[發(fā)明專利]一種分布式土體導熱系數(shù)測試系統(tǒng)及其測試方法

有效

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• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111624227B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設計）人: 顧凱;施斌;張博;魏廣慶;向伏林;魏壯;曹鼎峰
• 申請（專利權）人: 南京大學;蘇州南智傳感科技有限公司
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 馮尚杰

本發(fā)明公開了一種分布式土體導熱系數(shù)測試方法及其測試系統(tǒng)，測試方法包括以下步驟：將復合光纜埋設于待測土體中，所述復合光纜包括光纖及包覆所述光纖的熱電阻材料層；利用加熱控制模塊通過所述熱電阻材料層對所述待測土體加熱，利用光信號處理控制模塊持續(xù)采集地層的加熱溫度數(shù)據(jù)；利用光信號處理控制模塊對加熱溫度數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)導熱系數(shù)計算公式計算并輸出待測土體的不同深度的導熱系數(shù)，并繪制導熱系數(shù)與深度的曲線圖；本發(fā)明的測試系統(tǒng)體積小巧、便于攜帶，測試距離長，監(jiān)測更深范圍內(nèi)巖土體的溫度變化，測試效率高，測試結果誤差小，在較短的測試時間內(nèi)獲得精細化的地層導熱系數(shù)。

技術領域

本發(fā)明涉及地質(zhì)檢測技術領域，尤其涉及一種分布式土體導熱系數(shù)測試方法及其測試系統(tǒng)。

背景技術

巖土體的導熱系數(shù)是反映巖土體導熱性能的關鍵參數(shù)。獲取導熱系數(shù)一方面可以服務于淺層地溫能評價、地下工程、冷凍施工或凍融區(qū)地基設計等，另一方面還可以通過導熱系數(shù)間接計算土體含水率、地下水滲流、污染物轉(zhuǎn)移等參數(shù)。

獲取導熱系數(shù)的方法包括室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試。室內(nèi)試驗包括平板法和熱線法，現(xiàn)場測試為瞬態(tài)熱線法。對于瞬態(tài)熱線法，是在測試時將一根金屬絲(熱線)插入巖土體中，以恒定功率對熱線通電加熱，熱線溫度升高，向周圍的巖土體中傳遞熱量。熱線溫度升高速度的快慢與周圍巖土體的導熱能力有關，通過測量熱線溫升與時間的對應關系，即可得到巖土體的導熱系數(shù)。

對于熱線法以及相關衍生方法，其測試手段均是熱響應測試，即通過線熱源的溫度變化來計算周圍巖土體的導熱系數(shù)。根據(jù)熱線法計算導熱系數(shù)的計算公式可知，其需要滿足以下兩個假設條件：線熱源的半徑足夠小；測試獲得的溫度為線熱源的溫度。因此，線熱源和溫度傳感器的性能對巖土體導熱系數(shù)的計算十分重要。

在地溫能的研究領域中，最成熟的熱響應測試方法是現(xiàn)場熱響應測試 (ThermalResponse Test，TRT)，其原理是通過水作為傳熱介質(zhì)在換能管中循環(huán)，在一定的放熱量或取熱量下，連續(xù)記錄換能管進出口的水溫度，并根據(jù)溫度隨時間變化的規(guī)律推知巖土體導熱系數(shù)。然而，TRT只能得到鉆孔處地層總的熱物性參數(shù)，無法獲得多個地層獨立的導熱系數(shù)。因此，TRT無法確定每一土層的導熱系數(shù)，進而無法分析各土層在含水率、滲流、溫度場等因素不斷變化條件下的換熱能力，無法定量分析不同因素對土體換熱能力的影響。此外，TRT 存在測試設備體積較大不便攜帶、測試要求高、步驟繁瑣、耗時長等問題。

為了解決上述問題，在TRT方法的基礎上，一些測試方法將溫度傳感器(如傳統(tǒng)溫度計或測溫光纜)附著于換能管之上，進而獲得不同深度地層的熱物性參數(shù)。其中，將分布式光纖測溫與TRT結合的方法稱為分布式熱響應測試 (Distributed Thermal ResponseTest，DTRT)。DTRT在現(xiàn)有的換能管的不同深度上布置溫度傳感器(如點式傳感器或者分布式傳感器)，從而獲得不同深度的溫度變化數(shù)據(jù)，進而可以計算得到不同深度巖土體的導熱系數(shù)。該方法雖然克服了TRT僅能反映整個鉆孔的導熱性質(zhì)的平均水平的主要缺點，但是其測試原理和測試設備沒有改變，仍然存在測試設備體積較大不便攜帶、測試要求高、步驟繁瑣、耗時長等問題。

此外，TRT和DTRT的熱源均是以水為載體，其比熱容大且循環(huán)的模式會造成整個換能管加熱功率不均勻的問題。為了解決上述問題，出現(xiàn)了一些非水熱源的測試方法，如將一根電纜單獨作為熱源和測溫光纜進行組合，如電纜和測溫光纜分別放在換能管中、電纜和測溫光纜簡單組合后綁在換能管上、鉆頭牽引直接埋在地層中等。但是仍然沒有一個統(tǒng)一且有效的獲取導熱系數(shù)的方法。