非饱和土水分迁移感测的主动加热光纤光栅法试验研究

非饱和土水分迁移是诱发多种地质灾害和环境岩土问题的重要因素,对其机理的认识因测试技术的不足尚不明确。为探究主动加热光纤光栅(AH-FBG)法监测非饱和土水分迁移的效果,分析单探针和双探针AH-FBG法的误差来源及分布特征,开展了一组室内土柱试验。在试验中同时采用AH-FBG法和传统的频域反射(FDR)法监测毛细水上升和水分蒸发的全过程,对比单探针法和双探针法的监测精度,分析不同方法的适用工况。结果表明:基于单探针AH-FBG的3种数据分析方法中,热导率法的监测精度最高,但是单探针法在监测毛细水上升过程中,当湿润锋刚没过探针感测位置时,受纵向传热的影响会使得测量的含水率值偏低;相比于单探针法,双探针法受纵向传热的影响更大,监测土体水分迁移有较大误差,误差大小与测点位置处的土体含水率值及土柱纵剖面的含水率分布情况有关;为减小纵向传热影响,从传感器结构和数据处理两方面提出了AH-FBG法的改进措施。

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象。为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证。试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好的观测效果,可观测出水分运移的更多细节;运用FDR法,对AHFO传感器进行原位标定,曲线拟合精度R2均大于0.93,具有较高的体积含水率监测准确度;毛细阻滞层对降雨入渗具有明显的阻滞效应,即存储屏障上部入渗和减少水分向下部水体渗出。相关研究结论为毛细阻滞现象研究以及土壤水分场监测提供了一种新的监测方法。

基于主动加热光纤法的冻土相变温度场特征分析

冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤(AHFO)法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅(FBG)刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6℃时,相变热容趋于稳定;在-6~0℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。

不同环境温度下土体含水率主动加热光纤法监测试验研究

近年来,主动加热光纤(active heated fiber optical,AHFO)法因其具有长距离、耐久性好、分布式等优势,在土体含水率原位监测中不断得到应用。然而,由于我国一些地区土体的温度随四季变化很大,冬季土体温度甚至会达到零下几十度,土体中的水会发生相变,因此,研究不同环境温度对土体含水率AHFO法原位监测结果的影响具有重要意义。采用自主研发的内加热FBG刚玉管传感器,在-20~40℃下对3个不同含水率的试样进行了测试。研究结果表明,在试样含水率不高于8.8%时,不同温度下测得的试样含水率最大误差小于量程的1.5%,测量精度较高,在实际测量中可忽略环境温度的影响。当试样含水率高于8.8%时,正温区含水率测量的最大误差仅为量程的1.34%,测量精度仍较高;而在负温区时,由于自由水和毛细水在低于0℃时发生相变,导致热传递机制和试样结构发生变化,原来的标定公式不再适用,故需重新标定含水率测量的相关参数。研究结果为该技术的进一步完善和推广应用提供了重要依据。

基于主动加热光纤法的土中含水率测定与蒸腾分割模型评价

植物的蒸腾作用会改变土的基质吸力,进而影响土的力学性质。文章选用三种不同蒸腾速率的鸭脚木、绿萝和常青藤,利用主动加热光纤法(AHFO)对植物根系周围土的含水率进行了分布式测试,研究了植物蒸腾过程中的水力作用,评价了常用的描述植物与土的水力交互作用的蒸腾分割模型。试验结果表明:植物对土中含水率的影响可用蒸腾分割模型进行有效描述,含水率变化受植物叶面积、根系密度、土层深度和蒸腾时间的影响;绿萝与鸭脚木叶面积指数和根系密度相近,二者引起根部周围土中的含水率变化值相近,为0.075 m3/m3,常青藤的叶面积指数和根系密度远远大于绿萝与鸭脚木。因此,常青藤引起的根部周围土中的含水率变化值远大于其他两种植物,为0.125 m3/m3;植物对土中水分运移的影响主要在土的表层10～15 cm深度范围内,深部位置的水分场几乎不受植物的影响;湿润后,植物对土中含水率的影响以干燥初期最为显著,主要由植物的被动吸水作用引起。

基于AHFO-FBG的黄土含水率不同率定方法对比分析

主动加热光纤布拉格光栅法(Actively Heated Fiber-Optic method based on Fiber Bragg grating method,AHFO-FBG method)因具有体积小、测温精度高、准分布式测量、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,近年来成为含水率测量技术的研究热点。研究该技术的率定方法对提高含水率测量的精准性和适用性是十分关键的,但现有研究中均未涉及到此内容。因此,本文采用自主研发的AHFO-FBG传感器对黄土开展了一系列率定试验,研究了ΔT_(max)和ΔT_(cum)两种率定方法的含水率率定结果,对此两种方法进行了对比分析。同时,进一步探究了不同加热时长和不同加热功率对ΔT_(max)法和ΔT_(cum)法率定结果的影响。研究结果表明:ΔT_(max)和ΔT_(cum)法均可得到良好的含水率率定结果,ΔT_(max)法的RMSE比ΔT_(cum)法高0.001 m^(3)·m^(-3),ΔT_(cum)法的测量优势不是很显著。在相同加热功率下,ΔT_(max)法和ΔT_(cum)法均在较短加热时间下的测量误差较小,且加热时间越短,ΔT_(cum)法较ΔT_(max)法的优势越明显;在相同加热时间下,低功率(5~10 W·m^(-1))时ΔT_(max)法的RMSE较小,高功率(15~35 W·m^(-1))时ΔT_(cum)法的RMSE较小,且适当的增加热功率有助于减少含水率率定误差。研究成果为AHFO-FBG技术实现土体含水率的精确测量和进一步应用提供了依据。

滑坡地下渗流流速的光纤光栅监测装置研发

地下渗流是影响滑坡稳定性的重要因素之一,实现渗流相关物理指标的实时有效监测是准确分析滑坡地下水响应规律和滑坡演化过程的关键.常规渗流监测装置无法兼具渗流速率和流向两个关键参数,且存在抗干扰能力弱、监测成本高、精度低的局限性.结合主动加热光纤光栅法的温度传感特性和地下渗流场中的热对流规律,研发滑坡体渗流速率和流向的光纤光栅监测装置,建立基于测孔温度光纤光栅示踪的渗流监测系统.通过开展模型试验对监测装置和监测系统的有效性进行验证,研究结果表明:通过对测孔各方位光纤光栅的温度特征值变化率kη实施监测,可准确识别地下渗流的流速和流向;在流速量程1.2×10^(-4)~3.0×10^(-4)m/s范围内,装置对渗流速率具有较好的线性度和监测能力,装置监测渗流速率的误差占比11.2%,渗流流向的识别精度为11°左右.该装置的研发为库岸滑坡体地下渗流的精细监测提供了一种新的方法和技术手段.

基于神经网络的改进型土壤水分光纤感测技术研究

土壤水分时空分布的精准监测对于工程地质评估、地质灾害防治具有重要意义。当土壤含水率变化梯度较大时,准分布式主动加热光纤光栅(AH-FBG)法的测量误差相对较大。为分析该工况下的误差来源及其沿深度的分布状态,设计开展了3组室内土柱试验,并在试验基础上提出了基于人工神经网络(ANN)的联合分析法,以改进AH-FBG水分感测技术的分析方法。研究结果表明:将AH-FBG法应用在含水率变化梯度较大的土体中,加热时传感器和土体中会产生纵向传热,其中传感器纵向传热占主导地位;该效应会降低含水率监测精度,且相关误差不能通过减少加热时间进行消减;室内试验和现场监测数据均显示,相较于传统的最大升温值法,联合分析法考虑了升温跃迁和拖滞效应,因此得到的含水率监测精度明显提高,证明了该方法的优越性。

黄土水分场光纤原位监测及非饱和渗透系数估算

土壤含水率和渗透系数的原位测定是研究黄土高原地区各类地质灾害机理的重点和难点。应用基于AHFO的含水率测量方法,对降雨条件下黄土地基的水分场动态分布进行原位监测;以含水率监测结果和土水特征曲线为基础改进传统瞬态剖面法,估算蒸发条件下黄土的非饱和渗透系数。结果表明:①土壤中的水分运移受重力、吸力梯度和大气蒸发力的综合控制;降雨后黄土中的水分循环主要发生在浅层,降雨量较大时,土壤剖面呈现出干湿交替的现象;降雨量较小时,水分入渗到一定深度即向上部运移排泄;②改进的瞬态剖面法可以避免含水率分布函数和吸力未知所带来的计算误差,实现蒸发作用下黄土的非饱和渗透系数估算;③非饱和渗透系数计算值与平均含水率成正相关关系,但离散性较大,其误差主要来源于土壤性质的空间变异性和蒸发作用的滞后性;④该研究成果为降雨入渗模型的建立提供了精确的含水率和渗透系数,可广泛应用于黄土高原地区的原位试验研究。

基于AHFO技术的毛细水运移模型验证试验研究

为了验证常用的描述毛细水运移模型的准确性,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(简称AHFO)对砂土模型中的毛细水运移进行了测试。根据测试结果,分析了毛细水入渗模型Green-Ampt模型、Terzaghi毛细水上升模型和毛细水最大上升高度预测模型Lane模型、Peck模型的特点和预测精度。试验分析结果表明:对于砂性土,毛细水上升过程可以分为两个阶段,第一阶段(约前50 h),Green-Ampt模型和Terzaghi毛细水上升模型预测的毛细水上升高度值均低于实测值,Terzaghi模型拟合精度高于Green-Ampt模型;第二阶段(约50h后),Green-Ampt模型和Terzaghi模型预测值均高于实测值,且Green-Ampt模型拟合精度高于Terzaghi模型。这两个模型预测精度随时间的变化现象是与其所用的假设条件和土体物理性质变化有关。Peck模型的误差低于Lane模型,为2.60 cm,而Lane模型由于只考虑了有效粒径D10,误差高达8.58 cm。利用Green-Ampt模型可反演土的饱和渗透系数与湿润锋处基质吸力。研究成果为常用毛细水运移模型选择和误差分析提供了实测依据。

AH-FBG水流流速传感器研制与试验研究

为了解决当前水流流速传感器易受电磁干扰、集成困难的问题,基于主动加热光纤布拉格光栅(AH-FBG)技术和热对流原理,研制了一种能够用于水流流速测量及流向初步识别的AH-FBG传感器.通过室内试验探究了该传感器用于水流流速测量和流向初步识别的可行性,以及加热功率对测量结果的影响.研究结果表明:AH-FBG传感器中6个光纤布拉格光栅(FBG)的温度特征值均与水流流速呈负相关关系,温度特征值与水流流速标定公式的拟合度高达0.98,可用于水流流速计算;传感器外部2组FBG可用于初步识别水流方向,利用每组中的具有较小温度特征值的FBG识别潜在迎水区,2个潜在迎水区的交集范围即为实际流向的范围;温度特征值增量与加热功率呈线性正相关关系,在一定范围内提高加热功率能够增强AH-FBG传感器对水流速度测量和流向识别的灵敏性.

层状土毛细水上升过程中Lucas-Washburn模型评价及修正

受界面效应影响,毛细水在层状土中运移规律还难以用描述均质土中水分运移规律的Lucas-Washburn(LW)渗吸模型进行描述。基于此,本文设计了层状土室内模型试验,采用分布式的主动加热光纤法(简称AHFO)监测毛细水上升过程。根据AHFO测试结果,进一步对LW模型进行了修正,提出了适用于描述层状土中毛细水上升规律的ILW模型,并对ILW模型进行了试验验证。试验结果表明:(1)当毛细水湿润锋抵达"黏土(下部)-砂土(上部)"界面时,会产生"毛细屏障作用",从而导致上部砂土中毛细水含水率急剧下降;(2)"毛细屏障作用"由砂土和黏土中的基质吸力不均衡造成,基质吸力大小由含水率决定;(3)当毛细水湿润锋抵达"砂土(下部)-黏土(上部)"界面时,在界面处出现"反毛细屏障作用",从而导致上部黏土层中的含水率比相邻下部砂土层含水率更高;(4)虽然常见的LW模型可准确预测均质土中毛细水上升高度及速率,但受"毛细屏障作用"和"反毛细屏障作用"影响,LW模型在层状土中失效;(5)相比LW模型,ILW模型精度更高,能够更加准确地描述层状土中毛细水上升规律。