心墻堆石壩光纖滲漏監測技術研究

譚志偉，胡靈芝

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

0 引言

心墻堆石壩安全監測的核心目標在于監測滲漏破壞和滑坡，預防滲漏破壞的發生。集中滲流和管涌事故的發生和發展，具有隱蔽性、局部性和時空隨機性。對于這種時空隨機性很強的 “細部病灶”的探測難度很大。常規的滲流監測設備難以可靠地捕捉滲漏和管涌的早期征兆信息，無法達到不漏測漏報的要求。

近年來，快速發展的光纖技術為心墻堆石壩滲漏監測提供了全新解決方案。通過研究開發光纖滲漏監測系統，可以提高心墻堆石壩的滲漏監測水平，防患于未然。

1 心墻滲漏的主要誘因和風險因素

（1）水力劈裂。由于心墻堆石壩的壩殼料變形模量相對心墻高，心墻通常存在一定程度的拱效應，導致心墻上游面應力水平較高，可能誘發水力劈裂的 “楔劈效應”。

（2）土體裂縫。根據工程統計[1]，在大型水庫大壩出現的質量問題中屬于土石壩裂縫方面的約占39%，幾率相當高。按裂縫的成因劃分，除了水力劈裂裂縫以外，還有多種因素可能導致裂縫。如，陡坡、界面剪應力區 （剪切屈服帶）和高應變梯度區最容易滋生裂縫。

（3）心墻和反濾層局部質量缺陷。土體發生滲透破壞的判別式是j≥jcr（j為水力坡降，jcr為土體抗滲強度）。二者都是高變異性的隨機量，滲透破壞與否是多重隨機事件的組合。心墻內一旦出現局部質量缺陷就可能形成沖蝕。心墻-反濾聯合防滲能力也會因局部質量缺陷而遭受局部破壞，成為 “病灶”部位。

（4）滲透變形受多種因素影響。試驗表明，滲透穩定性隨圍壓增大而減小，且水頭快速增加，臨界坡降也會減小。這說明除防滲土與反濾料的粒徑比及粒徑級配等因素外，沖蝕破壞還受到土體應力應變狀態、水力條件的影響。總之，沖蝕破壞受到眾多因素的影響，尚蘊含一些未知性和不確定性。

2 心墻堆石壩滲漏監測的基本原理

水體從壩體中流過，當兩種介質存在溫度差時，必然產生熱量交換。由于土石體具有較低的熱傳導特性，且溫度場分布較均勻；微量滲流存在時，流動速度緩慢而穩定，土水間有充足的時間和充分的接觸空間改變溫度場。

當土石體內存在大量水流動時，土石體熱傳導強度將隨之發生改變，土石體傳導熱的傳遞將明顯被流體運動所引起的對流熱的傳遞所超越，由此引起溫度場變化。在研究該處正常地溫及參考水溫后，就可確定監測點處溫度異常是否由滲流水活動引起，這一變化可作為滲流探測的指標特征，從而實現對土體內集中滲漏點的定位和監測[2]。

3 光纖傳感技術的應用

對于心墻堆石壩溫度場的監測，常規監測手段存在網絡覆蓋面窄、精度不高等局限性，而目前迅速發展的光纖傳感技術提供了解決方案。

3.1 光纖傳感技術的基本原理

光纖傳感技術較傳統儀器具有靈敏度高、適應環境能力強、易于集成以及自動化程度高等特點。光纖傳感技術中光纖光柵系統 （FBG）應用較為廣泛。該系統利用光纖的纖芯材料的光敏性，采用紫外光寫入技術在纖芯中生成空間相位光柵。在溫度變化情況下纖芯長度會改變，從而導致光柵周期發生變化，其反射波長會偏移；由此建立波長變化與溫度的對應關系。

3.2 光纖傳感技術的應用方式

為監測溫度場，將多支光纖光柵傳感器串聯在一根光纜上。每支傳感器的中心波長互不相同，由二次儀表 （主機）光柵解調儀進行檢測，該機發射寬帶光，入射于FBG網絡或陣列，接收各個FBG的反射光，測出各個波長偏移量，即可確定FBG埋設范圍內的溫度場。

光纖監測系統能夠觀測到滲漏的基本前提是，滲漏產生的異常溫度場與正常滲流的溫度場存在明顯差異。根據庫水與傳感器埋設介質之間的溫差大小，滲流監測主要采用以下兩種辦法：

（1）梯度法。當庫水與傳感器埋設點的土體介質之間存在一定溫差時，集中滲流的對流散熱 （或加熱）作用，就會使滲流集中通道附近的溫度場與正常滲流區之間產生溫差或溫度梯度，從而指示滲漏的出現。

（2）加熱法。當滲漏水溫與埋設點地溫之間溫度梯度小時，可加鋪一條加熱電纜 （或其他電熱裝置）與傳感光纜或光纖傳感器并行。施測時通電預熱，傳感器升溫偏低者指示滲流異常。

圖1為糯扎渡水電站心墻堆石壩壩體—壩基三維溫度場空間云圖。計算成果表明，心墻上、下游面部位的常年溫度分別為21℃和23.5℃。這說明，心墻上、下游面的溫差較小，相差僅約2.5℃，相應的溫度梯度也較小。因此，需要采用加熱法放大監測信號。

圖1 糯扎渡水電站壩體—壩基三維溫度場空間云圖

4 滲流—溫度耦合分析

通過對所構建光纖滲漏監測模型在不同流速工況下滲流—溫度雙場耦合的仿真計算，得到的溫升時程曲線見圖2。從圖2可知，在通電加熱初期，溫度上升很快，隨后溫升大體按指數型曲線的規律趨緩而最終趨于穩定。

圖2 溫升時程曲線

穩定溫升與流速的關系曲線見圖3。圖3顯示，滲水靜止時，穩定溫升約達18℃；滲流流速0.05 mm/s時溫升16℃；流速0.1 mm/s溫升13℃；流速 0.2 mm/s時溫升10.5℃；流速1～3 mm/s時，溫升4～6℃。由此可見，溫升與流速關系十分明顯。在一定條件下，滲流速度成為溫升的惟一控制因素。因此，這從理論上確立了滲流流速與光電傳感單元溫升之間的一一對應規律，從而依據觀測到的溫度異常區，把相應的異常滲漏凸顯出來。故上述理論分析及動態仿真成果再次證實了用光纖傳感監測滲漏的可行性。

圖3 穩定溫升與流速的關系

5 心墻滲流識別方法

大壩土質防滲體的抗滲安全取決于心墻防滲料與反濾層的聯合抗沖蝕作用和能力。心墻的任何一處防滲料的滲透破壞，無不存在一個發生、發展過程，滲流沖蝕一旦開始，就存在兩種發展過程和趨勢：當反濾機制失效時，沖蝕越來越快，呈惡性循環，最終導致重大事故甚至潰壩；而當沖刷的土粒或土團一旦被反濾料所截留，則滲流通道被逐漸淤塞而自行愈合。

通過構建光纖滲漏監測模型，對心墻堆石壩滲流狀態進行了模型試驗。試驗設定了以下3種工況：①工況I——正常滲流；②工況II——局部滲透沖蝕逐步自愈；③工況III——局部滲透沖蝕逐步擴展。各工況滲流速度V值及其演化情況見表1。

表1 各工況不同歷時滲流速度V

大壩滲流狀態與溫度場對應演化規律的數值仿真結果見圖4。試驗成果如下：

（1）工況I，時間零點通電加熱后，約0.5 h到達峰值12℃，約2 h降至11.4℃并維持不變，這代表了滲流流速小且穩定的情況。這時通電后各測點溫度升至11.4℃，空間分布均勻，時間上保持穩定。據此，當工程中觀測到類似的溫度信息時，可判斷心墻滲流維持常態，大壩運行正常。

圖4 大壩滲流狀態與溫度場對應演化規律的數值仿真結果

（2）工況II，流速由小而大、再變小，導致相應的溫度變化呈碗狀。其流速增大至恢復常態歷時16 h，溫度異常歷時約22 h。碗底處的溫度最低點（7.8℃）比流速最高點滯后約0.5 h，由此可以判斷大壩經歷了沖蝕后逐步自愈。

（3） 工況III，流速逐步增加造成的溫度后果是溫度值持續下降，至24 h時已降至6℃，比常態滲流場的相應溫度低了5.4℃，由此表明大壩經歷沖蝕后而逐步擴展的過程。

試驗成果表明，本系統所構建的滲漏監測模型能夠有效識別正常滲流、局部滲透沖蝕逐步自愈、局部滲透沖蝕逐步擴展等心墻滲流的不同狀態，能全過程監控大壩的滲流演變情況，可有效地捕捉滲流異常的早期信號，彌補了傳統監測手段的不足。

6 結語

本文分析了心墻滲漏的主要誘因和風險因素，根據高心墻堆石壩滲漏監測及光纖傳感技術的基本原理提出了光纖傳感技術應用方式。通過動態仿真計算及模型試驗，建立了光纖傳感陣列溫升與滲流流速之間的確定而明顯的對應關系；同時，文中還給出了土石壩的3種基本的滲流狀態—常態滲流、沖蝕自愈、沖蝕擴展的流速變化與溫度變異之間的對應規律。

光纖滲漏監測技術理論依據充分，技術上可驗證，在心墻堆石壩滲漏監測中具有創新性，可以提高大壩監測技術水平，具有較高的應用價值。

［1］ 牛運光.土石壩裂縫原因分析與防治處理措施綜述［J］.大壩與安全， 2006（5）:61-66.

［2］ 李端有，陳鵬霄，王志旺.溫度示蹤法滲流監測技術在長江堤防滲流監測中的應用初探［J］.長江科學院院報，2000，17（增）:48-51.