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《南京大学》 2014年
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土壤含水率分布式光纤测量试验研究

曹鼎峰  
【摘要】:含水率是土壤的基本物理参数,也是评价土体工程性质的基本物理量。然而目前还缺少长距离、大面积的现场测量方法,影响了区域土的生态环境与工程地质研究。基于拉曼散射光的时域反射技术(ROTDR),突破了传统的点式测量技术的局限,实现了对岩土体温度场的分布式实时测量,通过对温度场的连续测量还可以间接测量岩土体中的其它物理信息。本文提出了一种基于ROTDR内加热型碳纤维光缆的分布式原位测量土壤含水率的方法(DWS),通过理论分析、工艺设计、室内试验和现场测量,比较系统地论证了该方法测量土壤含水率的可行性,并取得了如下成果:1、对目前土壤含水率主要的测量方法和技术进行了评述,并对各项技术的优缺点进行了分析,在此基础上,介绍了一种基于ROTDR的内加热型碳纤维光缆分布式测温系统(DWS)。2、从理论上推导了线性热源加热过程中温度变化量与周围介质热导系数的关系,总结出了影响土壤热导特性的各种因素,主要包括含水率、干密度和粉粒含量。3、提出了一种基于DWS的土壤含水率分布式原位测量的方法,介绍了这一方法的基本原理;提出了温度特征值(Tt)的概念,并介绍了确定Tt的方法;建立了Tt与土壤含水率之间关系;通过升温曲线斜率的平均化处理,减小了该方法的测量误差。4、设计出了基于DTS的土壤含水率分布式原位测量系统(DWS),该系统包括四个子系统,即加热子系统、感测子系统、解调子系统和数据处理子系统,并对各个子系统及系统集成进行了介绍。5、设计了标定试验装置,通过室内试验,采用控制变量法分别标定了在特定加热功率下土壤含水率、干密度、粉粒含量与温度特征值的关系。6、开展了DWS的现场试验。在250m长的回填土土槽中对DWS的含水率测量性能和精度进行了现场测定。通过与烘干法所测结果比较,DWS的测量绝对误差不超过2.1%。7、开展了DWS应用于滑坡监测的可行性研究。通过室内模型试验,验证了DWS应用于滑面定位和滑体含水率测定的可行性。试验结果表明:DWS的滑动面定位误差小于2.5cm,可有效测量滑体非饱和部分的含水率,并设计出了DWS应用于滑坡体监测的布线方案。本论文的研究成果表明:DWS能够原位测量土壤含水率,并可实现长距离、大面积的土壤含水率分布式测量,应用前景十分广阔。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S152.7

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