基于全分布式傳感的土石壩安全監(jiān)測(cè)策略

王 川

(南岸干渠灌區(qū)管理處，新疆 伊犁 835100)

0 引言

堤壩監(jiān)測(cè)的背景任務(wù)是監(jiān)測(cè)由于異常滲漏而引起的壩內(nèi)溫度和壓力的變化。水壓通常是由沿滲流路徑分布的一些鉆孔管檢測(cè)到的，是跟蹤滲流的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)量[1-2]。通?？梢允褂脺囟扔?jì)在豎管內(nèi)測(cè)量溫度。電阻率測(cè)量相對(duì)來說更為復(fù)雜，因?yàn)樗鼈冃枰粋€(gè)基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和大壩上的小型技術(shù)裝置。盡管這些現(xiàn)有方法都是有效的，但沒有一種方法適合于持續(xù)監(jiān)測(cè)。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，基于光纖分布式傳感的堤壩內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來[3]。在混凝土心墻堆石壩中，采用預(yù)熱光纜法進(jìn)行滲流檢測(cè)。滲漏可能會(huì)導(dǎo)致土石壩的破壞，特別是在松散的地形中。但是，如果將溫度和應(yīng)變值分開記錄，很難對(duì)嚴(yán)重滲漏或管涌引起的土石壩沉降進(jìn)行預(yù)警。本文介紹一個(gè)土石壩安全管理系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)部分，對(duì)土石壩運(yùn)行狀態(tài)記錄、信息進(jìn)行管理，并制定維護(hù)策略。

1 基于光纖傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)

光纖傳感電纜是以單模光纖受激布里淵散射(SBS)機(jī)理為基礎(chǔ)的傳感單元。通過對(duì)探測(cè)光的布里淵增益進(jìn)行頻域監(jiān)測(cè)，可以檢測(cè)出異常滲漏和沉降發(fā)生部位周圍光纖的溫度和應(yīng)變。光纖傳感器埋入堤壩和丁壩中。光纖傳感器的結(jié)構(gòu)見圖1。終端模塊盒實(shí)際上是保護(hù)光纖連接器的容器。DiTeSt-STA202分析儀完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量和讀數(shù)。

圖1 光纖傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 案例研究

2.1 傳感系統(tǒng)布置

雅瑪渡水電站工程位于新疆伊犁河南岸干渠，工程布置由右至左依次為：右岸引水廠房1座，引水渠全長(zhǎng)6 km，110 kV室內(nèi)開關(guān)站1座，徑流式水電站廠房1座，8孔溢洪道大壩1座，垂直升船機(jī)1臺(tái)，左岸土石壩1座。

在雅瑪渡大壩的設(shè)計(jì)階段，有6個(gè)部分被標(biāo)記為在壩體中安裝儀器，見圖2。每個(gè)部分都包括一套工具，如立管和電管壓力計(jì)以及安裝在離壩軸線一定距離處的壓力測(cè)量單元。大壩共分6個(gè)壩段安裝了34個(gè)壓力計(jì)，分3個(gè)壩段安裝了34個(gè)電壓力計(jì)，分3個(gè)壩段安裝了5個(gè)阻尼器。在一個(gè)斷面上還安裝了4對(duì)溫度傳感器，在大壩左右兩側(cè)還安裝了2個(gè)三角形溢流流量測(cè)量工具。

圖2 雅瑪渡大壩斷面儀表圖

為評(píng)估大壩的穩(wěn)定性，跟蹤測(cè)試了兩個(gè)數(shù)量：壓力應(yīng)變(PG)和溫度變化(T)。其中壓力應(yīng)變主要是測(cè)量壩體中孔隙水壓力，孔隙水壓力變化是大壩健康監(jiān)測(cè)中非常重要的參數(shù)?？紫端畨毫梢苑磻?yīng)大壩穩(wěn)定性。振弦式壓力計(jì)是測(cè)量孔隙水壓力的可靠、穩(wěn)定的儀器。壓電計(jì)的輸出包括獨(dú)立于阻抗和接觸電阻的信號(hào)，并且能夠?qū)⒃撔盘?hào)傳輸足夠長(zhǎng)的距離。同時(shí)也安裝了裸光纖傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光纖傳感系統(tǒng)基于單模光纖中受激布里淵散射(SBS)的機(jī)理。將光纖傳感器埋入土石壩內(nèi)的四個(gè)不同層中，測(cè)量溫度(T)和壓力應(yīng)變(PG)的影響。傳感器在滲流過程中沿不同的溫度等值線分布。表1顯示了儀器布置對(duì)應(yīng)的位置。

表1 雅瑪渡大壩傳感器布置參數(shù)

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

(1)孔隙水壓力變化

超孔隙壓力比RU定義為孔隙水壓力即測(cè)壓讀數(shù)U=γw×hw與垂直有效覆蓋應(yīng)力σv=γs×hs(其中h表示高度，γ表示比密度)的比值。這是土壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。大壩性能評(píng)估如下：

如果RU<0.4：大壩條件安全且有利；如果0.40.6：大壩處于臨界狀態(tài)。由于孔隙壓力高，水傾向于從土壤中流出。這可能最終導(dǎo)致大壩垮塌；如果U>σv(即RU>1)：大壩發(fā)生水力破壞。

圖3繪制了雅瑪渡大壩超孔隙壓力比RU隨時(shí)間的變化，由于PG-6位于大壩軸線中心位置，隨時(shí)間變化不大，因此圖中只給出了其余五個(gè)監(jiān)測(cè)值變化。從圖中可以看出PG-1距離水庫(kù)最近，受影響較大，RU介于0.4～0.6之間，說明大壩左基部分存在一定風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)未來是否有任何突然變化。其余監(jiān)測(cè)值均小于0.4，顯示了令人滿意的狀況，沒有立即上升的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 斷面RU的變化

(2)溫度變化

堤壩內(nèi)溫度隨水的注入而變化。圖4顯示了大壩內(nèi)外光纖的初始狀態(tài)。我們可以看到室外溫度在11℃左右；土石壩內(nèi)部的初始溫度為10.2℃。

圖4 溫度的四個(gè)轉(zhuǎn)折曲線

圖4顯示了不同位置溫度隨著水庫(kù)蓄放水時(shí)的變化，從圖中可以看出，在下一個(gè)相對(duì)較大的水流到來之前，這兩個(gè)溫度保持了一段時(shí)間的穩(wěn)定。第二天，當(dāng)灌水流量增加時(shí)，由于一些新的冰塊再次混入池中的水，堤壩內(nèi)的溫度下降。從圖中可以看出T-1溫度變化最為明顯。伴隨著上游來水，大壩左肩迎水坡面的溫度感應(yīng)T-1首先降低，在隨后白天氣溫升高，溫度監(jiān)測(cè)也隨之升高，并且由于T-1位于迎水坡面大壩，受水溫變化影響最大因此監(jiān)測(cè)變化最大。當(dāng)溫度變化較大并且變化較為頻繁時(shí)容易引起大壩壩體開裂，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重潰壩的極端狀態(tài)，因此需要及時(shí)檢測(cè)。

3 結(jié)論

以雅瑪渡水電站土石壩為例，提出一種安全監(jiān)測(cè)與維護(hù)策略。討論光纖傳感電纜的配置，并介紹數(shù)據(jù)采集、處理和管理模塊的添加，以滿足為用戶和大壩管理人員提供更高水平的大壩性能監(jiān)測(cè)和高級(jí)預(yù)警系統(tǒng)的目標(biāo)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)集成了新的數(shù)據(jù)采集流程和中央數(shù)據(jù)庫(kù)，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量、預(yù)警能力和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果?？筛玫亓私饧霸u(píng)估土石壩的性能，以便能夠迅速確定變化，為整個(gè)土石壩的運(yùn)行和維護(hù)做出明智的決定。