采用分布式光纖傳感技術的土壩模型滲漏監測分析

朱萍玉，蔣桂林，冷元寶

(1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006;2.黃河水利科學研究院，鄭州 450003;3.湖南科技大學機電工程學院，湖南 湘潭 411201)

采用分布式光纖傳感技術的土壩模型滲漏監測分析

朱萍玉1，2，蔣桂林3，冷元寶2

(1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006;2.黃河水利科學研究院，鄭州 450003;3.湖南科技大學機電工程學院，湖南 湘潭 411201)

建立了采用分布式光纖傳感技術的模擬堤壩滲漏監測系統，用來人工模擬土壩滲漏，并得到該種情況下測試光纖長度上的應變圖，驗證了采用分布式光纖傳感技術監測土壩的可行性;運用ANSYS軟件建立與試驗模型相對應的有限元分析模型，通過選擇合適單元，簡化邊界條件，對一定的工況進行加載分析，得出載荷與應變的關系，以及載荷與塌陷土層重量的關系。文中方法和結論有助于進一步定量研究土壩滲漏大小程度和光纖傳感器的合適埋設深度。

光纖傳感技術;土壩模型;監測;應變;ANSYS

1 前言

目前，我國堤壩眾多，且很多屬于土石壩，黃河堤壩則是其中的典型代表。黃河歷來水少沙多，致使河床不斷升高，并形成“懸河”或“多級懸河”，近年來修建的險工和控導(護灘)工程旨在對河道進行整治，保護有生命保障線和防洪保障線之稱的黃河大堤。然而，這些土石壩基礎較差，當洪水沖刷來臨時，易發生根石走失和坍塌，如險情發現較遲而導致搶險物料投入不及時，則會造成壩身土胎外露，土體迅速被水流帶走，使險情惡化。因此，對堤壩安全的監測和預警顯得尤為重要［1，2］。

光纖對于外界溫度和應力變化敏感，使得光纖越來越多地被用作監測溫度和應力變化的傳感器而埋設于各種介質中。國外已有將光纖埋設于堤壩中監測堤壩滲漏情況方面的應用，國內亦逐漸開始注重光纖傳感技術在這方面的研發工作。光纖實際應用的前提是準確地掌握其相關性能，目前對于光纖的光性能分析，大多數研究集中在對裸光纖的直接拉伸應變性能分析。而光纖應用于監測堤壩的形變和滲漏時，光纖與周邊松散介質的隨動性將影響光纖傳感器反應土層沉降而產生的應力應變［3］。因此沉降應力與光纖應變之間的關系以及光纖應變與被監測土壩的沉降程度之間關系的確定，直接影響光纖在實際應用中的標定。

2 光纖監測模擬堤壩滲漏實驗

在采用分布式光纖傳感技術監測堤壩滲漏隱患時，滲漏發生的判據可借助溫度和應變兩個物理量，而實際滲漏發生時和加劇過程中的信號變化受具體邊界條件影響。堤壩滲漏模擬實驗采用黃河堤防原土建立堤壩模型，監測系統的分布式光纖傳感器分為四層布設［4］，如圖1所示，研究采用分布式光纖傳感技術實時監測模擬堤壩滲漏的可行性、可靠性以及應變信號特征。

圖1 采用分布式光纖傳感技術監測土堤壩模型滲漏和沉降的系統Fig.1 A monitoring system of seepage and settlement for an earth embankment dam model using fully distributed optical fiber sensing technology

模擬系統包括水箱、水泵、流量控制閥、土堤壩模型、光纖、DiTeSt－STA202分析儀及其分析軟件和附件?？紤]到分析儀的空間分辨率為0.5 m，土堤壩模型尺寸建為2 m×1.2 m×1 m。預埋管道拔出后在壩體內形成模擬的滲流通道，水箱中的水通過通道滲漏流經壩體，模擬滲漏發生。流量控制閥控制水流大小，以模擬不同的滲漏程度。滲流進水口和出水口布置在模擬堤壩的中間，進水口距離底部0.8 m，出水口距離底部0.25 m。在距離模擬堤壩尾端開始鋪設傳感光纖，下面兩層光纖間距為0.1 m，從堤壩底部起的第三層和第四層之間的光纖間距為0.05 m。信號由分布式光纖傳感分析儀DiTeSt－STA202采集，并通過自帶軟件對信號進行前處理，定量給出標定后的光纖段上應變變化信息，本實驗關注有明顯變化的光纖段39.25～41.00 m。

3 實驗結果

圖2為大流量下堤壩模型發生塌陷后的外觀圖，在滲漏通道的出溢口附近發生了深度沉降和塌陷，該處的土層較之滲流通道的其他段更厚重。

圖2 模擬土堤壩塌陷外觀圖Fig.2 The appearance of soil collapse of the earth embankment dam model

圖3為應用DiTeSt－STA202分析儀在堤壩模型發生滲漏前后掃描5次所得的應變圖，data1～data5分別表示光纖整個長度上5次掃描的光纖應變曲線。由圖可知，光纖在標定的40 m處附近，應變出現了大的變化，應變最大值達400微應變，其他位置的光纖應變只出現微變。根據光纖埋設的布局和標定可得，40 m附近正是沉降發生位置的正下方光纖段，實驗結果較好地證明了采用分布式光纖傳感系統監測土堤壩滲漏的可行性。

圖3 光纖傳感器監測模擬滲漏的應變曲線Fig.3 The strain curve of optic fiber sensors to monitor simulant seepages

4 基于ANSYS的模擬土堤壩模型及分析

4.1 基于ANSYS的模擬土堤壩模型

盡管實驗證明光纖傳感器能夠監測堤壩由于滲漏而導致的沉降，但對于堤壩沉降的大小程度還不能準確地進行定量判斷。本文充分利用ANSYS軟件方便模擬加載的優勢，建立模擬堤壩模型，并對邊界條件適當簡化，結合實驗結果合理加載，定量分析了堤壩模型沉降大小和光纖應變之間的關系。在ANSYS軟件界面建立與實際實驗尺寸相同的堤壩模型，并進行網格劃分，如圖4所示，(a)為整個模擬堤壩模型的網格劃分示意圖，(b)為光纖的網格劃分示意圖，(c)為模擬堤壩模型與光纖網格接觸處的放大細節圖。

由于土壤層的力學性能很難把握，土體的應力應變關系呈現為復雜的彈塑性本構關系［5］，但是光纖的應變監測在大沉降發生之前，光纖和土層的變形均不大，故假定土壩發生大沉降之前，土體和光纖均呈現線性變化。利用可構造三維實體結構的SOLID45單元的性質構造模擬土堤壩的三維實體結構模型，每個單元通過8個節點定義，每個節點分別有沿著x、y和z 3個方向平移的自由度。假定定義的單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力。由于BEAM188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響，因此非常適合用于建立堤壩模型中的光纖。BEAM188是三維線性(2節點)或者二次梁單元，每個節點有6個或者7個自由度。在不考慮橫截面子模型的基礎上，BEAM188支持彈性、蠕變和塑性模型，允許改變橫截面慣性屬性來實現軸向伸長的功能。默認情況下，通過截面面積的改變使得單元的體積變形后仍不變化，這種默認的值對于彈塑性應用是適用的。理論分析中，模擬土堤壩模型和光纖的各參數值如表1所示［6，7］。

圖4 模擬土堤壩網格模型Fig.4 Mesh model of the earth embankment dam model

表1 基本參數值表Table 1 The basic parameters

4.2 工況及邊界條件的分析與簡化

由于光纖的尺寸足夠小，光纖埋設于堤壩中不會改變堤壩的強度，埋入堤壩中的光纖發生變形時隨周圍土層的形變而發生變形，與周圍接觸土層之間未發生大的相對摩擦，即光纖與周圍土層可視為一個整體，但光纖的材料和單元與堤壩土體不一樣，分析時分別建立了土層和光纖的模型，并設置了相應的參數。由于模型壩采用的SOLID45和光纖單元BEAM188節點不相容，因此，實施模擬運算前對兩個單元接觸面節點進行了節點耦合。

一般光纖所受的壓力隨滲漏發生的大小程度而變化，滲漏程度越嚴重，光纖所受來自塌陷土層的壓力將越大。當滲漏逐漸嚴重甚至發生塌陷時，光纖會在急劇塌陷的土層作用下發生大的變形。實驗中發生大流量時，滲漏通道上的土層最厚處發生了塌陷，即在出溢點附近的土體出現了較大范圍的沉降和塌陷，壩中沉降上方對應光纖段顯示應變陡增。對于建立的ANSYS模擬土堤壩模型，在對模型約束和加載時，考慮到模擬堤壩底層土相對地面不會發生移動，則首先對光纖兩端和模擬壩底部施加全約束，然后在發生沉降的坑土范圍表面逐步施加不同大小的載荷。如圖5所示，劃分網格時把模擬堤壩模型的上表面分成20×12個單元，發生塌陷的范圍相當于圖中深色框的加載區域。最后對模擬堤壩模型進行分析和后處理，輸出所求參數和結果。圖6為模擬堤壩模型加載后的等效應變圖，在加載中心部位凹陷最為厲害，應變值最大，ANSYS分析結果和實際實驗塌陷的外觀圖吻合。

4.3 載荷與應變的關系

在對模擬堤壩模型進行加載分析時，模型上方所施加的載荷不同，光纖長度上各單元的應變值也不同。施加載荷越大，光纖應變越大。由于施加的載荷模擬沉降土壤的壓力，因此載荷的大小可以用來定性衡量沉降大小程度，實現通過應變值判斷沉降大小程度的目的。

圖5 土堤壩模型的施加約束和載荷圖Fig.5 Imposed constraints and load of the earth embankment dam model

圖6 模擬堤壩土模型加載分析后的等效應變圖Fig.6 Equivalent strain of the embankment dam earth model after loading and analysis

在ANSYS模型中逐步在沉降上方加載，每加載一次可得到4根光纖相對應的最大應變值。把載荷和光纖對應的應變值在MTALAB軟件中進行擬合，可得到載荷大小與光纖應變值的關系，如圖7所示。data1～data44條直線分別表示最下層、次下層、次上層和最上層的光纖受到的載荷與應變的關系。由圖得知，載荷與光纖的應變呈線性關系。當光纖的埋設深度不一樣時，代表載荷與光纖應變關系的直線斜率有差異，即埋設于不同深度的光纖對載荷的敏感度不一樣。其中，最上層光纖由于離載荷最近，對載荷最敏感。

5 結語

圖7 模擬土堤壩模型沉降上方載荷與光纖應變的關系圖Fig.7 The relationship between settled load on the top of the earth embankment dam model and strain of optic fiber

通過實體實驗和軟件模擬，實現了對堤壩滲漏監測中光纖傳感器的受力分析，得出了有益的結論。實際實驗中，發生塌陷的干燥土層產生的重力約37.6 N，在發生沉降時，光纖的最大應變值約為400微應變。軟件模擬分析中，當光纖的應變值為400微應變時對應的載荷約為 3.6×104Pa，加載面積約為0.09 m2，則與之對應的載荷約為 3.24 kN，為塌陷干燥土層重力的86倍，即軟件模擬中作用到光纖上的力遠大于實際沉降部位上方干燥土層的重力。所以，發生滲漏后，土層的含水度和土層對光纖的動態作用不容忽視。光纖承受載荷與光纖上部對應土層重力關系的確定，將有助于工程實際施工中對光纖埋設深度的確定。

［1］Zhu P Y，Zhou Y，Luc Thevenaz，et al.Seepage and settlement monitoring for earth embankment dams using fully distributed sensing along optical fibers［C］//2008 International Conference of Optical Instrument and Technology(OIT’08).北京:中國儀器儀表學會、中國光學學會、SPIE，2008:716013－1 －7.

［2］張寶森，郭全明.黃河河道整治工程險情分析［J］.地質災害與環境保護，2002，13(3):1 －5.

［3］朱萍玉，冷元寶，王少力，等.基于分布式光纖傳感的堤壩形變監測系統設計［J］.光電工程，2009，36(1):57 －62.

［4］王送來.堤壩滲漏分布式光纖傳感檢測模擬裝置試驗研究［D］.湘潭:湖南科技大學，2007:53 －63.

［5］楊 光，田堪良.土的彈性模量測試方法的研究［J］.城市道橋與防洪，2006(5):145－147.

［6］李端有，熊 健，於三大，等.土石壩滲流熱監測技術研究［J］.長江科學院院報，2005，22(6):29 －33.

［7］厲善元，蔣冬青，梁 磊.新型光纖光柵加速度傳感器動態特性的研究［J］.武漢理工大學學報，2008，12(30):117－120.

Analysis of seepage monitoring for an earth dam model with distributed optical fiber sensors

Zhu Pingyu1，2，Jiang Guilin3，Leng Yuanbao2

(1.School of Mechanical and Electric Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China;2.Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;3.College of Electromechanical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan 411201，China)

A monitoring system of seepage and settlement for an earth embankment dam model using fully distributed optical fiber sensing technology is built to simulate seepages in earth dam.The strain curve of the tested optical fiber is obtained from the device in the experiment.The results certify the feasibility of the monitoring system based on distributed optical fiber sensing technology.The analysis model in ANSYS software is set up by simplizing boundary conditions and choosing appropriate calculation units.The relationship between the load applied on the earth dam model and the strain of optical fiber sensors is qualitatively analyzed under some loading cases.The relationship between the load applied on the model and the gravity of collapsed earth is also got.The conclusion is helpful to quantitively judge the degree of seepage and to determine the applicable embedding depth of optical fiber sensors.

optical fiber sensing technology;earth dam model;monitoring;strain;ANSYS

TP212.14;TN247

A

1009－1742(2011)03－0082－04

2009－12－08;

2010－11－15

國家水利部948引進國際先進技術基金資助項目(200608);清華大學水利系與黃河水利科學研究院博士后工作站基金資助項目(201002)

朱萍玉(1971—)，女，湖北鐘祥市人，教授，博士，主要研究方向為光纖傳感及應用;E－mail:zhu.pingyu@gmail.com