基于分布式光纤传感原理的土石坝渗流监测探索

论文摘要

渗流监测是土石坝安全运行的保证,不仅可以为水库运行提供调度方案,还可以对大坝维护提供有针对性的依据。我国是拥有水库最多的国家,传统的渗流监测手段已远远不能适应现在自动化监测的需要,因此对土石坝渗流监测进行创新性,开拓性研究,具有重要的意义。随着光纤光谱分析理论的飞速发展,利用分布式光纤温度传感技术对土石坝进行渗流监测,已成为现阶段的研究热点与前沿科学问题。因此,探索分布式光纤温度传感技术在土石坝渗流监测领域的布局、转换理论、计算方程,对于水利工程建设和大坝安全保障都是十分必要的。本课题结合国家自然科学基金项目（51069003）利用拉曼光谱分析理论和光纤温度传感技术,对土石坝渗流监测进行了探索性的研究,研究路线设计为：模型建立、理论分析、试验验证等。主要研究内容包括以下几个方面：（1）土石坝温度场的变化特征与渗流模型。通过对比分析坝体稳定的温度场与发生明显渗流时坝体温度场的改变特征,结合多孔介质热传导和热对流理论,初步建立坝体变化的温度场与渗流场模型。（2）光纤拉曼（Raman）自发散射渗流监测模型。利用光纤拉曼自发散射原理和光时域反射技术（OTDR）,对坝体的温度进行实时监测。通过对坝体温度场变化特征的分析,对大坝的渗流状况（流速）作出初步判断。（3）强制加热光纤渗流监测模型。利用坝体固液两相与光纤之间的热传导和热对流,依据能量守恒定律,通过判断加热过程中,被加热光纤的温度变化来判断坝土特定部位的渗流状况（流速及其是否超标、渗透比降）。（4）温度场--渗流场的耦合关系验证。通过水槽渗流模型试验,对温度场变化特征反馈渗流场的理论进行对比分析,对上述理论成果进行验证。（5）分布式传感光纤坝内布局研究。主要探讨了传感光纤在坝体的布置方式、光纤-土工膜联合工作原理及其耦合布置方式。（6）渗流监测程序的编写。程序只提出自动化监测的思路,没有完整、系统的流程序。研究结果表明：分布式光纤温度传感原理用于土石坝渗流监测,具有干扰小、布置方便、测点随意、异常渗流反馈及时、监测精度满足需要等优势。随着研究的进一步深化,分布式光纤传感器及传感技术在水工监测领域的应用必将获得大规模拓展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 综述
• 1.2 项目的提出及研究价值
• 1.2.1 项目的提出
• 1.2.2 研究价值
• 1.3 土石坝渗流监测进展
• 1.3.1 传统监测方法及技术特点
• 1.3.2 渗流监测新技术进展
• 1.3.3 示踪法渗漏监测
• 1.3.4 渗流热监测研究进展
• 1.4 分布式光纤测温理论的渗流监测研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 论文研究主要内容
• 第二章 基于光纤测温理论的渗流监测研究
• 2.1 引言
• 2.2 温度与渗漏模型的建立
• 2.2.1 模型基本假定
• 2.2.2 土石坝坝体温度场
• 2.2.3 库水温度场
• 2.2.4 基于坝体温度场的渗漏模型
• 2.3 分布式光纤渗流监测研究
• 2.3.1 传热模型建立
• 2.3.2 拉曼自发散射渗流监测模型
• 2.3.3 强制加热光纤渗流监测模型
• 2.4 流速监测模型结论
• 2.5 渗流分析与温度监测耦合模型
• 2.5.1 土石坝的渗透变形的类型
• 2.5.2 渗透变形分析
• 2.5.3 渗流分析与光纤渗流监测模型耦合分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 温度场反馈渗流试验研究
• 3.1 温度测量系统及定位计算
• 3.1.1 光纤测温空间场定位
• 3.1.2 空间分辨率及空间定位精度
• 3.2 试验原理与目的
• 3.2.1 分布式光纤反馈渗流场
• 3.2.2 有色示踪剂失踪渗流场
• 3.3 试验方案与模型制作
• 3.3.1 模型制作
• 3.3.2 试验方案
• 3.3.3 试验过程
• 3.4 试验数据处理与结果分析
• 3.4.1 温度场变化及分析
• 3.4.2 渗流场变化及分析
• 3.4.3 温度场反馈渗流场分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 分布式光纤传感网络在大坝的布置研究
• 4.1 分布式光纤工程特性
• 4.1.1 传感特性
• 4.1.2 传感光纤物化特性
• 4.2 光纤在坝体的布置研究
• 4.2.1. 全坝分布式布置
• 4.2.2. 局部分布式布置
• 4.2.3 上下游坝坡分布式布置
• 4.2.4 防渗体分布式布置
• 4.3 关于光纤土工膜的探讨
• 4.3.1 光纤土工膜
• 4.3.2 铺设光纤土工膜
• 4.3.3 接通光谱传感器与设备的光路
• 4.3.4 建立坐标转换式
• 4.3.5 温度监测
• 4.4 光纤土工膜工作原理研究
• 4.4.1 反斯托克斯光强与温度
• 4.4.2 光的散射速度与光纤长度定位
• 4.4.3 光纤测温技术已经成熟
• 4.4.4 内置土工膜各测点的温度变化与集中渗漏显著关联
• 4.5 光纤土工膜病害定位研究
• 4.5.1 坐标设定
• i'>4.5.2 确定发生病害的土工膜的编号A_i
• 4.5.3. 病害的坐标确定
• 4.6 本章小结
• 第五章 土石坝渗漏预警机制探索
• 5.1 超标流速预警
• 5.2 自动化监测平台建立
• 5.3 自动化监测程序
• 5.3.1 程序简介
• 5.3.2 程序功能
• 5.3.3 程序运行
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A
• 附录B
• 附录C