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岩土渗水裂缝的光纤BOTDA分布式传感监测开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

渗流是指水在土壤孔隙中的运动,在岩土工程中,渗流是目前面临的重要的工程问题。水在岩土中的渗流,将产生渗流体积力,和岩土相互作用将改变原有的应力状态,而裂缝的存在,将极大降低岩土介质的承载能力,在岩土内渗透压力的传导是导致裂缝进一步扩展的主要因素。在水下隧道的挖掘,以及地下煤矿的开采等作业中,屡次发生坍塌以及突水事故,造成大量人员伤亡以及经济损失。如何保障工程的安全已经成为了目前研究的热点,因此,研究岩土裂缝内渗透水压的分布与传导规律对于预防事故的发生具有十分重要的意义。

目前对于该领域已有不少的研究,如安装多个渗压计来测量各处的压力值来探究渗流的演变规律[1]、对渗水以及演化规律进行物理模拟[2~3],或采用电量传感器等微型检测元件来测量数据[4]。然而,传统的方法存在精度低、测试点有限、无法实时探测等问题。而且电量传感器容易受到环境影响,比如怕水、易受电磁干扰等,测量具有很大的局限性,且精度与可靠性都不能满足实际需求。

光纤传感器结构紧凑,具有体积小、重量轻、可实时在线监测、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,可取代电传感器用于大型工程与复杂环境的安全监测。国外一些水利工程早已有应用光纤传感器实现对水坝渗流的测量。在国内,光纤传感器得到了高度的重视,在渗流领域也得到研究与应用。冯现大等基于光纤布格拉光栅技术研制的新型渗压传感器等传感器,成功地实现了对于应力和渗压多场信息的实时监控[4]。也有研究人员运用干涉型光纤传感器对水坝进行自动化监测[5],其测量可保持长期可靠性,受恶劣环境影响较小,可满足实际应用的要求。然而,光纤光栅传感器以及干涉传感器等需要布置在多个位置上,只能通过多个光纤传感器多路复用形成准分布式的传感系统,不能实现完全的分布监测。

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2. 研究的基本内容与方案

本设计将基于botda对渗流进行传感监测,以探索渗水压力的分布以及传导规律。由于研究对象的特殊,具体的设计要求适应实际情况,在相似的条件下反映渗流现象的真实情况。首先采用matlab仿真软件,模拟仿真渗流的渗水压力分布规律以及传感光纤的测量数据,以便于和实际实验中的实际数据形成对照,进一步分析渗流的规律。目前已有研究对于渗流以及演化过程进行了分析计算,为本次设计提供了理论基础。但由于渗流物理模型是客观存在的物理实体,仅仅是理论上的计算显得不足,为了探究实际岩土中的渗流规律,需要布置光纤传感系统,搭建物理模型进行渗水实验以获取真实的测量数据,并分析分布式光纤传感器应用于渗流研究中的可行性。

本次设计的目标为通过理论分析,模拟仿真和物理模型试验,对渗流的各种测量数据进行分析验证,探究出渗流的演变规律。

本次设计拟采用分布式光纤传感技术,从应变参量入手探索渗压的变化。在渗流模型内嵌入光纤,渗水压力的变化将引起光纤应力的变化,从而导致布里渊频移的变化。由于布里渊频移的变化与应变呈线性关系,这样可以将渗水压力和光纤应力两个事件关联起来。渗流模型模拟物理演变规律,最后通过测量光纤沿线的布里渊频移曲线分析渗水压力的传导规律。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:调研岩土渗水裂缝测试现状,设计渗水试验模型;

第4-7周:布置岩土光纤(光栅)在线传感系统,测试并完善渗水试验模型;

第8-13周:开展不同水力梯度条件的渗水试验;

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4. 参考文献(12篇以上)


1.王克忠,李仲奎.深埋长大引水隧洞三维物理模型渗透性试验研究[j].岩石力学与工程学报,2009,28(04):725-731.

2.蔚立元,李术才,徐帮树,等.水下隧道流固耦合模型试验与数值分析[j].岩石力学与工程学报,2011,30(7):1467-1474.

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