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岩土渗水裂缝的光纤BOTDA分布式传感监测毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

在水工隧道、大坝等大型水工结构中,裂缝随处可见,裂缝延展容易导致渗水坍塌等事故,造成严重危害。因此,对岩土裂缝进行分布式实时在线监测,确保水工结构安全,具有十分重要的意义。

光纤传感中的布里渊光时域分析技术(Brillouin Optical Time Domain Analysis)可以实现分布式实时在线测量,探测光纤沿线环境的温度或应变,因此在大型建筑项目的结构健康监测方面具有良好的应用前景,如石油和天然气行业的泄漏探测,大功率电缆的温度监测等。

本文通过探究岩土渗水过程中温度的变化实现裂缝检测。由于本选题采用BOTDA实现对于岩土裂缝的传感检测,目前没有相关的研究报道,因此本选题具有一定的研究意义。

本文第一章阐述了BOTDA的技术发展历程与渗流裂缝测量的研究现状,提出本文的研究内容,阐明其意义及创新点。

第二章阐述布里渊散射的基本理论和基于受激布里渊散射的分布式传感测量机理,并进行了理论分析。

第三章建立了渗水实验模型,提出了提高系统空间横向分辨率的缠绕式传感光纤布线方案,并基于MATLAB仿真软件对BOTDA系统的三维增益谱进行了仿真分析,探讨了各种因素的影响,以进一步分析了研究的可行性。

第四章则通过搭建实验模型进行渗水实验,对裂缝渗水过程中温度参量的变化进行传感测量并获取实验数据,实现对于微尺寸裂缝的测量。

第五章总结和讨论了论文工作的不足与需要改进的地方,并展望了其模型应用于实际岩层的监测的可行性。

论文研究结果表明,基于BOTDA的分布式传感监测系统对于渗水压力测量的定位精度较高,性能稳定,能够符合实际条件的要求。

关键词:BOTDA;分布式光纤传感技术;受激布里渊散射;渗水裂缝测量;岩层渗水模型;

Abstract

Cracks can be seen everywhere in large hydraulic structures such as hydraulic tunnels and dams. The extension of cracks can easily lead to accidents such as seepage and collapse, causing serious harm.Therefore, the distributed real-time on-line monitoring of geotechnical cracks is of great significance to ensure the safety of hydraulic structures.

Brillouin optical time domain analysis technology in optical fiber sensing can realize distributed real-time on-line measurement and detect the temperature or strain of the environment along the optical fiber. Therefore, Brillouin optical time domain analysis technology has good application prospects in structural health monitoring of large-scale construction projects, such as leakage detection in oil and gas industry, temperature monitoring of high-power cables, etc.

In this paper, crack detection is realized by exploring the temperature change in the process of geotechnical seepage. Because this topic uses BOTDA to realize the sensing detection of rock and soil cracks, there is no relevant research report at present, so this topic has certain research significance.

In the first chapter of this paper, the development of BOTDA technology and the research status of seepage crack measurement are described. The research content of this paper is put forward, and its significance and innovation are expounded.

In the second chapter, the basic theory of Brillouin scattering and the distributed sensing measurement mechanism based on stimulated Brillouin scattering are introduced and analyzed.

The third chapter establishes the seepage experiment model, proposes a winding sensor optical fiber wiring scheme to improve the spatial lateral resolution of the system, and simulates the three-dimensional gain spectrum of BOTDA system based on MATLAB simulation software, and discusses the influence of various factors, so as to further analyze the feasibility of the study.

In the fourth chapter, through the establishment of experimental model for seepage experiment, the temperature parameter changes in the process of crack seepage are measured by sensor and the experimental data are obtained to realize the measurement of micro-size cracks.

Chapter 5 summarizes and discusses the shortcomings of the paper and the areas needing improvement, and looks forward to the feasibility of applying the model to the monitoring of actual strata.

The research results show that the distributed sensor monitoring system based on BOTDA has high positioning accuracy, stable performance and can meet the requirements of actual conditions.

Key words:BOTDA; Distributed Optical Fiber Sensing Technology; Stimulated Brillouin Scattering; Seepage Fracture Measurement; Rock Seepage Model;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 BOTDA的发展与技术现状 1

1.1.2 渗水裂缝的研究与测试现状 2

1.2 本选题的意义、研究内容以及创新点 3

第2章 布里渊散射分布式传感机理 4

2.1 光纤布里渊散射的基本理论 4

2.2 布里渊频移与温度和应变参量的关系 7

2.3 BOTDA分布式传感系统结构与测量原理 9

2.4 BOTDA系统性能关键参数 12

2.4.1 BOTDA系统的空间分辨率 13

2.4.2 测量精度的影响 14

2.5 基于MATLAB的BOTDA仿真分析 16

2.5.1 布里渊频移—应变关系分析 16

2.5.2 光纤沿线三维布里渊增益谱仿真分析 17

2.5 本章小结 19

第3章 渗水模型的搭建与关键参数分析 20

3.1 岩土物理模型的搭建 20

3.2 基于温度传感实现裂缝测量的光纤布线方案 21

3.2.1 光纤缠绕法提高分辨率 21

3.2.2 传感信号处理方法 24

3.3 硬岩层渗水裂缝关键参数分析 25

3.3.1 裂缝尺寸演变与光纤应变的关系讨论 25

3.3.2 渗水过程温度参量的变化 25

3.4 本章小结 26

第4章 基于BOTDA的渗水裂缝测量实验探究 28

4.1 BOTDA性能测试 28

4.1.1 传感光纤应变测试 28

4.1.2 探究空间分辨率对应变测量的影响 30

4.1.3 BOTDA系统温度传感测试 31

4.2 渗水裂缝的分布式传感测量 36

4.2.1 缠绕法测量可行性实验探究 36

4.2.2 渗水裂缝的嵌入式测量 39

4.3本章小结 41

第5章 总结与展望 42

5.1 论文的总结 42

5.2 关于基于绕线法的BOTDA系统在渗水测量应用上的展望 42

参考文献 44

致谢 47

第1章 绪论

1.1 引言

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。由于岩土中的渗流具有流速低、流量小以及成分复杂等特点,目前对于渗流的研究,要求精度高、数据稳定、可靠性好。采用有效的方法实现对于渗水压力的实时监测,已吸引了一些研究人员的研究兴趣。

光纤传感技术自第一根光纤问世以来,随着光纤通信技术的发展而不断得到发展。其研发与应用引领了军事、国防、计算测试、工程控制等多个领域的革命性发展,目前已经成为了国家信息化程度的重要衡量标志。光纤传感作为一类重要的传感技术,相比其他传统的传感技术具有很多优势,比如抗电磁干扰,耐高温,抗腐蚀等。由于其体积小,防水性好,可适用于岩土渗流测量领域,以实现对于渗水压力等数据的实时监测,目前已经有这方面的研究与应用。

分布式光纤传感器除了具有普通光纤传感器所具有的优势以外,其既作为传输元件,又作为传输介质,可实现长距离分布式监测,体现了光纤分布延展的突出优势。分布式光纤传感技术可细分为反射法(利用光纤在外部扰动作用下产生的瑞利、拉曼、布里渊等效应进行测量的方法)、干涉法、波长扫描法、偏振光时域反射法,其中应用最广泛的是反射法。布里渊散射型分布式光纤传感技术利用光纤中布里渊散射频移与应变的关系来实现传感监测,本次选题将基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术实现对于渗流的传感测量。

1.1.1 BOTDA的发展与技术现状

基于光纤内光散射变化的全分布式光纤传感器已经取得了丰硕的研究成果。基于光纤布里渊散射的分布式应变、温度光纤传感技术,主要有BOTDR(布里渊光时域反射法)、BOFDA(布里渊光频域分析)以及BOTDA(布里渊光时域分析)。相比之下BOFDA系统结构复杂,信号的解调难度大。BOTDR存在偏振相关性问题,对光源要求比较高,在精度上也不及BOTDA,而BOTDA采用两次测量的受激布里渊散射增强了应变和温度测量,信号处理简单,具有明显的优势。

随着1972年布里渊散射在光纤中被发现,研究者对光纤布里渊散射的特性与应用进行了深入地研究。1989年,日本的T.HoriGuchi与英国的D.Culverhouse在研究中分别发现了光纤布里渊频移与应变和温度的关系,这为利用布里渊散射实现光纤的温度和应变传感奠定了基础。 同年,T.HoriGuchi提出布里渊光时域分析技术(BOTDA),通过后续的技术改进,其开始应用于光纤分布式温度和应变传感。自从BOTDA技术的提出与应用,国内外研究人员进行了进一步的理论与实验研究,提出了多种方案以改善系统的空间分辨率、传感距离以及测量精度。经过多年的发展,目前已经利用BOTDA实现了长距离、高精度、高空间分辨率的温度和应变的分布式传感,很多成熟的产品相继问世。BOTDA在传感领域受到了越来越高的关注。

图1.1 BOTDA系统框图

目前BOTDA的应用方兴未艾,国外已经具有成熟的产品,通过改变脉冲成分,其空间分辨率已经达到2cm,可对被测量场连续空间的应变和温度进行实时测量。国内在BOTDA方面的研究起步较晚,达到的分辨率相对较低。Yi Bao等提出将光纤嵌入混凝土中,以实现对混凝土梁的温度监测和损伤监测,钱振东等提出采用分布式光纤传感技术 BOTDA研究钢桥面环氧沥青混凝土铺装层裂缝的疲劳扩展规律,均取得了较好的实验效果。对岩土裂缝内渗透水压的分布进行实时监测并分析其压力发展与传导规律,对于预防岩土灾害事故的发生具有十分重要的意义。本毕业设计将开展基于BOTDA分布式光纤传感技术实现对岩土层裂缝渗流的分布式实时监测研究。

1.1.2 渗水裂缝的研究与测试现状

对于渗水裂缝的测试,目前已有不少的研究。比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、对渗水以及演化规律进行物理模拟,或采用电量传感器等微型检测元件来测量数据。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,如图1.2所示。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,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。为了更好地了解和模拟渗流的实际情况,需要采取新的技术实现分布式传感测量。

图1.2 一种基于光纤光栅传感器原理制成的渗压传感器剖面图

1.2 本选题的意义、研究内容以及创新点

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,研究岩土裂缝内渗流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。

本选题的研究内容即基于布里渊光时域反射分析技术(BOTDA)实现对于岩层裂缝分布和拓展规律的探究,以进一步分析岩层坍塌与突水的规律。一是调研BOTDA的技术原理,探讨各种因素对BOTDA系统的影响;二是对于光纤布里渊频域—温度应变的三维分布进行仿真分析;三是搭建渗水模型,设计布线方案以实现对渗水裂缝的测量。由于国内外在目前并没有运用BOTDA进行渗水裂缝的分布式传感测量的实例,因此本选题的内容具有创新性。

第2章 布里渊散射分布式传感机理

基于受激布里渊散射原理的分布式光纤传感技术,其应用的基础是布里渊中心频率频偏移与光纤温度和应变的关系,并对光纤布里渊增益谱进行分析以实现分布式传感。本章将主要探讨光纤布里渊散射的基本理论和BOTDA系统的传感机理。同时,对于BOTDA的基本系统结构以及对温度和应变的测量机理做简要的介绍,并仿真分析布里渊三维增益谱,为渗水裂缝的分布式监测打下基础。

2.1 光纤布里渊散射的基本理论

由于光纤的材料的结构具有不均匀性,一小部分通过光纤的光将发生散射。由于引起介质不均匀的原因很多,散射的形式可以根据散射机理的不同进行划分。其主要有三种,分别是瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射,如下图所示:

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