精度的布里淵系統(tǒng)/布里淵—瑞利合成系統(tǒng)的高SNR分 布式光纖傳感監(jiān)測的技術及系統(tǒng)，技術方案如下：

技術方案

（一）技術方案所依據(jù)的科學原理

（1）光纖光學原理：在光纖光學領域的布里淵散射理論表明，布里淵散射光頻移取決于 光纖應變和溫度，故通過測量布里淵頻移就可測定光纖應變和溫度，經(jīng)二者解耦可得光纖 沿程的溫度分布。

高精度的PPP-BOTDA（預脈沖布里淵光時域解調(diào)儀），其脈沖最小寬度達0.2ns，空 間分變率達2~10cm、溫度精度0.1~0.35oC。高精度的布里淵-瑞利合成系統(tǒng)（Hybrid Brillioun-Rayleighsystem）近期業(yè)已產(chǎn)品化，具備類似的分辨率和精度，還可實現(xiàn)溫度- 應變二參量的自動解耦^［3、4］。這些為提高系統(tǒng)的信噪比、增強溫度觀測數(shù)據(jù)的可靠性提供了 亟有利條件。