光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)在猴子巖混凝土面板堆石壩的應(yīng)用

朱永國(guó)，袁宏才

(1.國(guó)電大渡河猴子巖水電建設(shè)公司，四川 康定 626005;2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，混凝土面板堆石壩在我國(guó)得到了快速的發(fā)展與推廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底我國(guó)壩高30 m以上混凝土面板堆石壩總數(shù)已超過(guò)400座，并先后建成天生橋、洪家渡、水布埡等高面板堆石壩，其中233 m高的水布埡大壩是世界最高面板堆石壩。與此同時(shí)，一些面板堆石壩由于設(shè)計(jì)不合理或施工碾壓不密實(shí)等導(dǎo)致運(yùn)行期周邊縫止水失效、垂直縫擠壓破壞，進(jìn)而造成壩體發(fā)生嚴(yán)重滲漏，危及大壩安全。因此，壩體滲漏監(jiān)測(cè)是混凝土面板堆石壩的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩壩體滲漏監(jiān)測(cè)方法，主要是在面板周邊縫底部等關(guān)鍵部位埋設(shè)少量滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)周邊縫滲漏、在壩體堆石體內(nèi)埋設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)壩體浸潤(rùn)線變化、在壩后設(shè)置量水堰監(jiān)測(cè)壩體滲流量。對(duì)于高混凝土面板堆石壩而言，面板周邊縫、垂直縫和施工縫均為滲漏監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部位，長(zhǎng)度至少數(shù)千米，數(shù)量有限的滲壓計(jì)存在大量的監(jiān)測(cè)盲區(qū)，不能準(zhǔn)確定位滲漏點(diǎn)位置，而且對(duì)于微小壓力差的貫通性滲漏，滲壓計(jì)是監(jiān)測(cè)不出的。

為此，水布埡面板堆石壩創(chuàng)新引進(jìn)分布式光纖光柵測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)面板周邊縫滲漏情況[1-2]，此后其他一些面板堆石壩也有采用?；旧隙际菍⒐饫w光柵測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測(cè)手段同時(shí)采用，以便相互對(duì)比分析驗(yàn)證。猴子巖混凝土面板堆石壩引進(jìn)光纖光柵測(cè)溫滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅監(jiān)測(cè)面板周邊縫滲漏情況，而且創(chuàng)新用于面板垂直縫、水平施工縫等板間縫的滲漏監(jiān)測(cè)。

1 光纖光柵測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)滲漏的原理與優(yōu)勢(shì)

1.1 工作原理

混凝土面板堆石壩面板周邊縫、板間縫某處出現(xiàn)滲漏時(shí)，此處堆石體的溫度場(chǎng)將發(fā)生改變。利用光纖光柵溫度傳感器檢測(cè)到此處溫度場(chǎng)變化，即可判斷滲漏發(fā)生的位置。在面板周邊縫、板間縫底部堆石體內(nèi)埋設(shè)多個(gè)光纖光柵溫度傳感器構(gòu)成分布式測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)面板周邊縫、板間縫的滲漏監(jiān)測(cè)。

大壩堆石體內(nèi)溫度分布受多個(gè)因素影響。為準(zhǔn)確可靠的判斷滲漏，需要將溫度變化量放大。為此增設(shè)一套輔助升溫系統(tǒng)，預(yù)先對(duì)所有溫度傳感器加熱，在傳感器周圍形成一個(gè)高于水溫的溫度場(chǎng)。一旦某處出現(xiàn)滲漏，溫度場(chǎng)將發(fā)生明顯異常，這樣可有效降低環(huán)境因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響，減少對(duì)滲漏的誤判。

1.2 光纖光柵測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)滲漏的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的滲漏監(jiān)測(cè)方法相比較，光纖光柵測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)滲漏具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式監(jiān)測(cè)。光纖光柵測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)滲漏為分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜沿線長(zhǎng)達(dá)幾十公里的溫度場(chǎng)信息。

(2)光纖光柵可實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)串聯(lián)測(cè)量，共用傳輸光纜，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

(3)體積小，可埋設(shè)在被監(jiān)測(cè)對(duì)象內(nèi)部，不會(huì)破壞被監(jiān)測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)，測(cè)量精度高。

(4)抗干擾性能強(qiáng)。光纖光柵為石英材料，完全絕緣，不受電磁干擾，能夠抗高電壓和高電流的沖擊，本征防雷擊。

(5)適應(yīng)性強(qiáng)。光纖光柵傳感器防腐蝕、耐火、耐水、壽命長(zhǎng)，信號(hào)可在光纜任意一端測(cè)量。系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，可降低相關(guān)防護(hù)或配套設(shè)施的成本。

2 猴子巖面板堆石壩周邊縫和板間縫滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)布置

猴子巖面板堆石壩面板周邊縫、板間縫光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩部分。一是沿面板周邊縫單獨(dú)布置一套光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)面板周邊縫滲漏；二是分別布置4條分布式光纖測(cè)溫光纜監(jiān)測(cè)面板板間縫滲漏，1號(hào)測(cè)溫光纜監(jiān)測(cè)一期面板頂部水平施工縫，經(jīng)面板周邊縫引至壩頂觀測(cè)房；2號(hào)測(cè)溫光纜監(jiān)測(cè)左岸拉性垂直縫(左6～左11)，引至左岸觀測(cè)房；3號(hào)測(cè)溫光纜監(jiān)測(cè)中部壓性垂直縫(左2～右3)，經(jīng)周邊縫引至右岸觀測(cè)房；4號(hào)測(cè)溫光纜監(jiān)測(cè)右岸拉性垂直縫(右9～右14)，經(jīng)周邊縫引至右岸觀測(cè)房。猴子巖面板壩周邊縫/板間縫光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

圖1 猴子巖面板堆石壩面板周邊縫/板間縫光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

2.2 周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

猴子巖面板堆石壩光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在面板周邊縫共布置375個(gè)光纖光柵溫度傳感器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。在水布埡大壩面板周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，猴子巖面板壩周邊縫滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了如下優(yōu)化升級(jí)：

(1)采用光纖傳感行業(yè)通用的“15波段”光柵探頭，保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通用性和互換性。

(2)優(yōu)化光柵測(cè)溫探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高探頭響應(yīng)速度和靈敏度。

(3)優(yōu)化加熱裝置設(shè)計(jì)，加熱系統(tǒng)具備“快速”、“正?！?、“慢速”3檔切換。

(4)研制新型的光纖光柵解調(diào)器，提高信號(hào)解調(diào)精度及穩(wěn)定性。

(5)新型光纖光柵傳感測(cè)溫系統(tǒng)具備與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

圖2 猴子巖面板堆石壩面板周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 面板板間縫分布式光纖滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

面板板間縫分布式光纖滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分部位分設(shè)四條測(cè)溫光纜，測(cè)溫光纜為測(cè)溫光纖和加熱導(dǎo)體為一體化結(jié)構(gòu)，易于埋設(shè)施工，可靠性高。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)為4通道一體化結(jié)構(gòu)，能夠以圖文方式在光纖測(cè)溫主機(jī)外接顯示屏上顯示測(cè)溫光纖各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度及監(jiān)測(cè)區(qū)段的溫度分布曲線。分布式光纖系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 猴子巖面板堆石壩面板板間縫滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

3 堆石體滲流特性試驗(yàn)、新型光柵解調(diào)器研制

3.1 堆石壩堆石體滲流特性試驗(yàn)[3，4]

3.1.1 堆石壩堆石體導(dǎo)熱系數(shù)與含水量關(guān)系試驗(yàn)

當(dāng)水流過(guò)堆石體時(shí)，如果二者存在溫度差，必然產(chǎn)生熱量交換，引起堆石體導(dǎo)熱系數(shù)的改變，從而導(dǎo)致堆石體溫度改變。干燥的堆石體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，堆石體含水量增加，其導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。取適量大壩堆石體分別制作含水量不同的樣品，測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)論：大壩堆石體的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增加而增大。

3.1.2堆石壩堆石體含水量與加熱溫升的相關(guān)性試驗(yàn)

取大壩堆石料若干，制作不同含水量堆石體樣品；將加熱元件和溫度計(jì)捆綁在一起，依次埋入不同含水量的堆石體樣品中，將堆石體樣品壓實(shí)；通電加熱堆石體樣品，記錄各樣品加熱后的溫升值(℃)。其中，一個(gè)樣品在加熱過(guò)程中不斷注水模擬貫通性滲流狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)論：①不同含水量堆石體樣品加熱溫升值均隨加熱時(shí)間呈上升趨勢(shì)。②在相同的加熱時(shí)間內(nèi)， 堆石體樣品含水量越高，溫升越小。③堆石體樣品在貫通性滲流狀態(tài)下，溫升幅度極小。

3.2 新型光纖光柵解調(diào)器的研制

早期的光纖光柵解調(diào)器的核心部件采用“光纖法-帕分析器”解析光柵波長(zhǎng)。此類解調(diào)器存在以下缺陷：①采用較多光分路器，對(duì)光源、探頭信號(hào)要求高； ②采用標(biāo)準(zhǔn)光柵作為參考，溫度補(bǔ)償穩(wěn)定性差；③不能長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行；④需要借助示波器觀測(cè)光柵探頭信號(hào)波形。

針對(duì)早期光纖光柵解調(diào)器的不足，研制的新型光纖光柵解調(diào)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用光開(kāi)關(guān)代替光分路器，降低對(duì)光源、探頭信號(hào)的要求；②采用最新型一體化光柵波長(zhǎng)解析模塊，穩(wěn)定性、重復(fù)性好； ③新型解調(diào)器的軟件界面同時(shí)顯示光柵探頭波長(zhǎng)、脈沖形狀及信號(hào)強(qiáng)度； ④具備與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

新型光纖光柵解調(diào)器測(cè)量參數(shù)顯示界面見(jiàn)圖4。

4 監(jiān)測(cè)成果分析

依據(jù)本文3.1堆石壩堆石體滲漏特性試驗(yàn)結(jié)論及滲漏監(jiān)測(cè)原理，采用光纖測(cè)溫儀器監(jiān)測(cè)的加熱溫升(ΔT)數(shù)據(jù)變化曲線，結(jié)合背景資料綜合分析面板周邊縫和板間縫滲漏情況[5]。

下面選取2018年7月19日面板周邊縫光柵探頭測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、2018年7月17日面板板間縫4個(gè)回路的分布式光纖測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)成果分析。

4.1 面板周邊縫滲漏監(jiān)測(cè)成果分析

2018年7月19日，對(duì)猴子巖大壩面板周邊縫375個(gè)光柵探頭測(cè)點(diǎn)實(shí)施了加熱前后的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。(本次監(jiān)測(cè)時(shí)段為夏季，環(huán)境溫度13～23 ℃、水溫約12 ℃，環(huán)境溫度高于水溫)

通過(guò)計(jì)算面板周邊縫375個(gè)探頭測(cè)點(diǎn)加熱溫升值，分3個(gè)區(qū)段(左岸、水平段、右岸)繪制周邊縫各測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線。3個(gè)區(qū)段探頭測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線分別見(jiàn)圖5、6、7。

圖4 新型光纖光柵解調(diào)器顯示界面

圖5 左岸周邊縫測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線

圖6 水平段周邊縫測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線(171～208號(hào))

圖7 右岸周邊縫測(cè)點(diǎn)加熱溫升

面板周邊縫探頭溫升分布曲線分析。 ①面板周邊縫水平段(見(jiàn)圖6)：該段所有探頭均位于大壩堆石體水位線之下，受水溫影響最大，該段探頭整體溫升低于周邊縫其他區(qū)域；溫升曲線均勻平滑；②左岸周邊縫、右岸周邊縫區(qū)段(見(jiàn)圖5、7)：庫(kù)水位以下區(qū)段，探頭溫升受水溫及堆石體溫度雙重影響，該區(qū)段探頭溫升隨大壩高程升高呈緩慢上升趨勢(shì)；庫(kù)水位以上區(qū)段，探頭溫升僅受堆石體環(huán)境溫度影響，該區(qū)段探頭溫升明顯高于其他部位；尤其是面板壩頂部區(qū)段，探頭溫升最高。

本次監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)面板周邊縫光柵探頭溫升存在明顯異常點(diǎn)。

4.2 面板板間縫滲漏監(jiān)測(cè)成果分析

圖8 1號(hào)測(cè)溫光纜加熱溫升曲線

圖9 2號(hào)測(cè)溫光纜加熱溫升曲線

圖10 3號(hào)測(cè)溫光纜加熱溫升曲線

圖11 4號(hào)測(cè)溫光纜加熱溫升曲線

2018年7月17日實(shí)施了面板板間縫(1～4號(hào))回路分布式光纖測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)(本次監(jiān)測(cè)時(shí)段為夏季，環(huán)境溫度13～25 ℃、水溫約12 ℃，環(huán)境溫度高于水溫)。1、2、3、4號(hào)回路測(cè)溫光纜加熱溫升分布曲線見(jiàn)圖8～11。對(duì)曲線進(jìn)行分析，①面板水平縫1號(hào)測(cè)溫光纜(見(jiàn)圖8)：受水溫影響，庫(kù)水位以下區(qū)段測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線均在2～3 ℃之間波動(dòng)，變化較??；接近壩頂區(qū)段測(cè)點(diǎn)受環(huán)境溫度影響，加熱溫升幅度較大；1號(hào)測(cè)溫光纜埋設(shè)區(qū)域跨越所有面板，每塊面板內(nèi)部堆石體的環(huán)境狀況存在差異，故測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線波動(dòng)較大。②面板垂直縫(2、3、4號(hào))測(cè)溫光纜(見(jiàn)圖9～11)：受水溫影響，庫(kù)水位以下區(qū)段測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線均在2℃左右，波動(dòng)很?。唤咏鼔雾攨^(qū)段測(cè)點(diǎn)受環(huán)境溫度影響，加熱溫升幅度較大。2號(hào)測(cè)溫光纜埋設(shè)區(qū)域?yàn)槊姘?1 738 m高程以上)垂直縫，受止水銅箔保護(hù)，面板垂直縫內(nèi)部堆石體的環(huán)境狀況差異較小，故測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線波動(dòng)較小。3、4號(hào)測(cè)溫光纜埋設(shè)區(qū)域?yàn)槊姘?1 700 m高程以上)垂直縫，測(cè)點(diǎn)加熱溫升曲線波動(dòng)較2號(hào)測(cè)溫光纜稍大，可能與埋設(shè)區(qū)域堆石體環(huán)境影響有關(guān)。

本次監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)4個(gè)分布式光纜回路面板板間縫(水平縫、垂直縫)測(cè)點(diǎn)溫升存在異常。

4.3 面板周邊縫/板間縫滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)論

未發(fā)現(xiàn)面板周邊縫/板間縫(分布式光纜埋設(shè)回路)測(cè)點(diǎn)溫升存在異常點(diǎn)，據(jù)此可以判定面板周邊縫/板間縫不存在疑似滲漏點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了光纖光柵測(cè)溫技術(shù)在猴子巖混凝土面板堆石壩面板滲漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)堆石體溫度場(chǎng)特性用于滲漏監(jiān)測(cè)的可行性。同時(shí)結(jié)合2018年7月中下旬的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成了初步監(jiān)測(cè)成果。

光纖光柵測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)面板周邊縫、板間縫滲漏情況，作為堆石壩面板滲漏監(jiān)測(cè)的新方法，較好解決了面板堆石壩傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測(cè)方法存在的諸多不足。猴子巖水電站混凝土面板堆石壩在國(guó)內(nèi)首次采用2套光纖光柵測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)、分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng))監(jiān)測(cè)大壩面板周邊縫和板間縫滲漏的成功應(yīng)用，為混凝土面板堆石壩的面板滲流監(jiān)測(cè)提供了借鑒案例。