劉曉燕
(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司,新疆 和田 848000)
光纖傳感檢測常用的方法有三種,第一種方法是被動方法,即使用溫度探頭或簡單的光纖傳感電纜,這種方法是基于滲透水引起的壩體內(nèi)絕對溫度變化。這種方法僅限于滲透水和壩料之間存在溫度梯度的情況。當不滿足上述條件時,采用第二種方法-熱脈沖法或溫差法。它被稱為主動方法。在實踐中,這種方法主要用于光纖混合傳感電纜。通過加熱光纖傳感電纜,在高含水飽和度區(qū)域或甚至流動區(qū)域內(nèi)的電纜段顯示為熱傳輸增加的部分,即它們加熱較少。通過計算熱脈沖開始前和熱脈沖峰值時測量值之間的溫差,可以清楚地看到滲漏區(qū)域。第三種方法是計算沿電纜的有效導熱系數(shù)。該方法是熱脈沖法的一個進展。在滲流情況下,該方法產(chǎn)生有效導熱系數(shù)增加的區(qū)域。溫差和有效導熱系數(shù)都是測量地下滲流或飽和度變化的敏感方法。特別是如果這兩種方法結合起來,它們就構成了一種高效而靈敏的工具,用于檢測和監(jiān)測大壩的滲漏[1-2]。
第一種技術,特別是使用溫度探針,已經(jīng)被開發(fā)來測量在現(xiàn)有堤壩中的不同深度(高達30-40m)的原位溫度測試。第二種和第三種方法—沿光纖的溫度監(jiān)測被設計成能夠快速、方便地記錄大壩中任何成分和幾何結構的溫度分布,其中光纖技術已應用在施工或修復過程中[3]。
該技術可在深度超過30-40m的沉積物和路堤中進行溫度測量。由多個螺紋段組成的金屬管沿剖面壓入地面,形成如圖1所示的溫度探頭陣列。通常每隔1m放置的溫度傳感器鏈被插入管道中。在管內(nèi)溫度與地溫相適應后,測量不同深度的地溫。當測得的溫度立即在現(xiàn)場計算機上繪圖時,在檢測到溫度異常的地方,溫度探頭的初始間距開始減小。
圖1 溫度探頭陣列的安裝
迄今為止,溫度探頭已應用于所有長度約500km的堤壩和其他水工建筑物,例如船閘,顯示了對可靠的和成功的滲漏區(qū)和滲漏的檢測的需求,以及大壩基礎中的異常流動。溫度探頭適用于施工或維修后的質(zhì)量控制。
通過向光纖發(fā)送短激光脈沖(<10 ns)來工作。用拉曼光譜分析背散射光,提供斯托克斯和反斯托克斯強度。斯托克斯與反斯托克斯強度的比值與反射點處的溫度成正比(等于測量點)。測量點的位置是沿光纖的距離,根據(jù)所需的后向散射光的持續(xù)時間和光速計算得出。該方法提供沿整個光纖分布的溫度分布。
分布式光纖溫度傳感方法能夠沿長達30km的傳統(tǒng)光纖進行高分辨率溫度測量。該方法適用于大壩、堤防等水工建筑物的監(jiān)測。將光纖集成到新建筑的結構中或在翻新和修理工程的范圍內(nèi),通過沿著光纖電纜進行溫度監(jiān)測,準確定位出現(xiàn)的泄漏。
在維修工程范圍內(nèi),光纖通常安裝在密封裝置的正后方,此處的溫度與保留水的溫度沒有差異。在這種情況下,光纖通過電線增強,以便在電纜附近產(chǎn)生熱脈沖。如果光纖和電線都在同一根電纜內(nèi)組合,則該電纜稱為混合電纜。混合電纜的安裝在電纜加熱時提供光纖溫度測量(見下一段“熱脈沖法”,HPM)。電感應熱在滲流或流動增加的位置消散,沿纖維的溫度不會增加到?jīng)]有流動的地方(見圖2)。因此,使用HPM進行滲漏檢測與擋水溫度和大壩溫度之間的溫度梯度無關。
圖2 不同加熱時間沿光纖的溫度測量,顯示不同的滲透區(qū)
光纖傳感方法首次應用于1996年。自那時起,世界范圍內(nèi)超過180km的混合電纜被視為許多新的建設和修復工程的范圍,作為一個連續(xù)的監(jiān)視設備或偶爾檢查[4]。此外,對HPM的更詳細分析揭示了孔隙速度的估計。
利用熱脈沖法測量了既有土石壩和地基中的局部地熱導率,并估算了滲水的孔隙流速。這種方法是基于產(chǎn)生一個明確定義的地面熱擾動,由線熱源表示。線熱源通常用電線實現(xiàn)。1991年,線路熱源與溫度探頭相結合,即電線除了插入溫度傳感器鏈外,還插入空心管中。與光纖結合,HPM首次應用于1998年[5]。
一旦打開熱源,測量裝置內(nèi)的溫度就會迅速上升,在純熱傳導的情況下,溫度會在對數(shù)時間尺度上不斷上升。在由滲流提供的對流情況下,溫度趨向于某個漸近值-最終溫度。根據(jù)其導熱性,溫度測量裝置周圍的材料將感生的熱量散發(fā)出去??姿僭酱?,散熱量越大,即最終溫度越低。在關閉熱源(松弛)時也觀察到類似的現(xiàn)象。沒有流體流動會產(chǎn)生緩慢的冷卻過程,并且經(jīng)過很長時間后會達到未受干擾的地面溫度。現(xiàn)有的流體流動導致對未擾動的地面溫度的快速適應。
兩種溫度適應過程(加熱和松弛)都用于測定材料在溫度測量點的熱導率。土壤和建筑材料的導熱系數(shù)在0.8-4.5Wm-1k-1之間。當流體流動時,熱導率遠遠超過這些值,然后它們與流速成正比。因此,熱脈沖法提供了從地溫測量中定性估計孔隙速度的設備。
HPM引起的溫度對土壤或建筑材料的滲透取決于加熱時間、熱源強度和流速。HPM的不斷發(fā)展預示著對孔隙速度的更精確的估計。上述方法已應用于土石壩和混合電纜沿線的溫度探測。HPM的另一種方法是低溫脈沖法。在沒有電力供應的現(xiàn)場,通過冷卻而不是加熱溫度探頭的管道,速度估計在技術上是可行的。使用液態(tài)二氧化碳冷卻管道時,監(jiān)測溫度測量。與HPM相似,用低溫脈沖法獲得的數(shù)據(jù)的評估揭示了孔隙速度的定性估計。
大壩位于某流域上最大的發(fā)電廠上游約2km處。該發(fā)電廠建于1982年至1986年間,年發(fā)電量為1968GWh,以供水、灌溉和發(fā)電為目的。大壩最大高度為83m、壩頂長度為270m、壩體積為1.7×106m3的瀝青心墻堆石壩。有效庫容2.25108m3。大壩的儀器包括壓力計、總壓傳感器、引伸計等,用于測量滲透水量以及其他裝置。在傳統(tǒng)儀器的基礎上,安裝了基于分布式光纖溫度測量的泄漏檢測系統(tǒng)。2015年7月,通過在堤壩內(nèi)進行現(xiàn)場溫度測量,發(fā)現(xiàn)了一個重要的滲透帶。因此,計劃了修復措施。在2019年密封修復之前,通過長時間的溫度測量驗證了滲漏的程度和量。測量結果證實了2015年的發(fā)現(xiàn),此外,對溫度隨時間變化的分析顯示,滲漏率約為4-5L/s。這些數(shù)值通過在大壩下游壩趾處應用電子流量計得到證實。
根據(jù)設計,用于泄漏檢測的光纜沿著瀝青芯和基礎和EL之間的界面沿壩軸線方向運行。海拔1010m。共安裝了大約1.5km的光纖電纜。電纜被放置在瀝青芯線下游的排水和過渡區(qū)。儀器房位于壩頂上方的右岸,提供所有必要的設施,如電源和互聯(lián)網(wǎng)連接,以自動操作系統(tǒng)。規(guī)定的熱輸入為8 W/m電纜。
為了評估水庫蓄水和大壩運行期間大壩滲流條件的變化,必須在水庫蓄水前進行參考測量。參考測量在水庫蓄水開始時進行。獲得的溫差如圖3所示。
圖3 參考測量-蓄水前的溫差
在大壩的大部分地方,參考測量結果顯示沒有異常。只有在大壩的最低處,溫差才表明電纜周圍的材料已飽和或存在少量滲透。一般來說,溫差的變化主要是由周圍土壤材料的導熱系數(shù)不同引起的。土壤的熱導率除其他外取決于礦物成分、容重和含水量。
進行了泄漏模擬試驗,以檢查安裝的系統(tǒng)是否正常運行。為此目的,在壩頂設置一個水箱,并將滲流量調(diào)節(jié)到約0.15升/秒,以證明系統(tǒng)的靈敏度。水在兩個不同的點滲透。第一個地點的滲透開始于9:45,持續(xù)約3小時。由于假設滲透水沿著斜坡流動,所以在13:30開始在第二個點滲透。這種滲透持續(xù)了大約5h。
圖4顯示了大壩右側斜坡的顯著異常。1025-1050之間,由第一點的滲透引起。正如在試驗過程中已經(jīng)預料到的那樣,滲透水從斜坡上流出,導致St.235和St.250之間出現(xiàn)異常,而這種異常又隨著持續(xù)滲透而增加。在大壩的下部,特別是在St.120附近,觀測到了更多的溫度異常。測量過程中異?,F(xiàn)象加劇。時間特征和位置均表明異常是水庫蓄水導致水位升高所致。
圖4 滲漏模擬-溫差顯示滲透引起的異常
全自動在線泄漏監(jiān)測檢測系統(tǒng)于2019年8月投入運行。為了便于監(jiān)視,該應用程序基于瀏覽器。在線應用表明了光纖泄漏檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀。
現(xiàn)場溫度測量,以溫度探測或分布式光纖溫度傳感的形式,構成了滲透檢測和滲透監(jiān)測的有力工具。通過對路堤絕對地面溫度的評估,與原狀地面的溫差進行對比分析,可以很快找到砂層中的滲漏,評估地溫和河水溫的相移隨時間的發(fā)展,進而估計滲流量。為進一步修復提供客觀依據(jù)。該方法及其改進,如熱脈沖法,已成功地成為世界上100多座大壩和500km堤防的滲漏調(diào)查和滲漏監(jiān)測工具。