基于BOTDR的堤坝渗漏变形监测试验

一、试验简介

监测目的：通过搭建堤坝的模型，模拟渗漏注水事件和坍塌变形事件，验证基于布里渊光时域反射仪（BOTDR）监测渗漏管涌和堤坝变形的可行性。

研究方法：在堤坝内部和坡面上布设传感光缆，通过BOTDR监测在注水模拟和坍塌模拟中，在堤坝内部和表面传感光缆的温度和应变变化。

试验步骤：

（1）预埋温度传感光缆，搭建堤坝试验模型。

（2）堤坝右侧细沙区注水渗漏试验

（3）堤坝左侧粗沙区注水渗漏试验

（4）堤坝左侧粗沙区踩踏变形试验

BOTDR参数设置：空间分辨率1米，传感结果刷新速度6.3秒，重复性精度0.25℃（5微应变）。

二、堤坝试验模型搭建

管涌渗漏通道模拟装置：如上图所示。首先在PVC转角管的下管上密集打孔，然后缠绕毛巾捆扎，捆扎后预埋坝体中模拟管涌渗漏通道。通过在上方注水模拟渗漏事件。

准备毛细钢管6条，每条钢管由3条1m的钢管组成，钢管之间通过热缩管连接。随后在热缩管连接处外套5cm短钢管固定。将光缆植入6条毛细钢管，光纤呈s型走向将毛细钢管串联在一起。

沙土做坝体，坝体如梯形结构。堤坝的左边部分使用粗沙，右边部分使用细沙，以对比土质的不同对监测结果的影响。随后将六条光缆埋入堤坝不同位置，并将管涌渗漏通道模拟装置一同埋进堤坝中，通过在上方注水模拟渗漏事件。

完成堤坝渗漏变形监测试验模型搭建

三、试验过程

1.       右侧细沙堤坝：模拟管涌渗漏的光纤温度传感

右侧细沙堤坝的注水渗漏试验结果如上图所示。50度热水注入后，渗漏下方位置1号光纤传感温度4.9℃左右，上方2号光纤传感温度3℃左右，上方3号光纤传感温度1.8℃左右。1号光纤位置的传感温度达到温度稳定的时间大约是2分钟左右（20*6.3秒），稳定后在试验监测的14.7分钟内监测保持稳定。

该渗漏过程主要影响到1、2、3号内部光缆，表面布设的光缆5号达到0.4℃，4号和6号分别在0.2℃和0.25℃。

2.       左侧粗沙堤坝：模拟管涌渗漏的光纤温度传感

左侧粗沙堤坝的注水渗漏试验结果如上图所示。50度热水注入后，渗漏下方位置1号光纤传感温度10℃左右，上方2号光纤传感温度3.8℃左右，上方3号光纤传感温度1℃左右，4号光缆0.8℃左右。

试验中，从11点59分30秒开始注入常温水，传感结果从142点（11点49分49秒）开始多个位置的光纤传感温度出现了显著降低。

热水渗漏过程影响1、2、3号内部光缆，以及表面布设光缆变化分别为0.76℃、0.27℃和0.4℃。

设备测试底噪标准差STD小于0.25，上述温度变化可以通过BOTDR识别。

3.       对比渗漏试验中粗沙河细沙区温度传感结果

如上左图所示，粗沙区1号光纤管的温度10.17℃明显高于细沙区1号管的4.94℃。说明坝体土质不同，温度的传导速度和热平衡状态会不同。粗沙区渗流的温度传导速度快于细沙区。

粗沙区表面布设的光缆（4号、5号、6号光缆）在渗漏试验中出现了温度的变化，分别变化了0.76℃、0.27℃和0.40℃。这是由于粗沙区吸水性弱于细沙区，同样容量的注水在粗沙区涌出坡面，涌出水造成了光缆感测温度的变化。

4.       左侧粗沙堤坝：踩踏模拟堤坝塌陷变形

如上图所示，通过在坝顶上踩踏模拟堤坝坍塌，在踩踏过程中多个位置点产生了-45个微应变到+20个微应变的变化。

BOTDR设备性能底噪的均方差为0.25Mhz对应5个微应变，对于该踩踏过程的变形变化可以识别出来。

该试验中采用的光纤与钢管之间存在空隙，当钢管发生变形时光纤会向变形的方向缩动，因此实际应变会大于当前测得的应变值。

通过踩踏模拟为初步验证，踩踏变形对于不同位置钢管的影响是复杂的，本试验中不做展开。

四、 结论

（1）使用BOTDR，能够监测堤坝结构体内部的温度和应变变化，通过温度变化能够反映内部渗漏的过程。

（2）渗漏过程中，堤坝结构温度特征的内部变化，显著强于表面的变化。

（3）通过温度进行管涌渗漏的监测，更加适用于新建堤坝。可以将传感光缆布设于结构体内部，监测堤坝整个生命周期中内部温度和应变的变化。