光纖傳感技術在大壩滲漏檢測中的應用

劉曉燕

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

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，在高含水飽和度區域或甚至流動區域內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域。第三種方法是計算沿電纜的有效導熱系數。該方法是熱脈沖法的一個進展。在滲流情況下，該方法產生有效導熱系數增加的區域。溫差和有效導熱系數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，用于檢測和監測大壩的滲漏[1-2]。

第一種技術，特別是使用溫度探針，已經被開發來測量在現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]。

2 現場溫度測量技術

2.1 溫度探頭安裝

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量控制。

2.2 光纖溫度傳感分布式溫度傳感

通過向光纖發送短激光脈沖(<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，根據所需的后向散射光的持續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，通過沿著光纖電纜進行溫度監測，準確定位出現的泄漏。

在維修工程范圍內，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，以便在電纜附近產生熱脈沖。如果光纖和電線都在同一根電纜內組合，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沒有流動的地方(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

光纖傳感方法首次應用于1996年。自那時起，世界范圍內超過180km的混合電纜被視為許多新的建設和修復工程的范圍，作為一個連續的監視設備或偶爾檢查[4]。此外，對HPM的更詳細分析揭示了孔隙速度的估計。

2.3 熱脈沖法(HPM)

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。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，測量裝置內的溫度就會迅速上升，在純熱傳導的情況下，溫度會在對數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。根據其導熱性，溫度測量裝置周圍的材料將感生的熱量散發出去。孔速越大，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象。沒有流體流動會產生緩慢的冷卻過程，并且經過很長時間后會達到未受干擾的地面溫度。現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。使用液態二氧化碳冷卻管道時，監測溫度測量。與HPM相似，用低溫脈沖法獲得的數據的評估揭示了孔隙速度的定性估計。

3 應用實例

3.1 大壩背景

大壩位于某流域上最大的發電廠上游約2km處。該發電廠建于1982年至1986年間，年發電量為1968GWh，以供水、灌溉和發電為目的。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。2015年7月，通過在堤壩內進行現場溫度測量，發現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年的發現，此外，對溫度隨時間變化的分析顯示，滲漏率約為4-5L/s。這些數值通過在大壩下游壩趾處應用電子流量計得到證實。

3.2 布局

根據設計，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。儀器房位于壩頂上方的右岸，提供所有必要的設施，如電源和互聯網連接，以自動操作系統。規定的熱輸入為8 W/m電纜。

3.3 測量結果

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，并將滲流量調節到約0.15升/秒，以證明系統的靈敏度。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之間出現異常，而這種異常又隨著持續滲透而增加。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。測量過程中異常現象加劇。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

全自動在線泄漏監測檢測系統于2019年8月投入運行。為了便于監視，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的現狀。

4 結 論

現場溫度測量，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展，進而估計滲流量。為進一步修復提供客觀依據。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堤防的滲漏調查和滲漏監測工具。