Optimization of early seepage detection in embankments using a distributed temperature system based on fiber optic sensing : doctoral dissertation
Optimizacija postopka zgodnjega zaznavanja pojava precejanja vode v nasipih na podlagi spremljanja temperaturnega polja z optičnimi kabli : doktorska disertacija

angleški

doktorska dela

2023

disertacije   gradbeništvo   Grajeno okolje   nasipi   optični kabli   precejna voda   temperatura   zemljine

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo
(Obvezni izvod spletne publikacije)

Precejanje je najpomembnejši kazalec pri izdelavi ocene varnosti nasutih pregrad in nasipov in zahteva izvajanje stalnega nadzorstva s ciljem ohranjanja kondicijskega stanja objektov. S konvencionalnimi tehnikami s točkovnim spremljanjem precejanja v nasipih in nasutih pregradah lahko pridobimo le omejene informacije o poteku procesa. Ker pojav precejanja vpliva na toplotno obnašanje nasipov, lahko morebitni pojav precejanja ugotavljamo z vzpostavitvijo stalnih meritev temperature v nasutih pregradah in nasipih. Z napredkom merilne tehnike z uporabo optičnih vlaken je na voljo merska oprema, ki omogoča porazdeljeno zaznavanje temperature - porazdeljeni temperaturni senzor (DTS), ki meri temperaturo okolice vzdolž celotne dolžine optičnega kabla v poljubnem časovnem intervalu. Pri tej merilni tehniki razlikujemo dva načina izvedbe meritev: s pasivno merilno tehniko in aktivno merilno tehniko, ki za razliko od pasivne merilne tehnike zahteva dodatno energetsko napajanje. S pasivno merilno tehniko izvajamo meritve temperature zemljine, zato je ta metoda primerna za dolgoročno spremljanje temperature v nasutih pregradah in zemeljskih nasipih. V disertaciji smo postavili dva cilja: prvič, da je možno pojav precejanja v pregradah zaznati z merskim sistemom DTS z optičnimi kabli, ki temelji na pasivni merilni tehniki in drugič, da pravilna porazdelitev sistema DTS z optičnimi kabli poveča sposobnost zgodnje zaznave pričetka precejanja v nasutih pregradah in nasipih. Eksperimentalni del naloge smo izvedli v dveh fazah. V prvem delu smo pripravili manjši poskusni model za simulacijo pojava precejanja v nasipih. Zemeljski material smo v modelu nadomestili s kremenčevim peskom s tremi različnimi granulometričnimi sestavami. Hidravlične in toplotne lastnosti materialov so bile pridobljene iz laboratorijskih preskusov ali iz ustrezne literature. Osnovni namen tega preliminarnega poskusa je bilo opredeliti osnovne parametre za izdelavo poskusnega modela v večjem merilu (izbira in način vgradnje materiala, namestitev merskega kabla, simulacija precejanja v sloju kremenčevega peska,...). V drugem delu smo izvedli poskus v večjem merilu v laboratorijskih razmerah, pri čemer smo uporabili samo en tip kremenčevega peska, ki se je v predhodnih preiskavah izkazal kot najustreznejši. S simulacijo procesa precejanja v laboratorijskih razmerah smo dokazali, da je z merskim sistemom DTS z optičnimi kabli mogoče zaznati kakršne koli majhne spremembe temperature v peščenem sloju, ki so posledica pojava precejanja. Sistem omogoča zaznavo pričetka poteka precejanja v začetnih fazah, kot je spremljanje napredujočega procesa precejanja, tudi v primerih, ko gre za majhne temperaturne razlike med zemljino in precejno vodo. V nadaljnjem koraku smo izvedli numerično analizo, tako za potek procesa precejanja, kot tudi za potek prenosa toplote v tleh. Dokazali smo jasno povezavo med variiranjem stopnje zasičenosti in izmerjene temperature tako z vizuelnim zapažanjem pri izvajanjulaboratorijskih preskusov, kot pri numeričnih simulacijah. Potrdili smo ustreznost uporabe pasivnega sistema DTS za zaznavanje precejanja v nasipih. Ugotovili smo, da je učinkovitost uporabe DTS pri spremljanju pojava precejanja močno odvisna od načina namestitve optičnih vlaken, tehnike umerjanja, interpretacije temperaturnih podatkov in naknadne obdelave rezultatov meritev. Za dosego natančnosti zajema meritev smo uporabili poseben način položitve optičnega kabla z zankami, ki temelji na konfiguraciji zaznavnega obroča in omogoča natančen točkovni zajem meritev. Na podlagi celovitega pregleda različnih tehnik za interpretacijo podatkov o temperaturi v zvezi s pojavom precejanja smo podali smernice za optimizacijo uporabe merskega sistema DTS z optičnimi kabli. Poleg tega smo pregledali različne metode za umerjanje rezultatov meritev s sistemom DTS z optičnimi kabli. Razvrstili smo različne tehnike, tako pri umerjanju kot pri interpretaciji meritev in jih primerjali glede njihove uporabnosti za učinkovitejšo uporabo sistema DTS z optičnimi kabli pri ugotavljanju poteka precejanja. Predlagana je bila tudi metoda za interpretacijo podatkov DTS, ki temelji na primerjavi numeričnih rezultatov z dobljenimi meritvami temperature v nasipih.

12.05.2023