New technology of fiber leakage monitoring in long-distance water transfer channels in alpine and cold regions
-
摘要: 目前传统的监测技术在长距离输水渠道渗流监测上存在明显的不足,基于拉曼光时域反射原理,研发了一种新型渗流监测光缆,提出了可用于高寒区长距离输水渠道的分布式光纤拉曼渗流监测技术。针对空气、不同含水率的砂土、纯水等不同现场环境进行了室内试验模拟研究,对比分析光纤温度变化,结果表明在不同的环境中该新型光缆均可反映出环境特征,证实了光纤监测的可行性。在北疆干渠开展新型光纤渗漏监测技术现场原型试验,并在光纤埋设处对应埋设了传统的孔隙水压力计,对比分析并验证分布式光纤测渗漏技术应用于渠道渗漏监测的可行性及测量精度。本次现场测量光纤采样点间距为0.5 m,光纤测量的平均值与孔隙水压力计测值差小于0.5 m,差值在理论范围内,说明光纤渗漏监测技术能够适应现场测量条件,证实了其在高寒区长距离输水渠道应用的准确性、可行性和可靠性。Abstract: In the seepage monitoring of long-distance water transfer channels, the traditional monitoring technology has obvious shortcomings. Based on the principles of Raman optical time domain reflection, a new type of seepage monitoring optical cableh is developed, and a distributed optical fiber Raman seepage monitoring technology which can be used in the long-distance transfer channels in cold regions is proposed. The laboratory tests are carried out for different field environments such as air, sand with different water content, pure water, etc. The results show that the new optical fiber cable can reflect the environmental characteristics under different environments, which confirms the feasibility of the optical fiber monitoring. By using the new fiber-optic leakage monitoring technology, field prototype tests are carried out in the main canal of North Xinjiang, and the pore pressure cells are installed in the fiber-optic buried place. The feasibility and measurement accuracy of the distributed fiber-optic leakage monitoring technology for the cannel leakage monitoring has been analyzed and verified. The distance between the optical fiber sampling points in the field measurement is 0.5 m, and the difference between the average value of optical fiber measurement and the pore water pressure gauge measurement is less than 0.5 m, which is within the theoretical range. It is shown that the optical fiber leakage monitoring technology is suitable for the field measurement conditions, and the accuracy, feasibility and reliability of its application in the long-distance water transfer channels incold regions are validated.
-
Keywords:
- distributed fiber /
- channel in cold region /
- leakage monitoring /
- prototype test
-
0. 引言
振杆密实法是一种新兴的可液化地基与黄土地基处理方法,该法通过振动杆在沉杆过程中与土体发生共振,土体吸收振动能量并进一步密实[1-2]。Chow[3]、程远等[4]分别介绍了振杆密实法在美国、中国等地可液化地基中的应用,该方法无需填料,施工简便,取得了显著效果。已有研究表明,振杆密实法的处理效果与施工参数密切相关。Massarsch等[5]应用谱分析原理求得振杆-土的共振频率以低频为主（≤20 Hz）,不同土性之间略有差异；程远等[6]研究发现粉土地基的最佳振动频率为17 Hz。Brown等[7]、Wallays等[8]基于静力触探、地表沉降测量等原位测试方法对不同振杆形状的处理效果进行了对比,发现十字杆的处理效果最好,Y字杆次之,Terra杆最差。Janes[9]建议采用振杆密实法进行地基处理时需要进行不同振点间距现场试验以确定合适间距。Massarsch等[10]研究表明大间距长留振的处理效果不如小间距短留振。
上述研究成果主要应用于可液化地基,振杆密实法在湿陷性黄土地基中采用上述施工参数是否适用仍不明确。本文利用自主研发的振杆密实施工设备在湿陷性黄土地基的应用开展现场试验研究,探究了振动频率、喷气压力、钻头形式、振点间距对施工效率和处理效果的影响。研究成果可为振杆密实法在湿陷性黄土地基中的进一步应用提供技术参考。
1. 试验方案与场地工程概况
1.1 试验设备
采用自主研发的适用于黄土地基的智能化振杆密实施工设备进行现场试验,该设备主要包括①振动系统；②喷气系统；③智能化控制系统；④附属机构系统4部分组成[2]。施工设备详细参数见表1。
表 1 施工设备主要参数Table 1. Main parameters of construction equipments电机功率/kW 激振力/kN 喷气压力/MPa 可调频率/Hz 深度/m 振杆直径/m 90 530 0.5~1.2 0~30 ≤15 0.7 1.2 试验方案
振杆密实法的处理效果受施工设备、土层参数和施工工艺共同影响,其施工参数主要有：振动频率、钻头形式、喷气压力、振点间距。基于此,在试验场地内开展振杆密实单点试验和群点试验：
（1）单点试验：通过试振不同的振动频率和组合钻头形式对湿陷性黄土地基进行处理,对比施工效率和振孔尺寸,寻找最优施工参数,为群点试验提供参考。
（2）群点试验：在单点试验的基础上,选取一定的振动参数对区域进行集中处理,群点试验由27个单点组成,呈正三角形布置。通过改变不同的喷气压力与振点间距,探究其对加固效果的影响,群点试验处理7 d后进行静力触探试验,测试地基承载力变化,静力触探试验每个振区测3个点,分别为振点中心,两点之间,三点形心。
1.3 场地工程概况
本次试验场地位于中兰客专靖远县高铁站场坪区附近,场地内地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）砂质黄土,含水率为7.2%～11.5%,孔隙比0.975～1.121,干密度为1.27～1.36 g/cm3,具自重湿陷性,湿陷系数δs=0.010～0.087,自重湿陷系数δzs=0.005～0.024,湿陷性土层厚21～37.3 m,需对其进行地基处理,设计处理深度为8 m。
2. 振杆密实法施工参数分析
2.1 振动频率的影响
参考土体的共振频率,设计了不同振动频率下（14,15,16,17 Hz）下的单点振动试验。图1（a）为不同振动频率下施工速率或振孔参数柱状图。由图1（a）可以看出,随着振动频率的增大,沉杆速率、提升速率先增大后减小,在16 Hz处有最大值。
![]()
图 1 施工速率与振孔参数对比柱状图Figure 1. Histograms of construction rate and vibration-hole parameters此外,振孔深度随振动频率的变化趋势与施工速率相似,在16 Hz处有最大值,振孔深度为2.5 m。而不同振动频率下的振孔直径基本相同,为0.7 m,14 Hz下略低,为0.65 m。如果把振杆-地基土看成一个共振体,当振动沉杆的振动频率接近于处理土体的固有频率时,振杆与土体产生强迫振动,此时共振体的振幅达到最大,沉杆过程功率消耗最低,施工速率最快,密实效率达到最佳。因此判断该场地的湿陷性黄土地基,振杆-土的共振频率为16 Hz。
2.2 组合钻头形式的影响
在可液化地基处理中,振杆形状对处理效果的影响显著。然而通过现场试振发现,黄土的强结构性使得钻头形式比振杆形式对其影响更大。因此设计了3种组合形式的钻头（图2）进行单点试振试验,得到不同组合钻头形式的施工速率与振孔参数柱状图如图1（b）所示。
由图1（b）可以看出,相对于普通钻头,3种组合钻头的施工速率和振孔深度均有明显提升,施工速率提高约100%～200%,振孔深度增大约50%,这主要是因为普通钻头在沉杆过程中翼片间会发生黏结堵塞现象,使得钻头阻力增大,沉杆困难,甚至无法打至设计深度。而组合钻头的翼片间相互错开,在刺入土体过程中可以将黏结在翼片之间的土体破坏,减少黏结现象,从而有效提高沉杆速率。此外,对比不同形式的组合钻头可以看出,A型钻头的沉杆速率、提升速率、振孔深度均最大,因此判断在该场地条件下,这种形式的组合钻头最适宜。不同钻头的振孔直径均为0.7 m,表明振孔直径与振杆直径有关,与钻头形式无关。
2.3 喷气压力的影响
为了探究喷气压力对加固效果的影响,分别设置不同的喷气压力（0.6,0.8,1.0 MPa）,基于单点试验结果,控制振动频率为16 Hz,钻头形式为A型,振点间距为1.2 m,进行了群点试验。
不同测点处锥尖阻力与侧壁阻力随深度变化的关系曲线如图3所示。可以看出,不论气压大小,两点之间、三点形心处的锥尖阻力和侧壁阻力较处理前提升约150%～250%,表明振杆密实法有效提高了孔间土的强度及密实度。在两点之间,0.6 MPa处理区的锥尖阻力和侧壁阻力均为最大,1.0 MPa处理区最小,表明小气压对两点之间强度增长有益。在三点之间,1.0 MPa处理区的锥尖阻力和侧壁阻力最大,0.6 MPa与0.8 MPa的试验数值相对较小,原因在于1.0 MPa的气压加上留振作用破坏了0.4 m厚的两点间的土层,且未经有效压实。综合对比3个不同气压处理区的静力触探试验结果发现,喷气压力为0.8 MPa时两点之间、三点形心处较未加固区都有较大提高,且分布较均匀,可推荐作为施工参数使用。
2.4 振点间距的影响
分别设置不同振点间距（1.1,1.2,1.4 m）,控制振动频率为16 Hz,钻头形式为A型,喷气压力为0.8 MPa进行现场群点试验。试验发现,当振点间距为1.1 m时,由于间距过小,振点间易发生串孔现象,导致振杆倾斜,无法形成振坑。
不同间距下锥尖阻力及侧壁阻力随深度变化曲线如图4所示。可以看出,相对于处理前,处理后的振区的锥尖阻力明显提升约200%～300%。对比不同振点间距的锥尖阻力可以发现,在振点中心处,1.2 m处理区与1.4 m处理区的锥尖阻力比较接近,表明振点间距对振孔中心处的强度影响不大。在两点中之间、三点形心处,1.2 m处理区的锥尖阻力和侧壁阻力明显比1.4 m处理区的大约50%,表明振点间距越小,加固效果越显著。振杆密实法对地基土的加固是依靠振动能量,而振动能量是以振动波的形式传递,波的传播随距离增大逐渐衰减,振点间距越小,振动波的叠加效应也越明显。此外,由于是群点试验,振点间距越小,挤密效果亦更好,但振点间距过小容易造成串孔现象。在该场地条件下,参照《铁路工程地质原位测试规程》（TB 10018—2018）中天然地基基本承载力经验公式,计算得到该场地设计承载力（180 kPa）对应的锥尖阻力约为3.2 MPa。1.2 m和1.4 m振点间距处理后的地基土,除表层土体外,均达到设计指标。
3. 结论
本文对振杆密实法处理湿陷性黄土地基的施工参数开展了现场试验研究,主要结论如下：
（1）在本文的场地条件下,振杆密实法处理湿陷性黄土的最优振动频率为16 Hz,该频率下施工速率和密实效果最佳。
（2）黄土的强结构性使得钻头形式比振杆形式对其施工影响更为显著。设计了几种不同的组合钻头,其中A型钻头能防止钻头处的土体黏结,进而提高施工效率。
（3）提出了气动辅助振杆密实的施工方式,基于静力触探试验对不同喷气压力下的处理效果进行了评价。分析结果表明0.8 MPa气压下土体强度提升明显,且静力触探曲线较为均匀,可参考作为施工参数。
（4）不同振点间距的群点试验结果表明,振杆密实法处理后的湿陷性黄土地基锥尖阻力和侧壁阻力提升约200%～300%。振点间距越小,加固效果越显著,但振点间距过小容易造成串孔现象,以1.2～1.4 m为宜。
-
![]()
图 3 1号光纤在不同环境下温升对比图
Figure 3. Comparison of temperature rises of fiber No. 1 under different environments
![]()
图 4 2号光纤在不同环境下温升对比图
Figure 4. Comparison of temperature rises of fiber No. 2 under different environments
![]()
图 5 非运行期时新疆某输水渠道图片
Figure 5. Picture of a water transfer in Xinjiang during non-operational period
![]()
图 7 渗漏光缆和孔隙水压力计布设位置示意图
Figure 7. Schematic diagram of placement of pore water pressure gauge and cable
表 1 光纤测渗漏现场测值分析表
Table 1 Analysis of measured values of optical fiber leakage
日期 光纤在水位以上的长度/m 水面距离孔压的高度/m 孔压相应的测值/m 2019-07-22 温差法 56.5~66 3.25 3.175 85.5~93.5 3.61 116.5~122.5 4.03 144.5~152.5 3.62 2019-07-22 K值法 56~65.5 3.25 84.5~93 3.50 116.5~122.5 4.03 144.5~152 3.73 2019-09-19 温差法 50.5~70 1.02 0.685 82~101.5 1.04 109~130.5 0.57 140~157.5 1.50 2019-09-19 K值法 51~70 1.13 82.5~101 1.26 111~130 1.13 141.5~160.5 1.16 
下载: 导出CSV
-
[1] 何宁, 丁勇, 吴玉龙, 等. 基于分布式光纤测温技术的堤坝渗漏监测[J]. 水利水运工程学报, 2015(1): 20-27. HE Ning, DING Yong, WU Yu-long, et al. Experimental study of distributed optical fiber temperature measurement technology for measuring lea[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(1): 20-27. (in Chinese)
[2] 翟明杰, 杨进新, 李启升, 等. 长距离正反向输水渠道设计若干问题探讨[J]. 人民黄河, 2019, 41(11): 97-101. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.11.020 ZHAI Ming-jie, YANG Jin-xin, LI Qi-sheng. Discussion on engineering design of long-distance and bi-directional canal[J]. Yellow River, 2019, 41(11): 97-101. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.11.020
[3] 朱萍玉, 蒋桂林, 冷元宝. 采用分布式光纤传感技术的土坝模型渗漏监测分析[J]. 中国工程科学, 2011, 13(3): 82-85, 96. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2011.03.013 ZHU Ping-yu, JIANG Gui-ling, LENG Yuan-bao. Analysis of seepage monitoring for an earth dam model with distributed optical fiber sensors[J]. Engineering Sciences, 2011, 13(3): 82-85, 96. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2011.03.013
[4] 肖衡林, 蔡德所. 基于温度测量的分布式光纤渗漏监测技术机理探讨[J]. 岩土力学, 2008, 29(增刊1): 550-554. XIAO Heng-ling, CAI De-suo. Discussion on mechanism of distributed fiber optical leakage monitoring technology based on temperate[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(S1): 550-554. (in Chinese)
[5] 商峰, 范哲, 朱新民. 基于分布式光纤监测的压力钢管模拟泄漏室内试验[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2017, 15(3): 208-212. SHANG Feng, FAN Zhe, ZHU Xin-min. Distributed optical fiber monitoring in simulated leakage test on pressure steel pipe[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2017, 15(3): 208-212. (in Chinese)
[6] 李科, 施斌, 唐朝生, 等. 黏性土体干缩变形分布式光纤监测试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(6): 1781-1785. LI Ke, SHI Bing, TANG Cao-sheng, et al. Feasibility research on soil deformation monitoring with distributed optical fiber sensing technique[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(6): 1781-1785. (in Chinese)
[7] 张巍, 施斌, 索文斌, 等. 冻土瞬态温度场的分布式光纤监测方法及应用[J]. 岩土工程学报, 2007(5): 723-728. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC200705015.htm ZHANG Wei, SHI Bing, SUO Weng-bin, et al. Monitoring and application of distributed optical fiber sensors in transient temperature field of frozen soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007(5): 723-728. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC200705015.htm
[8] 刘康康. 基于ROTDR的渠道渗漏监测技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2018. LIU Kang-kang. Research on Monitoring Technology of Canal Leakage Based on ROTDR[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2018. (in Chinese)
-
期刊类型引用(8)
1. 褚洪涛. 低能强夯联合水泥土搅拌桩在路基工程中的应用. 广东建材. 2025(03): 122-126 . 
百度学术
2. 刘齐建，苏耀辉，黄奕彬，邓涛. 地面超载下摩擦单桩负摩阻力的连续介质力学解. 建筑科学与工程学报. 2024(02): 173-180 . 百度学术
3. 李子林. 大跨度排架结构储豆堆场地基处理方案研究. 福建建材. 2024(04): 69-72 . 百度学术
4. 刘余杰. 水泥土搅拌桩在农村公路桥梁基础施工中的应用研究. 交通世界. 2024(13): 40-43 . 百度学术
5. 张浩，赵宇，王中，刘维正. 芯桩承载扩体预制桩的荷载传递计算分析. 岩土工程学报. 2024(12): 2503-2512 . 本站查看
6. 周节定，胡磊，王乾浩. 同步同心式斜撑桩侧摩阻力现场试验研究. 建筑施工. 2023(04): 770-772+785 . 百度学术
7. 郑贺，鲍宇，刘汉臣. MC劲性复合桩在硬土层中应用的试验研究. 地基处理. 2023(03): 262-268 . 百度学术
8. 朱田. 分布式光纤测试技术在水泥土复合管桩检测中的应用. 水利与建筑工程学报. 2023(05): 63-70 . 百度学术
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数: 168
- HTML全文浏览量: 25
- PDF下载量: 78
- 被引次数: 8
