王皓宇，方忠強，任 康，涂齊亮，張 丹*

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；2. 華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司水下隧道智能設(shè)計、建造與養(yǎng)護技術(shù)與裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，南京 210014

作為一類重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，隧道工程在我國發(fā)展地非常迅速，但滲漏問題一直是隧道施工和管養(yǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)（石建勛等，2021）。長期滲漏水不僅會造成隧道內(nèi)積水，影響行車安全，也會加速隧道內(nèi)機電系統(tǒng)的銹蝕，影響設(shè)施壽命，長期漏水還會侵蝕圍巖，使得襯砌結(jié)構(gòu)剝落、風(fēng)化，鋼筋銹蝕，隧道的可靠性和壽命會隨之降低（龔曉南等，2021；Gao et al., 2019）。如何準(zhǔn)確的監(jiān)測滲漏水成為解決隧道病害的關(guān)鍵，對于保持隧道結(jié)構(gòu)健康具有重要的意義。

目前，工程界廣泛采用的隧道滲漏監(jiān)測主要有人工目測或量測、紅外、雷達(dá)、電法、三維激光掃描和示蹤劑監(jiān)測等技術(shù)（張彥龍等，2017；吳賢國等，2020；Menendez et al., 2018）?，F(xiàn)有技術(shù)存在成本高、耐久性差、易漏檢等問題，且難以對隧道的安全狀況進行全面監(jiān)測。光纖感測技術(shù)可以實現(xiàn)長距離的分布式測量，具有易于安裝、靈敏度高、可靠性強、抗電磁干擾、安全性好、成本低廉等優(yōu)點，隨著分布式光纖測溫系統(tǒng)的發(fā)展，其在隧道滲漏監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景（李登華等，2020；張?zhí)焐龋?020）。

曾鐵梅等（2007）認(rèn)為DTS具有實時監(jiān)測溫度隨光纖沿程分布的優(yōu)點，可以準(zhǔn)確找到滲漏點區(qū)間，適合隧道滲漏監(jiān)測。葉少敏等（2021）利用自加熱溫度敏感型光纜作為傳感元件，使用分布式測溫系統(tǒng)測量光纜溫度，利用熱脈沖法可以感測到隧道滲漏水的情況。Bremer等（2016）設(shè)計和開發(fā)了基于光時域反射技術(shù)的光纖檢測系統(tǒng)，可以檢測和識別隧道中的污水泄漏，并具有快速響應(yīng)的特點。對于DTS隧道滲漏監(jiān)測的影響因素研究，董海洲等（2013）提出光纖材料的導(dǎo)熱系數(shù)會影響測溫準(zhǔn)確性，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其溫度影響半徑也越大；對于監(jiān)測滲漏，重要的是要具有高空間分辨率，能夠在短距離內(nèi)檢測到較小的溫度梯度（Failleau et al.,2018）；Aminossadati等（2010）認(rèn)為應(yīng)使用具有大直徑纖芯的多模光纖，與單模光纖相比，多模光纖能夠獲得足夠的反向散射信號來進行精確的溫度測量并提供更高的分辨率。

針對隧道滲漏問題，本文研制了一種基于DTS的新型滲漏傳感光纜，提出了隧道滲漏感測方法，通過室內(nèi)試驗，對比分析了不同條件下傳感光纜的測量結(jié)果，驗證了該隧道滲漏監(jiān)測方法的可行性。

1 DTS溫度傳感原理

1.1 DTS傳感原理

分布式光纖溫度傳感技術(shù)（DTS）基于拉曼散射原理，通過檢測光纖中的拉曼散射光實現(xiàn)連續(xù)測量光纖沿線任一點的溫度。

拉曼散射光是由于光纖分子的熱振動而產(chǎn)生的，分為反斯托克斯光和斯托克斯光。根據(jù)反斯托克斯光與斯托克斯光強度之比和溫度的定量關(guān)系，得到測點的溫度，如式（1）所示：

式中，R(T)為待測溫度的函數(shù)；IF：反斯托克斯光強度；IS：斯托克斯光強度；vF：斯托克斯光中心頻率；c：真空中的光速；v：拉曼頻移量；h：普朗克常數(shù)；K：玻爾茲曼常數(shù)；T：絕對溫度。

結(jié)合光時域反射技術(shù)（OTDR），分布式光纖測溫系統(tǒng)可以實現(xiàn)對測溫點的準(zhǔn)確定位。

1.2 隧道滲漏監(jiān)測原理

基于干濕球溫度計測量原理，研發(fā)了一種新型的溫度敏感型隧道滲漏傳感光纜，光纜外表面包裹有濕球紗布制成的紗套，具有良好的吸水性，在滲漏量較小的情況下仍然可以有效收集滲漏水。金屬鎧裝管是熱的良導(dǎo)體，具有保護光纖和熱量傳導(dǎo)的雙重作用。通過金屬絲纏繞網(wǎng)與凱夫拉纖維網(wǎng)的聯(lián)合封裝，進一步提高了光纖的抗拉伸性能。光纜結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 光纜結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Fiber optic cable construction diagram

考慮到滲漏水的運動軌跡主要是沿邊墻向下流動，所采取的傳感光纜布設(shè)方向與滲漏水的流動方向正交，可以保證光纜與滲漏水接觸，利用DTS技術(shù)實現(xiàn)滲漏區(qū)域準(zhǔn)確識別與定位。沿隧道軸向直線型水平布設(shè)滲漏傳感光纜，光纜緊貼隧道內(nèi)壁，采用定點固定的方式安裝在隧道的內(nèi)表面，如圖2所示。當(dāng)滲漏水與傳感光纜外層的濕球紗套接觸后，被浸濕的濕球紗布表面發(fā)生水分蒸發(fā)，帶走熱量形成溫度差，使得浸濕光纜溫度低于未浸濕光纜。

圖2 傳感光纜隧道布設(shè)示意圖Fig. 2 Layout Diagram of the optic sensing cables in tunnel

計算某一監(jiān)測點水分蒸發(fā)的質(zhì)量，計算公式如下：

式中，M為水分蒸發(fā)的質(zhì)量，E為光纜被浸濕的情況下的溫度對應(yīng)的飽和水汽壓，e為空氣中的實際水汽壓，c為空氣和濕球紗布的水分交換系數(shù)，s為蒸發(fā)面積，p為大氣壓力；

該蒸發(fā)過程所消耗的熱量為：

式中，Q1為蒸發(fā)所消耗的熱量，L為蒸發(fā)潛熱；

某一監(jiān)測點被浸濕，則通過空氣向被浸濕的光纜傳遞熱量，傳遞的熱量表示為：

式中，Q2為空氣向被浸濕的光纜傳遞的熱量，h為熱量交換系數(shù)，T為空氣溫度（即相鄰未浸濕監(jiān)測點溫度），Tw為所述某一被浸濕監(jiān)測點溫度。

當(dāng)被浸濕的光纜溫度穩(wěn)定后，Q1與Q2處于平衡狀態(tài)，有Q1=Q2，聯(lián)立公式（3）與（4）得到：

將空氣濕度U表示為：

由（6）式得到相鄰未浸濕監(jiān)測點與所述某一被浸濕監(jiān)測點的溫度差ΔT可以表示為：

式中，T為未浸濕光纜溫度，Tw為浸濕部分溫度。E為浸濕光纜溫度對應(yīng)的飽和水汽壓（hPa），U為空氣濕度（%rh），ew為未浸濕光纜溫度對應(yīng)的飽和水汽壓（hPa），A為干濕球系數(shù)，p為大氣壓力（hPa）。

式（7）中干濕球系數(shù)的計算公式為（王云鶴等，2018）：

式中：v為空氣流過濕球四周的速度，m/s。

由式（7）可知，由于隧道滲漏而產(chǎn)生的溫度差表現(xiàn)為光纜溫度的降低。利用DTS對沿傳感光纜長度的溫度分布進行測量，通過溫度分布曲線上的溫度降低點確定隧道滲漏點的位置。

2 隧道滲漏監(jiān)測模擬試驗設(shè)計

2.1 試驗概況

濕球紗布水分蒸發(fā)引起的溫度變化受環(huán)境濕度、溫度、風(fēng)速、液體種類、液體溫度、空氣流速等因素的影響。本試驗?zāi)M隧道滲漏過程，試驗環(huán)境條件保持恒溫和高濕度，與實際隧道工作環(huán)境具有較高的相似性。從滲漏速度、環(huán)境風(fēng)速和滲漏時長三個方面對傳感光纜的性能進行了測試，驗證光纜感測性能和重復(fù)利用性。

2.2 試驗裝置

試驗采用兩個滲漏模擬裝置，傳感光纜位于滲漏模擬裝置下方，每個裝置下傳感光纜的長度均為4 m，兩段傳感光纜采用長度約10 m的普通測溫光纜連接。傳感光纜一端與60 m普通測溫光纜連接，其中30 m光纜置于恒溫箱內(nèi)用于溫度校準(zhǔn)，30 m光纜用于監(jiān)測室溫。普通測溫光纜沒有濕球紗套結(jié)構(gòu)，其他與傳感光纜相同。試驗裝置如圖3所示。

圖3 試驗裝置示意圖Fig. 3 Diagram of the test devices

圖4 主要試驗設(shè)備Fig. 4 Main test devices

2.3 試驗內(nèi)容與過程

為了檢測傳感光纜的感測性能，評價滲漏監(jiān)測方法的可行性，分別對滲漏速率、環(huán)境風(fēng)速和滲漏時長三個主要的滲漏條件進行了研究。其中，滲漏速度通過滲漏模擬裝置控制；利用風(fēng)源與滲漏點之間的距離控制風(fēng)速，實際風(fēng)速由風(fēng)速儀測量。滲漏時長試驗是研究長時間滲漏對光纜感測性能的影響，試驗過程中保持滲漏條件和環(huán)境條件不變，試驗時長為20 h。試驗的滲漏條件如圖5。

圖5 滲漏條件Fig. 5 Leakage conditions

在滲漏速度試驗中，滲漏點a模擬快速滲漏，滲漏點b模擬慢速滲漏。試驗過程中，保持滲漏速度不變，采用DTS連續(xù)測量光纜的溫度分布，5 h后停止試驗，待傳感光纜風(fēng)干后，再進行下一組測試（圖6）。

圖6 不同滲漏速度條件下傳感光纜溫度分布Fig. 6 Temperature distribution of optic sensing cables under different leakage rates

在環(huán)境風(fēng)速試驗中，保持滲漏點a、b的滲漏速度相同，通過調(diào)整風(fēng)源位置控制滲漏點處風(fēng)速。風(fēng)速分級標(biāo)準(zhǔn)如圖6所示。試驗分為兩組，第一組試驗使?jié)B漏點a、b分別處于無風(fēng)和微風(fēng)狀態(tài)下；第二組試驗使?jié)B漏點a、b分別處于輕風(fēng)和軟風(fēng)狀態(tài)下。采用DTS連續(xù)測量光纜的溫度分布。

在滲漏時長試驗中，保持滲漏點a、b的滲漏條件一致，采用DTS連續(xù)測量光纜的溫度分布，測量時間為20 h。

3 結(jié)果分析

3.1 滲漏速度的影響

利用滲漏模擬裝置調(diào)節(jié)兩個滲漏點a和b的滲漏速度，分為快速滲漏與慢速滲漏，試驗結(jié)果見圖6。當(dāng)滲漏造成傳感光纜的護套被浸濕后，在隧道恒溫恒濕條件下，蒸發(fā)吸熱使得滲漏點處溫度隨時間逐步下降，形成溫度降低區(qū)，而未浸濕光纜的溫度基本不變?？梢姡鶕?jù)溫度明顯降低區(qū)，可以識別滲漏事件。根據(jù)干濕球溫度計原理（林軍，2008；張懿，2021），定義傳感光纜不同測點間的溫度差為相對溫度降幅ΔTr（℃）；定義2 h內(nèi)每小時的相對溫度降幅為降溫速率vT（℃/h）。

另外，雖然滲漏點a和滲漏點b的滲漏速度不同，但溫度變化規(guī)律相似，說明滲漏速度對于準(zhǔn)確識別滲漏點影響不大，在不同滲漏速度下傳感光纜都具有良好的感測性能。

快速滲漏條件下的相對溫度降幅為1.29℃，慢速滲漏條件下為1.35℃，均在1 h左右到達(dá)峰值，變溫速率分別為1.02℃/h和1.18℃/h?？梢?，隨著滲漏速度增大，相對溫度降幅和降溫速率略有下降，但快速滲漏與慢速滲漏的相對溫度降幅與降溫速率差異不大，進一步說明了傳感光纜在不同程度滲漏條件下均具有良好的感測性能。

中共中央、國務(wù)院《關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》指出，實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，必須破解人才瓶頸制約，把人力資本開發(fā)放在首要位置。為此，廣西各級政府應(yīng)結(jié)合實際、立足長遠(yuǎn)，加大財政扶持力度，破解廣西鄉(xiāng)村振興人才瓶頸制約。

3.2 環(huán)境風(fēng)速的影響

將滲漏點a、b分別置于微風(fēng)、無風(fēng)和輕風(fēng)、軟風(fēng)兩組試驗條件下，不同時間的溫度分布及變化如圖7所示。

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速條件下傳感光纜溫度分布Fig. 7 Temperature distribution of optic sensing cables at different wind speeds

在不同環(huán)境風(fēng)速條件下，均出現(xiàn)明顯的溫度降低區(qū)，說明風(fēng)速變化不影響對滲漏事件的準(zhǔn)確識別，傳感光纜在不同環(huán)境風(fēng)速條件下都具有良好的感測性能。

不同環(huán)境風(fēng)速條件下的相對溫度降幅與前2 h內(nèi)的降溫速率如表1所示。通過對比可知，環(huán)境風(fēng)速可以在一定程度上提高相對溫度降幅和降溫速率。根據(jù)式（2）和式（3），干濕球系數(shù)與環(huán)境風(fēng)速正相關(guān)，環(huán)境風(fēng)速增大會使相對溫度降幅增加，也會使前2h的降溫速率相應(yīng)增加。可見，試驗結(jié)果與理論模型具有相同的變化規(guī)律。

表1 不同風(fēng)速下產(chǎn)生的相對溫度降幅與降溫速率Table 1 Relative temperature drop and cooling rate at different wind speeds

3.3 滲漏時長的影響

保持滲漏點a、b處環(huán)境條件一致，對光纜進行連續(xù)20 h測量，每4小時采集一組數(shù)據(jù)，傳感光纜的溫度分布如圖8所示。滲漏點a和滲漏點b處的傳感光纜在4 h內(nèi)溫度下降達(dá)到最大值，經(jīng)長時間滲漏后，仍表現(xiàn)為明顯的溫度降低區(qū)，由此可以判斷滲漏點的位置。

圖8 滲漏時長對傳感光纜溫度分布的影響Fig. 8 Effect of leakage duration on the temperature distribution of optical sensing cables

滲漏點a和滲漏點b處的傳感光纜相對溫度降幅的時程曲線如圖9所示?？梢?，20 h試驗過程中相對溫度降幅較為穩(wěn)定，說明結(jié)合DTS技術(shù)防水、耐腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)勢，長時間滲漏不會對傳感光纜的感測性能產(chǎn)生影響。滲漏區(qū)域的溫度降低現(xiàn)象可維持不變，滿足實際工程長時間監(jiān)測對可靠性的要求。

圖9 相對溫度降幅隨滲漏時長的變化Fig. 9 Variation of relative temperature drop with leakage duration

3.4 重復(fù)利用性

為了驗證傳感光纜的可重復(fù)利用性，光纜遇水浸濕后，在自然環(huán)境下風(fēng)干，再進行滲漏試驗。圖10是經(jīng)過5次浸濕—風(fēng)干循環(huán)后得到的滲漏點a處傳感光纜溫度分布曲線?？梢?，經(jīng)多次浸濕—風(fēng)干循環(huán)后，仍可以根據(jù)滲漏造成的傳感光纜溫度降低區(qū)準(zhǔn)確識別滲漏點。滲漏區(qū)域的相對溫度降幅與降溫速率不會隨浸濕—風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生顯著變化（如圖11所示），說明研發(fā)的溫度敏感型傳感光纜具有良好的可重復(fù)利用性。

圖11 相對溫度降幅與降溫速率隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Fig. 11 Variation of relative temperature drop and cooling rate with wet-dry cycles

不同環(huán)境風(fēng)速以及不同滲漏時長條件下，滲漏浸濕傳感光纜的相對溫度降幅均大于0.5℃，且降溫速率大于0.4℃/h，這兩個參數(shù)可以作為滲漏的判別閾值。當(dāng)傳感光纜的相對溫度降幅和降溫速率達(dá)到以上閾值時，可以判斷隧道存在滲漏事件，滲漏點的位置可以根據(jù)相對溫度降幅所在位置確定。

首先，濕潤光纜受到蒸發(fā)影響，溫度會略有下降，但降幅不大；而后，溫度在一段時間內(nèi)保持不變；最后，待水分蒸發(fā)完畢，光纜溫度逐步增加至室溫。試驗表明，在無風(fēng)條件下，當(dāng)環(huán)境濕度為95%，浸濕的光纜水分完全蒸發(fā)約需要15 h左右；在自然通風(fēng)條件，施加軟風(fēng)至輕風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)源，約需要10 h左右。

4 結(jié)論

針對隧道滲漏監(jiān)測技術(shù)的不足，研發(fā)了濕球紗布封裝的溫度敏感性滲漏傳感光纜，提出了基于分布式光纖溫度傳感（DTS）的隧道滲漏分布式感測方法，通過室內(nèi)試驗驗證了該方法的可行性，探究了滲漏速度、環(huán)境風(fēng)速和滲漏時長對滲漏感測性能的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）滲漏速度對滲漏識別的準(zhǔn)確性影響較小，傳感光纜在不同滲漏速度下均具有良好的感測性能。隨著滲漏速度增大，相對溫度降幅和降溫速率略有下降，但快速滲漏與慢速滲漏的相對溫度降幅與降溫速率差異不大。

（2）在不同風(fēng)速條件下，溫度敏感型光纜均具有十分良好的感測性能，風(fēng)速的變化對滲漏識別的影響較小。在高濕度環(huán)境下，當(dāng)風(fēng)速大于1.5 m/s，增加風(fēng)速可以在一定程度上提高相對溫度降幅和降溫速率。

（3）長時間滲漏不會對傳感光纜的感測性能產(chǎn)生影響，且傳感光纜經(jīng)過多次浸濕—風(fēng)干循環(huán)后，仍然保持了良好的感測性能，具有可重復(fù)利用性。

（4）得到了溫度敏感性傳感光纜滲漏識別的閾值標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)傳感光纜不同測點間的相對溫度降幅達(dá)到或大于0.5℃，且2 h內(nèi)的降溫速率達(dá)到或大于0.4℃/h，即可判定為滲漏。

（5）DTS可以實現(xiàn)長距離的分布式監(jiān)測，實際工程中光纜成本較低，監(jiān)測主要成本來自于DTS解調(diào)儀。因此每公里監(jiān)測所需費用隨隧道長度的增加而減小，對于長距離隧道滲漏監(jiān)測具有較好的應(yīng)用價值。