基于光纖光柵原理的一維圓筒滲透模型試驗研究

田振華，劉發(fā)智，張術(shù)彬，韓 雷

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于光纖光柵原理的一維圓筒滲透模型試驗研究

田振華，劉發(fā)智，張術(shù)彬，韓 雷

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

采用先進的光纖光柵傳感技術(shù)，對經(jīng)典的一維圓筒滲透模型進行了滲流場與溫度場的監(jiān)測，研究了滲流發(fā)生過程中介質(zhì)的溫度變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：相同滲流水溫時，隨著滲流量的增加，滲透發(fā)生前后，介質(zhì)溫差相應增大，其增大值基本呈線性增大；隨著滲流水溫的增加，滲透發(fā)生前后，介質(zhì)溫差明顯增大，其最大溫差值為5.06 ℃。

光纖光柵；圓筒模型；滲流；溫度

資料[1]表明，滲流破壞導致垮壩事故約占土石壩事故總數(shù)的30%～40%。對土石壩滲透破壞的研究由來已久，隨著科技的發(fā)展及監(jiān)測手段的提高，對土石壩滲透過程的監(jiān)測逐漸由傳統(tǒng)、常規(guī)的監(jiān)測方法，比如測壓管、滲壓計、滲流量等，向電法、高密度電阻率法、自然電位法、激發(fā)極化法、示蹤法、流場法、彈性波法、遙感法，及影像學法等轉(zhuǎn)移過渡[2]。近年來隨著光纖傳感技術(shù)在各領(lǐng)域的應用與發(fā)展，已廣泛應用于土石壩滲流安全監(jiān)測領(lǐng)域[3]。采用光纖光柵系統(tǒng)測量溫度除具有普通光纖傳感器的優(yōu)點如防燃、防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾、耐高壓、長距離、能實現(xiàn)實時快速測溫并定位外，還具有其獨特的優(yōu)點:①傳感信號是波長調(diào)制，測量信號不受光強波動的影響；②具有自參考點，測量的是絕對值；③更容易采用復用傳感技術(shù)；④光柵直接寫入纖芯，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好及插入損耗低，易于實現(xiàn)一維光子集成，無需研磨工藝和對準工藝[4]。本試驗研究旨在采用光纖光柵傳感測溫技術(shù)，通過模擬一維圓筒滲流過程，探求滲流過程中介質(zhì)的溫度場變化，為土石壩滲流安全監(jiān)測預警提供必要的技術(shù)支持。

1 光纖光柵測溫系統(tǒng)與原理

光纖光柵測溫系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器和信號解調(diào)系統(tǒng)等組成。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應外界被測量的信息，外界被測量的信息通過信號解調(diào)系統(tǒng)實時地反映出來[5]。

光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)為沿纖芯折射率周期性的調(diào)制，所謂調(diào)制就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光柵。

光柵對入射的寬帶光進行選擇性的反射，反射一個中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，中心波長為布拉格波長λB，其余的透射光則不受影響，這樣光纖光柵就對光波進行了選擇。如果光柵處的溫度發(fā)生變化，光柵的折射率neff會相應改變，由于熱脹冷縮，光柵條紋周期Λ也會跟隨溫度變化，從而導致光柵布拉格波長λB的漂移。漂移的幅度和溫度的改變量呈線性關(guān)系[6]。

ΔλB=(α+ζ)ΔTλB

(1)

這樣通過監(jiān)測光柵反射光的波長變化，就可以知道光柵處的溫度變化。光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)框架如圖1所示。

光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)中，一根光纖上串接多個光柵(如圖1所示各測點)，寬帶光源所發(fā)射的寬帶光經(jīng)Y型分路器通過所有的光柵，每個光柵反射不同中心波長的光，反射光經(jīng)Y型分路器的另一端口耦合進光纖光柵感溫探測信號處理器。通過光纖光柵感溫探測信號處理器探測反射光的波長及變化，就可以得到解調(diào)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過式(1)處理，就得到對應各個光柵處環(huán)境的實際溫度。

圖1 光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)框架圖

2 一維圓筒滲透模型試驗

2.1 試驗模型制作

試驗采用光纖光柵測溫系統(tǒng)自動采集溫度、測壓管測量滲透水頭及量筒測滲流量?；谶_西滲流理論，設計制作了可直觀反映滲透過程的圓筒模型。圓筒內(nèi)徑24 cm，介質(zhì)裝樣深度為60 cm，如圖2所示。裝置采用有機玻璃制作，裝置的主要部分是一個上端開口的圓筒，筒中預裝本試驗滲透介質(zhì)(細砂)，其上有輸水管、出水管、排水管，筒的側(cè)壁裝有測壓管，兩個測壓管分別設置在相距L=50 cm的兩個過水斷面1-1和2-2位置處，滲透水自圓筒的下部輸水管經(jīng)砂土滲透，滲透水由出水管排出，滲流量由量筒量取。

光纖沿圓筒軸向布設，如圖3所示，先自介質(zhì)頂層至介質(zhì)底層垂直布設一條，再在介質(zhì)底層彎折光纖垂直向上至介質(zhì)頂層布設第二條光纖，再在介質(zhì)頂層彎折向下布設第三條光纖，依此沿圓筒軸向共布設六條光纖，使得光纖在滲透介質(zhì)橫截面上沿圓周均勻分布6個測點。本試驗所監(jiān)測的有效光柵測溫點共計30個，分5層分別布設于滲透介質(zhì)圓柱體的10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm位置處，每一層有6個光柵測溫監(jiān)測點，本試驗為一維滲透模型，取每一層6個測點溫度的溫度平均值作為該截面介質(zhì)的溫度。通過秒表記錄滲流時間，由量筒量測滲流量繼而計算出平均滲流量。試驗全過程攝像記錄。

滲流用水由保溫水箱供給，水箱內(nèi)徑長寬高尺寸為60 cm×50 cm×70 cm，其供水水頭范圍為0～5 m。試驗中為減小環(huán)境對水箱內(nèi)及輸水管中水溫的影響，箱體四周采用苯板保溫，輸水管采用保溫棉纏裹。

試驗用滲透介質(zhì)選用細砂，其滲透性、孔隙率及級配曲線等物理力學參數(shù)由試驗測得。顆分曲線見圖4、基本性質(zhì)見表1。

表1 試驗用介質(zhì)物理力學參數(shù)

2.2 試驗過程及方案

本研究主要試驗步驟如下。

(1)率定光纖光柵測溫系統(tǒng)。使其測溫準確度及精度滿足《光纖溫度傳感器通用規(guī)范》(SJ 20832-2002)要求，并根據(jù)圖2所示試驗裝置及圖3所示布設方式，空間架立并固定光纖于滲透圓筒內(nèi)。

圖2 一維圓筒滲透試驗裝置示意圖

圖3 光纖光柵布設示意圖

圖4 試驗介質(zhì)(細砂)顆分曲線

(2)裝樣。預先在圖2所示濾網(wǎng)上放置一圓形無紡布，待介質(zhì)高度升至圓筒內(nèi)出水口截面時，在河砂上層覆蓋一圓形無紡布，其上壓一圓柱狀透水石。裝樣過程中每裝入5 cm深度，均勻振搗，裝樣過程中，保持光纖光柵的位置如圖3所示的空間位置不發(fā)生移動。

(3)測溫。量測滲透前滲流水溫、介質(zhì)溫度。

(4)注水。將恒溫水箱置于一定的高度，滿足水頭H=2.0 m。由調(diào)節(jié)閥控制流量，注水，監(jiān)測滲流過程中的測壓管水頭、溫度、流量等數(shù)據(jù)，滲流全過程由攝像機攝錄。

(5)停水。待兩個測壓管水位差保持穩(wěn)定，且單位時間內(nèi)的滲流量保持不變時，停止注水，試驗結(jié)束。

試驗中為了對比研究滲流發(fā)生前后溫度的改變，重復步驟(1)、(2)、(3)制作一個不發(fā)生滲透試驗的裝置，用于監(jiān)測未發(fā)生滲流時介質(zhì)的溫度。為避免滲透過程中介質(zhì)的溫度受外界的干擾，僅取介質(zhì)20 cm、30 cm、40 cm截面處所監(jiān)測溫度的平均值作為滲透發(fā)生時介質(zhì)溫度。

試驗采用細砂作為滲透介質(zhì)，所選滲流水溫分別為4 ℃、10 ℃、20 ℃、40 ℃，分別監(jiān)測不同水溫下的相同介質(zhì)發(fā)生滲透時的溫度場變化。試驗中時刻監(jiān)測供水水箱內(nèi)的水溫，保證其溫度變化不超過±0.5 ℃。

3 試驗結(jié)果分析

表2給出了各滲流水溫條件與不同滲流量組合時，滲透發(fā)生前后介質(zhì)溫差的變化值。從表2得出，在本試驗條件下發(fā)生滲透前后，介質(zhì)溫差變化范圍在0.25～5.06℃之間。當滲流水溫保持恒定時，隨著滲透流量的增大，其發(fā)生滲流前后溫度差也隨之增大，其趨勢基本呈線性增大，見圖5。滲透過程一旦發(fā)生，介質(zhì)溫度場與滲流水溫度場必相互作用，隨著滲透流量的增大，滲流速度逐漸增大，介質(zhì)的溫度場隨著滲流水的流入，兩場耦合熱交換的過程迅速被滲流水的溫度場所替代。在相同滲透流量作用下，隨著滲流水溫的升高，其介質(zhì)的溫度差也隨之增大，主要是由于滲流水的運動黏性主要受溫度的影響，隨著溫度的升高其黏度減小，流動性增大，其滲透速度也隨之增大，滲流水溫度場與介質(zhì)溫度場的耦合過程相對縮短，滲流水對介質(zhì)溫度的影響程度更加明顯。

表2 各工況滲透作用前后介質(zhì)溫差變化統(tǒng)計表

圖5 滲透流量與滲透介質(zhì)溫差關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

基于光纖光柵傳感測溫技術(shù)，研究了一維圓筒滲透模型在不同流量、不同水溫下發(fā)生滲流作用時介質(zhì)溫度的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)滲流水溫保持不變，隨著滲透流量的增大，滲透前后介質(zhì)溫差變化值亦隨之增大，其增大趨勢基本呈線性變化。相同滲透流量下，隨著滲流水溫的升高，滲透前后介質(zhì)溫差相應增大。

(2)滲流水溫是影響介質(zhì)溫度變化的主要影響因素，主要是由于隨著溫度的升高，水的運動黏度減小，介質(zhì)溫度場與滲流水溫度場耦合過程中，滲流水溫度場起主導作用。

[1] 孔祥言.高等滲流力學[M].第2版.合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2010.

[2] 吳玉龍.基于分布式光纖測溫技術(shù)的堤壩滲漏監(jiān)測研究[D].南京：南京理工大學，2014.

[3] 陶珺，穆磊，杜平.多點光纖光柵測溫系統(tǒng)在滲流監(jiān)測中的應用研究[J].量子電子學報，2010，27(6)：105-109.

[4] 林鈞岫，王文華，王小旭.光纖光柵傳感技術(shù)應用研究及其進展[J].大連理工大學學報，2014，44(11)：931-936.

[5] 龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術(shù)研究[D].濟南：山東大學，2014.

[6] 梅加純，姜德生，范典，等.基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的面板壩滲漏監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2005，24(9)：65-66.

Experimental study of one-dimensional cylinder seepage model based on the principle of fiber Bragg grating

TIAN Zhenhua, LIU Fazhi, ZHANG Shubin, HAN lei

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

By the advanced fiber Bragg grating sensor technology, the seepage field and temperature field were monitored to one-dimensional cylinder seepage model, some discipline which occurred in the process was produced. Conclusions: on the condition of same seepage water temperature, the temperature difference is enlarged sharply like a linear increase with the increase of seepage quality. And the maximum temperature difference before and after penetration is 5.06 ℃ with the rise of the seepage water temperature.

fiber Bragg grating; cylinder seepage model; penetration; temperature

黑龍江省財政廳科技專項(201302)

田振華(1983-)，男，工程師，主要從事水力學及河流動力學等方面的研究。E-mail:scorpiofield@163.com

TV139.16

A

2096-0506(2015)06-0019-05