一種砼面板壩滲漏監(jiān)測的分布式光纖傳感技術(shù)方案與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種砼面板堆石壩周邊縫-垂直縫和面板破損區(qū)滲漏監(jiān)測的分布式光纖傳感技術(shù)型式及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對砼面板壩工程滲漏的大范圍實(shí)時(shí)在線遙測。
【背景技術(shù)】
[0002]眾知，國內(nèi)外面板堆石壩潰壩和重大事故的首要禍根在于集中滲漏。最高的面板壩潰壩即我國溝后面板壩，就是由滲漏所致。三板溪、株樹橋等面板壩的嚴(yán)重漏水事故，導(dǎo)致放空水庫進(jìn)行修復(fù)。周邊縫-垂直縫漏水和面板損壞區(qū)漏水事故，隱蔽性強(qiáng)、時(shí)空隨機(jī)性高。常規(guī)的點(diǎn)式監(jiān)測設(shè)備對其早期征兆的監(jiān)測無能為力，經(jīng)常成為安全監(jiān)測的空白區(qū)。
[0003]故近年國內(nèi)外都關(guān)注研發(fā)光纖傳感監(jiān)測?；跍囟仁聚櫡绞?，通過光纖監(jiān)測由集中滲漏造成的溫度分布異常，包括梯度法和加熱法，以識別滲漏出現(xiàn)并定位。毛里求斯Midlands瀝青輪面板壩高30m，在面板與地基輪防滲墻連接處，鋪設(shè)長2850m光纖，電熱溫升值約為2.5°C[1]。國內(nèi)，2001年首次將加熱法拉曼型光纖測滲傳感DTS用于廣東長調(diào)面板壩周邊縫滲漏監(jiān)測[2]。湖北水布埡面板壩周邊縫滲漏監(jiān)測，采用了加熱法準(zhǔn)分布式FBG(光纖布拉格光柵)系統(tǒng)[3]。
[0004]在面板壩領(lǐng)域里，上述長調(diào)面板壩光纖加熱后，溫升多為2?5°C，而有6處溫升為1.6?2°C，依此判定為滲漏點(diǎn)。但事實(shí)上，同次測量中，鄰近點(diǎn)的溫度上下跳動4°C以上者，達(dá)20處以上。這表明:DTS光解調(diào)儀-光電復(fù)合纜構(gòu)成的加熱法光纖測滲系統(tǒng)的總體性能的缺陷，集中體現(xiàn)在其SNR(系統(tǒng)信噪比)偏低，對滲漏的識別缺乏可靠性、可信性。簡言之，問題是:I)電熱能量偏小，無滲漏溫升僅約2?5°C的量級；2)拉曼光纖傳感的光學(xué)解調(diào)儀不完全適用于高壩的小局部溫度突變-精度要求高的場合。其解調(diào)儀的溫度測量精度為±1°C，特別是拉曼散射光強(qiáng)很弱(比瑞利散射小1000倍)，這限制了它的空間分辨率為米級(0.5-lm)，這對于滲漏降溫這種陡谷分布的觀測特別不利，在分辨率范圍內(nèi)溫度效應(yīng)會平均化、增大誤差。
[0005]光纖傳感系統(tǒng)的測溫精度“本質(zhì)上由系統(tǒng)的信噪比決定”[3]，當(dāng)SNR低時(shí)，溫度異常這一人們要捕捉的信號“極易被觀測誤差所掩蓋” [4]。關(guān)于大壩監(jiān)測誤差與監(jiān)測參量的相對關(guān)系，最相近的相關(guān)規(guī)定是:國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5178—2003《砼壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》針對變形監(jiān)測的規(guī)定為“要測定出大壩一般變形規(guī)律，監(jiān)測值的誤差應(yīng)遠(yuǎn)小于變形量”。國際測量工作者聯(lián)合會(FIG)變形觀測組提出“監(jiān)測值的誤差型小于變形量的1/10?1/20?！睋?jù)此，則加熱法滲漏監(jiān)測的溫度誤差應(yīng)小于滲漏生成的溫升異常(背境溫升與滲漏區(qū)溫升之差)的1/10?1/20。簡言之，溫升異常需比測溫誤差高I個數(shù)量級。
[0006]水布埡面板壩周邊縫滲漏監(jiān)測釆用加熱法準(zhǔn)分布式FBG(光纖布拉格光柵)系統(tǒng)，施工期加熱溫升平均5°(:[5]。但文獻(xiàn)[6]報(bào)導(dǎo)的蓄水后加熱溫升為5.3°022.3°(:、平均11.30C，由監(jiān)測得出的結(jié)論竟是低溫升點(diǎn)為“地下濕度大”。須知，該壩的監(jiān)測項(xiàng)目是“周邊縫滲漏”，而“地下濕度”并非大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目。綜合表明，加熱FBG測周邊縫漏水迄今尚未得到合理可靠的成果。
[0007]主要文獻(xiàn):[1]M.Aufleger at el.砼面板堆石壩的分布式纖維光學(xué)溫度監(jiān)控.現(xiàn)代堆石壩一2009，中國昆明，2009，pp569-573.[2]秦一濤等.分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)在長調(diào)水電站的應(yīng)用實(shí)踐，大壩與安全，2004年I期pp45-48.[3]張?jiān)谛?分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的研究進(jìn)展.中國激光，2010年11期??2749-2761.[4]魏德榮等.電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)D J/T5078-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》修訂介紹.大壩與安全，2003年6期[5]季凡等.水布埡大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)與新儀器應(yīng)用.人民長江，2007年7期.[4]祝寧華等.光纖光學(xué)前沿.科學(xué)出版社.[6]TA0 Jun et al.Applicat1n on seepage monitoring bymult1-point optical fiber grating temperature measurement system,Second Int.Symposium on Informat1n Sc1.& Eng.2009IEEE DOI 10.1109/1SISE.2009.1120

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]綜上可見在面板壩領(lǐng)域，現(xiàn)用于周邊縫滲漏監(jiān)測的加熱法拉曼光纖傳感和FBG系統(tǒng)的信噪比偏低，對高面板壩沿縫滲漏監(jiān)測的有效性尚差強(qiáng)人意。
[0009]本發(fā)明提供一種基于高信噪比的加熱法分布式光纖傳感滲漏監(jiān)測技術(shù)方案，旨在適用于面板壩周邊縫-垂向縫漏水以及砼面板破損區(qū)漏水監(jiān)測的分布式實(shí)時(shí)在線遙測。
[0010]技術(shù)方案
(一)技術(shù)方案所依據(jù)的科學(xué)原理
(I)光纖光學(xué)原理:據(jù)光纖光學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，光纖光波導(dǎo)的三種本征散射都對溫度敏感，各自特有的光學(xué)參量成為環(huán)境溫度的信息載體如下[7~8]:1)拉曼(Raman)散射光一拉曼散射光的反斯托克斯與斯托克斯的光強(qiáng)比與溫度呈正相關(guān)。拉曼光纖溫度傳感研發(fā)早，在火災(zāi)等監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，但對于大壩測漏這種狹小區(qū)位溫度突變而又要求高精度的特定場合，顯得精準(zhǔn)度有所欠缺。
[0011]2)布里淵(Bri I louin)散射光一布里淵增益譜峰值的頻移與溫度及應(yīng)變增量線性相關(guān)，基本關(guān)系式為:Avb = CnAe+ Ci2AT，式中，Avb為布里淵增益譜頻移，Λε為應(yīng)變增量，AT為溫度增量，C11為布里淵應(yīng)變-頻率系數(shù)，C12為布里淵溫度-頻率系數(shù)。通過測量布里淵頻移就可測定光纖應(yīng)變和溫度，經(jīng)解耦可得光纖沿程的溫度分布。新型的預(yù)脈沖(Pulse-Pre-Pump)布里淵光時(shí)域分析儀PPP-B0TDA，其脈沖最小寬度達(dá)0.2ns，空間分變率達(dá)2~10cm、溫度精度0.35 °C。
[0012]3)瑞利(Rayleigh)散射光一光纖纖芯在拉制過程中生成的殘留應(yīng)變所產(chǎn)生的瑞利后向散射光，其頻移與溫度和應(yīng)變增量線性相關(guān)，其基本關(guān)系式為:Avr = 02ιΔε+ C22AT，式中，Avr為瑞利散射光頻移，C21為瑞利應(yīng)變-頻率系數(shù)，C22為瑞利溫度-頻率系數(shù)。布里淵-瑞利合成系統(tǒng)(Hybrid Brill1un-Rayleigh system)近期業(yè)已產(chǎn)品化一TW-C0TDR(諧調(diào)波長相干光時(shí)域反射儀)，工作性能與上述PPP-B0TDA相當(dāng)，且可實(shí)現(xiàn)溫度-應(yīng)變的自動解耦[7、8]。這些為提高系統(tǒng)的信噪比、增強(qiáng)溫度觀測數(shù)據(jù)的可靠性提供了極有利條件。
[0013]拉曼型光纖系統(tǒng)用于面板壩滲漏的不足已如上述，但其光學(xué)解調(diào)儀相對經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用較為多見，為揚(yáng)長補(bǔ)短，本發(fā)明提供一種提高光纖測滲的系統(tǒng)信噪比的技術(shù)途徑一強(qiáng)化加熱，旨在顯著放大漏水的有效信號(漏水區(qū)溫升)與背景溫升(非漏區(qū)溫升)的差異，以強(qiáng)化異常溫升與正常溫升狀態(tài)的對比度，從而把該有效信號從背境噪聲中識別出來。
[0014](2)滲流-溫度雙場耦合原理:當(dāng)光電復(fù)合纜通電加熱時(shí)，光纖鄰域溫度場由傳導(dǎo)散熱所控制，生成非滲漏區(qū)溫升，即監(jiān)測系統(tǒng)的背景溫升；當(dāng)滲漏發(fā)生時(shí)，滲漏水外掠光纖，這時(shí)溫度場主要由對流散熱所控制，水流速愈大，電熱溫升愈小，由該異常溫升的分布可確定滲漏的部位、范圍。兩種溫升的差值是滲漏強(qiáng)度和流速的函數(shù)，經(jīng)反演可概略定量識別滲漏強(qiáng)度和流速大小、判斷滲漏的演化發(fā)展趨勢。
[0015]主要文獻(xiàn):[7]SylvieDelepine-Lesille et al.Validat1n of Cff-COTDRmethod for 25km distributed optical fiber sensing, Proc.0f SPIE Vol.8794879438-1.[8]K.Kishida et al.Study of optical fiber strain-temperaturesensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system, Photonic Sensors,DO1:10.1007/sl3320-013-0136-l.(二)系統(tǒng)組成
如圖1所示