朱永國，袁宏才

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

0 引 言

自20世紀80年代以來，混凝土面板堆石壩在我國得到了快速的發(fā)展與推廣。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年底我國壩高30 m以上混凝土面板堆石壩總數(shù)已超過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，一些面板堆石壩由于設計不合理或施工碾壓不密實等導致運行期周邊縫止水失效、垂直縫擠壓破壞，進而造成壩體發(fā)生嚴重滲漏，危及大壩安全。因此，壩體滲漏監(jiān)測是混凝土面板堆石壩的重要監(jiān)測項目。

傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩壩體滲漏監(jiān)測方法，主要是在面板周邊縫底部等關鍵部位埋設少量滲壓計監(jiān)測周邊縫滲漏、在壩體堆石體內(nèi)埋設滲壓計監(jiān)測壩體浸潤線變化、在壩后設置量水堰監(jiān)測壩體滲流量。對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)測的關鍵部位，長度至少數(shù)千米，數(shù)量有限的滲壓計存在大量的監(jiān)測盲區(qū)，不能準確定位滲漏點位置，而且對于微小壓力差的貫通性滲漏，滲壓計是監(jiān)測不出的。

為此，水布埡面板堆石壩創(chuàng)新引進分布式光纖光柵測溫技術監(jiān)測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。基本上都是將光纖光柵測溫技術與傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測手段同時采用，以便相互對比分析驗證。猴子巖混凝土面板堆石壩引進光纖光柵測溫滲漏監(jiān)測技術，不僅監(jiān)測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。

1 光纖光柵測溫技術監(jiān)測滲漏的原理與優(yōu)勢

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，此處堆石體的溫度場將發(fā)生改變。利用光纖光柵溫度傳感器檢測到此處溫度場變化，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)埋設多個光纖光柵溫度傳感器構成分布式測溫網(wǎng)絡，即可實現(xiàn)對整個面板周邊縫、板間縫的滲漏監(jiān)測。

大壩堆石體內(nèi)溫度分布受多個因素影響。為準確可靠的判斷滲漏，需要將溫度變化量放大。為此增設一套輔助升溫系統(tǒng)，預先對所有溫度傳感器加熱，在傳感器周圍形成一個高于水溫的溫度場。一旦某處出現(xiàn)滲漏，溫度場將發(fā)生明顯異常，這樣可有效降低環(huán)境因素對溫度場的影響，減少對滲漏的誤判。

1.2 光纖光柵測溫技術監(jiān)測滲漏的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的滲漏監(jiān)測方法相比較，光纖光柵測溫技術監(jiān)測滲漏具有以下優(yōu)勢：

(1)可以實現(xiàn)連續(xù)分布式監(jiān)測。光纖光柵測溫技術監(jiān)測滲漏為分布式監(jiān)測技術，可以實時監(jiān)測光纜沿線長達幾十公里的溫度場信息。

(2)光纖光柵可實現(xiàn)多個測點信號串聯(lián)測量，共用傳輸光纜，信號傳輸距離遠，可靠性高，易于實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

(3)體積小，可埋設在被監(jiān)測對象內(nèi)部，不會破壞被監(jiān)測對象的結構，測量精度高。

(4)抗干擾性能強。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)適應性強。光纖光柵傳感器防腐蝕、耐火、耐水、壽命長，信號可在光纜任意一端測量。系統(tǒng)構成簡單，可降低相關防護或配套設施的成本。

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)測系統(tǒng)分為兩部分。一是沿面板周邊縫單獨布置一套光纖光柵測溫系統(tǒng)監(jiān)測面板周邊縫滲漏；二是分別布置4條分布式光纖測溫光纜監(jiān)測面板板間縫滲漏，1號測溫光纜監(jiān)測一期面板頂部水平施工縫，經(jīng)面板周邊縫引至壩頂觀測房；2號測溫光纜監(jiān)測左岸拉性垂直縫(左6～左11)，引至左岸觀測房；3號測溫光纜監(jiān)測中部壓性垂直縫(左2～右3)，經(jīng)周邊縫引至右岸觀測房；4號測溫光纜監(jiān)測右岸拉性垂直縫(右9～右14)，經(jīng)周邊縫引至右岸觀測房。猴子巖面板壩周邊縫/板間縫光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)布置見圖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)測系統(tǒng)布置

2.2 周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)的構成

猴子巖面板堆石壩光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)在面板周邊縫共布置375個光纖光柵溫度傳感器，監(jiān)測系統(tǒng)構成如圖2所示。在水布埡大壩面板周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)應用基礎上，猴子巖面板壩周邊縫滲漏監(jiān)測系統(tǒng)進行了如下優(yōu)化升級：

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

(2)優(yōu)化光柵測溫探頭結構設計，提高探頭響應速度和靈敏度。

(3)優(yōu)化加熱裝置設計，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，提高信號解調(diào)精度及穩(wěn)定性。

(5)新型光纖光柵傳感測溫系統(tǒng)具備與遠程計算機系統(tǒng)通信功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。

圖2 猴子巖面板堆石壩面板周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)構成

2.3 面板板間縫分布式光纖滲漏監(jiān)測系統(tǒng)

面板板間縫分布式光纖滲漏監(jiān)測系統(tǒng)分部位分設四條測溫光纜，測溫光纜為測溫光纖和加熱導體為一體化結構，易于埋設施工，可靠性高。分布式光纖測溫主機為4通道一體化結構，能夠以圖文方式在光纖測溫主機外接顯示屏上顯示測溫光纖各個測點的實時溫度及監(jiān)測區(qū)段的溫度分布曲線。分布式光纖系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 猴子巖面板堆石壩面板板間縫滲漏監(jiān)測系統(tǒng)構成

3 堆石體滲流特性試驗、新型光柵解調(diào)器研制

3.1 堆石壩堆石體滲流特性試驗[3，4]

3.1.1 堆石壩堆石體導熱系數(shù)與含水量關系試驗

當水流過堆石體時，如果二者存在溫度差，必然產(chǎn)生熱量交換，引起堆石體導熱系數(shù)的改變，從而導致堆石體溫度改變。干燥的堆石體的導熱系數(shù)很小，堆石體含水量增加，其導熱系數(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，測量其導熱系數(shù)。

試驗結論：大壩堆石體的導熱系數(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性試驗

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；通電加熱堆石體樣品，記錄各樣品加熱后的溫升值(℃)。其中，一個樣品在加熱過程中不斷注水模擬貫通性滲流狀態(tài)。

試驗結論：①不同含水量堆石體樣品加熱溫升值均隨加熱時間呈上升趨勢。②在相同的加熱時間內(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。此類解調(diào)器存在以下缺陷：①采用較多光分路器，對光源、探頭信號要求高； ②采用標準光柵作為參考，溫度補償穩(wěn)定性差；③不能長期不間斷運行；④需要借助示波器觀測光柵探頭信號波形。

針對早期光纖光柵解調(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：①采用光開關代替光分路器，降低對光源、探頭信號的要求；②采用最新型一體化光柵波長解析模塊，穩(wěn)定性、重復性好； ③新型解調(diào)器的軟件界面同時顯示光柵探頭波長、脈沖形狀及信號強度； ④具備與遠程計算機系統(tǒng)通信功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。

新型光纖光柵解調(diào)器測量參數(shù)顯示界面見圖4。

4 監(jiān)測成果分析

依據(jù)本文3.1堆石壩堆石體滲漏特性試驗結論及滲漏監(jiān)測原理，采用光纖測溫儀器監(jiān)測的加熱溫升(ΔT)數(shù)據(jù)變化曲線，結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點數(shù)據(jù)、2018年7月17日面板板間縫4個回路的分布式光纖測點數(shù)據(jù)分別進行監(jiān)測成果分析。

4.1 面板周邊縫滲漏監(jiān)測成果分析

2018年7月19日，對猴子巖大壩面板周邊縫375個光柵探頭測點實施了加熱前后的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測。(本次監(jiān)測時段為夏季，環(huán)境溫度13～23 ℃、水溫約12 ℃，環(huán)境溫度高于水溫)

通過計算面板周邊縫375個探頭測點加熱溫升值，分3個區(qū)段(左岸、水平段、右岸)繪制周邊縫各測點加熱溫升曲線。3個區(qū)段探頭測點加熱溫升曲線分別見圖5、6、7。

圖4 新型光纖光柵解調(diào)器顯示界面

圖5 左岸周邊縫測點加熱溫升曲線

圖6 水平段周邊縫測點加熱溫升曲線(171～208號)

圖7 右岸周邊縫測點加熱溫升

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(見圖5、7)：庫水位以下區(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；庫水位以上區(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)測未發(fā)現(xiàn)面板周邊縫光柵探頭溫升存在明顯異常點。

4.2 面板板間縫滲漏監(jiān)測成果分析

圖8 1號測溫光纜加熱溫升曲線

圖9 2號測溫光纜加熱溫升曲線

圖10 3號測溫光纜加熱溫升曲線

圖11 4號測溫光纜加熱溫升曲線

2018年7月17日實施了面板板間縫(1～4號)回路分布式光纖測點溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(本次監(jiān)測時段為夏季，環(huán)境溫度13～25 ℃、水溫約12 ℃，環(huán)境溫度高于水溫)。1、2、3、4號回路測溫光纜加熱溫升分布曲線見圖8～11。對曲線進行分析，①面板水平縫1號測溫光纜(見圖8)：受水溫影響，庫水位以下區(qū)段測點加熱溫升曲線均在2～3 ℃之間波動，變化較?。唤咏鼔雾攨^(qū)段測點受環(huán)境溫度影響，加熱溫升幅度較大；1號測溫光纜埋設區(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，故測點加熱溫升曲線波動較大。②面板垂直縫(2、3、4號)測溫光纜(見圖9～11)：受水溫影響，庫水位以下區(qū)段測點加熱溫升曲線均在2℃左右，波動很??；接近壩頂區(qū)段測點受環(huán)境溫度影響，加熱溫升幅度較大。2號測溫光纜埋設區(qū)域為面板(1 738 m高程以上)垂直縫，受止水銅箔保護，面板垂直縫內(nèi)部堆石體的環(huán)境狀況差異較小，故測點加熱溫升曲線波動較小。3、4號測溫光纜埋設區(qū)域為面板(1 700 m高程以上)垂直縫，測點加熱溫升曲線波動較2號測溫光纜稍大，可能與埋設區(qū)域堆石體環(huán)境影響有關。

本次監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)4個分布式光纜回路面板板間縫(水平縫、垂直縫)測點溫升存在異常。

4.3 面板周邊縫/板間縫滲漏監(jiān)測結論

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

5 結 語

本文簡要介紹了光纖光柵測溫技術在猴子巖混凝土面板堆石壩面板滲漏監(jiān)測中的應用情況。通過試驗測試驗證了監(jiān)測堆石體溫度場特性用于滲漏監(jiān)測的可行性。同時結合2018年7月中下旬的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，形成了初步監(jiān)測成果。

光纖光柵測溫技術監(jiān)測面板周邊縫、板間縫滲漏情況，作為堆石壩面板滲漏監(jiān)測的新方法，較好解決了面板堆石壩傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測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內(nèi)首次采用2套光纖光柵測溫監(jiān)測系統(tǒng)(光纖光柵測溫系統(tǒng)、分布式光纖測溫系統(tǒng))監(jiān)測大壩面板周邊縫和板間縫滲漏的成功應用，為混凝土面板堆石壩的面板滲流監(jiān)測提供了借鑒案例。