基于DTS的隧道渗漏分布式感测方法试验研究

王皓宇，方忠强，任 康，涂齐亮，张 丹*

1. 南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；2. 华设设计集团股份有限公司水下隧道智能设计、建造与养护技术与装备交通运输行业研发中心，南京 210014

作为一类重要的交通基础设施，隧道工程在我国发展地非常迅速，但渗漏问题一直是隧道施工和管养中的薄弱环节（石建勋等，2021）。长期渗漏水不仅会造成隧道内积水，影响行车安全，也会加速隧道内机电系统的锈蚀，影响设施寿命，长期漏水还会侵蚀围岩，使得衬砌结构剥落、风化，钢筋锈蚀，隧道的可靠性和寿命会随之降低（龚晓南等，2021；Gao et al., 2019）。如何准确的监测渗漏水成为解决隧道病害的关键，对于保持隧道结构健康具有重要的意义。

目前，工程界广泛采用的隧道渗漏监测主要有人工目测或量测、红外、雷达、电法、三维激光扫描和示踪剂监测等技术（张彦龙等，2017；吴贤国等，2020；Menendez et al., 2018）。现有技术存在成本高、耐久性差、易漏检等问题，且难以对隧道的安全状况进行全面监测。光纤感测技术可以实现长距离的分布式测量，具有易于安装、灵敏度高、可靠性强、抗电磁干扰、安全性好、成本低廉等优点，随着分布式光纤测温系统的发展，其在隧道渗漏监测中具有良好的应用前景（李登华等，2020；张天生等，2020）。

曾铁梅等（2007）认为DTS具有实时监测温度随光纤沿程分布的优点，可以准确找到渗漏点区间，适合隧道渗漏监测。叶少敏等（2021）利用自加热温度敏感型光缆作为传感元件，使用分布式测温系统测量光缆温度，利用热脉冲法可以感测到隧道渗漏水的情况。Bremer等（2016）设计和开发了基于光时域反射技术的光纤检测系统，可以检测和识别隧道中的污水泄漏，并具有快速响应的特点。对于DTS隧道渗漏监测的影响因素研究，董海洲等（2013）提出光纤材料的导热系数会影响测温准确性，导热系数越大，其温度影响半径也越大；对于监测渗漏，重要的是要具有高空间分辨率，能够在短距离内检测到较小的温度梯度（Failleau et al.,2018）；Aminossadati等（2010）认为应使用具有大直径纤芯的多模光纤，与单模光纤相比，多模光纤能够获得足够的反向散射信号来进行精确的温度测量并提供更高的分辨率。

针对隧道渗漏问题，本文研制了一种基于DTS的新型渗漏传感光缆，提出了隧道渗漏感测方法，通过室内试验，对比分析了不同条件下传感光缆的测量结果，验证了该隧道渗漏监测方法的可行性。

1 DTS温度传感原理

1.1 DTS传感原理

分布式光纤温度传感技术（DTS）基于拉曼散射原理，通过检测光纤中的拉曼散射光实现连续测量光纤沿线任一点的温度。

拉曼散射光是由于光纤分子的热振动而产生的，分为反斯托克斯光和斯托克斯光。根据反斯托克斯光与斯托克斯光强度之比和温度的定量关系，得到测点的温度，如式（1）所示：

式中，R(T)为待测温度的函数；IF：反斯托克斯光强度；IS：斯托克斯光强度；vF：斯托克斯光中心频率；c：真空中的光速；v：拉曼频移量；h：普朗克常数；K：玻尔兹曼常数；T：绝对温度。

结合光时域反射技术（OTDR），分布式光纤测温系统可以实现对测温点的准确定位。

1.2 隧道渗漏监测原理

基于干湿球温度计测量原理，研发了一种新型的温度敏感型隧道渗漏传感光缆，光缆外表面包裹有湿球纱布制成的纱套，具有良好的吸水性，在渗漏量较小的情况下仍然可以有效收集渗漏水。金属铠装管是热的良导体，具有保护光纤和热量传导的双重作用。通过金属丝缠绕网与凯夫拉纤维网的联合封装，进一步提高了光纤的抗拉伸性能。光缆结构如图1。

图1 光缆结构图Fig. 1 Fiber optic cable construction diagram

考虑到渗漏水的运动轨迹主要是沿边墙向下流动，所采取的传感光缆布设方向与渗漏水的流动方向正交，可以保证光缆与渗漏水接触，利用DTS技术实现渗漏区域准确识别与定位。沿隧道轴向直线型水平布设渗漏传感光缆，光缆紧贴隧道内壁，采用定点固定的方式安装在隧道的内表面，如图2所示。当渗漏水与传感光缆外层的湿球纱套接触后，被浸湿的湿球纱布表面发生水分蒸发，带走热量形成温度差，使得浸湿光缆温度低于未浸湿光缆。

图2 传感光缆隧道布设示意图Fig. 2 Layout Diagram of the optic sensing cables in tunnel

计算某一监测点水分蒸发的质量，计算公式如下：

式中，M为水分蒸发的质量，E为光缆被浸湿的情况下的温度对应的饱和水汽压，e为空气中的实际水汽压，c为空气和湿球纱布的水分交换系数，s为蒸发面积，p为大气压力；

该蒸发过程所消耗的热量为：

式中，Q1为蒸发所消耗的热量，L为蒸发潜热；

某一监测点被浸湿，则通过空气向被浸湿的光缆传递热量，传递的热量表示为：

式中，Q2为空气向被浸湿的光缆传递的热量，h为热量交换系数，T为空气温度（即相邻未浸湿监测点温度），Tw为所述某一被浸湿监测点温度。

当被浸湿的光缆温度稳定后，Q1与Q2处于平衡状态，有Q1=Q2，联立公式（3）与（4）得到：

将空气湿度U表示为：

由（6）式得到相邻未浸湿监测点与所述某一被浸湿监测点的温度差ΔT可以表示为：

式中，T为未浸湿光缆温度，Tw为浸湿部分温度。E为浸湿光缆温度对应的饱和水汽压（hPa），U为空气湿度（%rh），ew为未浸湿光缆温度对应的饱和水汽压（hPa），A为干湿球系数，p为大气压力（hPa）。

式（7）中干湿球系数的计算公式为（王云鹤等，2018）：

式中：v为空气流过湿球四周的速度，m/s。

由式（7）可知，由于隧道渗漏而产生的温度差表现为光缆温度的降低。利用DTS对沿传感光缆长度的温度分布进行测量，通过温度分布曲线上的温度降低点确定隧道渗漏点的位置。

2 隧道渗漏监测模拟试验设计

2.1 试验概况

湿球纱布水分蒸发引起的温度变化受环境湿度、温度、风速、液体种类、液体温度、空气流速等因素的影响。本试验模拟隧道渗漏过程，试验环境条件保持恒温和高湿度，与实际隧道工作环境具有较高的相似性。从渗漏速度、环境风速和渗漏时长三个方面对传感光缆的性能进行了测试，验证光缆感测性能和重复利用性。

2.2 试验装置

试验采用两个渗漏模拟装置，传感光缆位于渗漏模拟装置下方，每个装置下传感光缆的长度均为4 m，两段传感光缆采用长度约10 m的普通测温光缆连接。传感光缆一端与60 m普通测温光缆连接，其中30 m光缆置于恒温箱内用于温度校准，30 m光缆用于监测室温。普通测温光缆没有湿球纱套结构，其他与传感光缆相同。试验装置如图3所示。

图3 试验装置示意图Fig. 3 Diagram of the test devices

图4 主要试验设备Fig. 4 Main test devices

2.3 试验内容与过程

为了检测传感光缆的感测性能，评价渗漏监测方法的可行性，分别对渗漏速率、环境风速和渗漏时长三个主要的渗漏条件进行了研究。其中，渗漏速度通过渗漏模拟装置控制；利用风源与渗漏点之间的距离控制风速，实际风速由风速仪测量。渗漏时长试验是研究长时间渗漏对光缆感测性能的影响，试验过程中保持渗漏条件和环境条件不变，试验时长为20 h。试验的渗漏条件如图5。

图5 渗漏条件Fig. 5 Leakage conditions

在渗漏速度试验中，渗漏点a模拟快速渗漏，渗漏点b模拟慢速渗漏。试验过程中，保持渗漏速度不变，采用DTS连续测量光缆的温度分布，5 h后停止试验，待传感光缆风干后，再进行下一组测试（图6）。

图6 不同渗漏速度条件下传感光缆温度分布Fig. 6 Temperature distribution of optic sensing cables under different leakage rates

在环境风速试验中，保持渗漏点a、b的渗漏速度相同，通过调整风源位置控制渗漏点处风速。风速分级标准如图6所示。试验分为两组，第一组试验使渗漏点a、b分别处于无风和微风状态下；第二组试验使渗漏点a、b分别处于轻风和软风状态下。采用DTS连续测量光缆的温度分布。

在渗漏时长试验中，保持渗漏点a、b的渗漏条件一致，采用DTS连续测量光缆的温度分布，测量时间为20 h。

3 结果分析

3.1 渗漏速度的影响

利用渗漏模拟装置调节两个渗漏点a和b的渗漏速度，分为快速渗漏与慢速渗漏，试验结果见图6。当渗漏造成传感光缆的护套被浸湿后，在隧道恒温恒湿条件下，蒸发吸热使得渗漏点处温度随时间逐步下降，形成温度降低区，而未浸湿光缆的温度基本不变。可见，根据温度明显降低区，可以识别渗漏事件。根据干湿球温度计原理（林军，2008；张懿，2021），定义传感光缆不同测点间的温度差为相对温度降幅ΔTr（℃）；定义2 h内每小时的相对温度降幅为降温速率vT（℃/h）。

另外，虽然渗漏点a和渗漏点b的渗漏速度不同，但温度变化规律相似，说明渗漏速度对于准确识别渗漏点影响不大，在不同渗漏速度下传感光缆都具有良好的感测性能。

快速渗漏条件下的相对温度降幅为1.29℃，慢速渗漏条件下为1.35℃，均在1 h左右到达峰值，变温速率分别为1.02℃/h和1.18℃/h。可见，随着渗漏速度增大，相对温度降幅和降温速率略有下降，但快速渗漏与慢速渗漏的相对温度降幅与降温速率差异不大，进一步说明了传感光缆在不同程度渗漏条件下均具有良好的感测性能。

中共中央、国务院《关于实施乡村振兴战略的意见》指出，实施乡村振兴战略，必须破解人才瓶颈制约，把人力资本开发放在首要位置。为此，广西各级政府应结合实际、立足长远，加大财政扶持力度，破解广西乡村振兴人才瓶颈制约。

3.2 环境风速的影响

将渗漏点a、b分别置于微风、无风和轻风、软风两组试验条件下，不同时间的温度分布及变化如图7所示。

图7 不同环境风速条件下传感光缆温度分布Fig. 7 Temperature distribution of optic sensing cables at different wind speeds

在不同环境风速条件下，均出现明显的温度降低区，说明风速变化不影响对渗漏事件的准确识别，传感光缆在不同环境风速条件下都具有良好的感测性能。

不同环境风速条件下的相对温度降幅与前2 h内的降温速率如表1所示。通过对比可知，环境风速可以在一定程度上提高相对温度降幅和降温速率。根据式（2）和式（3），干湿球系数与环境风速正相关，环境风速增大会使相对温度降幅增加，也会使前2h的降温速率相应增加。可见，试验结果与理论模型具有相同的变化规律。

表1 不同风速下产生的相对温度降幅与降温速率Table 1 Relative temperature drop and cooling rate at different wind speeds

3.3 渗漏时长的影响

保持渗漏点a、b处环境条件一致，对光缆进行连续20 h测量，每4小时采集一组数据，传感光缆的温度分布如图8所示。渗漏点a和渗漏点b处的传感光缆在4 h内温度下降达到最大值，经长时间渗漏后，仍表现为明显的温度降低区，由此可以判断渗漏点的位置。

图8 渗漏时长对传感光缆温度分布的影响Fig. 8 Effect of leakage duration on the temperature distribution of optical sensing cables

渗漏点a和渗漏点b处的传感光缆相对温度降幅的时程曲线如图9所示。可见，20 h试验过程中相对温度降幅较为稳定，说明结合DTS技术防水、耐腐蚀、抗电磁干扰的优势，长时间渗漏不会对传感光缆的感测性能产生影响。渗漏区域的温度降低现象可维持不变，满足实际工程长时间监测对可靠性的要求。

图9 相对温度降幅随渗漏时长的变化Fig. 9 Variation of relative temperature drop with leakage duration

3.4 重复利用性

为了验证传感光缆的可重复利用性，光缆遇水浸湿后，在自然环境下风干，再进行渗漏试验。图10是经过5次浸湿—风干循环后得到的渗漏点a处传感光缆温度分布曲线。可见，经多次浸湿—风干循环后，仍可以根据渗漏造成的传感光缆温度降低区准确识别渗漏点。渗漏区域的相对温度降幅与降温速率不会随浸湿—风干循环次数的增加而发生显著变化（如图11所示），说明研发的温度敏感型传感光缆具有良好的可重复利用性。

图11 相对温度降幅与降温速率随循环次数的变化规律Fig. 11 Variation of relative temperature drop and cooling rate with wet-dry cycles

不同环境风速以及不同渗漏时长条件下，渗漏浸湿传感光缆的相对温度降幅均大于0.5℃，且降温速率大于0.4℃/h，这两个参数可以作为渗漏的判别阈值。当传感光缆的相对温度降幅和降温速率达到以上阈值时，可以判断隧道存在渗漏事件，渗漏点的位置可以根据相对温度降幅所在位置确定。

首先，湿润光缆受到蒸发影响，温度会略有下降，但降幅不大；而后，温度在一段时间内保持不变；最后，待水分蒸发完毕，光缆温度逐步增加至室温。试验表明，在无风条件下，当环境湿度为95%，浸湿的光缆水分完全蒸发约需要15 h左右；在自然通风条件，施加软风至轻风范围内风源，约需要10 h左右。

4 结论

针对隧道渗漏监测技术的不足，研发了湿球纱布封装的温度敏感性渗漏传感光缆，提出了基于分布式光纤温度传感（DTS）的隧道渗漏分布式感测方法，通过室内试验验证了该方法的可行性，探究了渗漏速度、环境风速和渗漏时长对渗漏感测性能的影响，得到了以下结论：

（1）渗漏速度对渗漏识别的准确性影响较小，传感光缆在不同渗漏速度下均具有良好的感测性能。随着渗漏速度增大，相对温度降幅和降温速率略有下降，但快速渗漏与慢速渗漏的相对温度降幅与降温速率差异不大。

（2）在不同风速条件下，温度敏感型光缆均具有十分良好的感测性能，风速的变化对渗漏识别的影响较小。在高湿度环境下，当风速大于1.5 m/s，增加风速可以在一定程度上提高相对温度降幅和降温速率。

（3）长时间渗漏不会对传感光缆的感测性能产生影响，且传感光缆经过多次浸湿—风干循环后，仍然保持了良好的感测性能，具有可重复利用性。

（4）得到了温度敏感性传感光缆渗漏识别的阈值标准：当传感光缆不同测点间的相对温度降幅达到或大于0.5℃，且2 h内的降温速率达到或大于0.4℃/h，即可判定为渗漏。

（5）DTS可以实现长距离的分布式监测，实际工程中光缆成本较低，监测主要成本来自于DTS解调仪。因此每公里监测所需费用随隧道长度的增加而减小，对于长距离隧道渗漏监测具有较好的应用价值。