大型水池滲漏監(jiān)測(cè)分布式光纖綜合布設(shè)方案

張 娜，康業(yè)淵

（1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京100025）

溫度作為一種天然示蹤劑， 在滲漏監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［1］，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多工程實(shí)例證實(shí)了溫度資料對(duì)水工建筑物滲漏監(jiān)測(cè)的重要性［2］。 借助先進(jìn)并成熟的分布式光纖溫度傳感技術(shù)進(jìn)行水工建筑物滲漏監(jiān)測(cè)引起了學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注［3］。分布式光纖溫度傳感技術(shù)以光纖為媒質(zhì)、 以光信號(hào)為載體，故其不受電磁干擾，精度高、靈敏度高［4-6］；能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)的溫度值， 通過(guò)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)合理優(yōu)化布設(shè)， 可以實(shí)現(xiàn)溫度分布式監(jiān)測(cè)［7］。 同時(shí)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)（DTS）測(cè)溫所用光纖為普通通信光纜， 既作為傳感器又作為傳輸介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，不僅方便施工且可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高，施工時(shí)成活率大大高于其他裸光纖。

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)滲漏監(jiān)測(cè)的基本原理為通過(guò)分布式感溫光纖直接感知并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，一旦滲漏發(fā)生，滲漏水流引起局部光纖溫度變化，顯示為溫度突變點(diǎn)， 根據(jù)溫度突變點(diǎn)的位置和溫度變化劇烈程度， 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生滲漏的定位及定量分析滲漏大小。一般而言，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)滲漏有兩種方法［8］：梯度法和電熱法。 梯度法即利用光纖系統(tǒng)直接測(cè)量介質(zhì)內(nèi)實(shí)際溫度， 不對(duì)光纜進(jìn)行加熱， 其依靠滲漏區(qū)和非滲漏區(qū)的溫度差異來(lái)判別滲流發(fā)生的位置，溫差越大，溫度梯度就越大，越容易判別滲漏位置。因此，該方法應(yīng)用的前提是水溫和量測(cè)位置介質(zhì)溫度有一定差別。 為克服前面所述各種不利因素的影響， 提高分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)滲漏的應(yīng)用范圍和監(jiān)測(cè)精度， 可以采用電熱脈沖法， 通過(guò)對(duì)光纖保護(hù)層的金屬鎧或特制光纖中的電導(dǎo)體通電，對(duì)光纖進(jìn)行加熱，加熱過(guò)程中可看到滲漏區(qū)的明顯溫度分布異常。

大型水池滲漏監(jiān)測(cè)目前主要通過(guò)觀察排水溝出水情況，判斷是否發(fā)生滲漏及初步評(píng)判滲漏大小，而無(wú)法判斷滲漏發(fā)生位置，一旦發(fā)生滲漏，修復(fù)處理起來(lái)相當(dāng)困難。 基于分布式光纖溫度傳感技術(shù)在堤防及水庫(kù)大壩滲漏監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)研究和應(yīng)用實(shí)例， 但該技術(shù)在大型水池滲漏監(jiān)測(cè)方面的研究和應(yīng)用幾乎為零。

1 分布式光纖兩種布設(shè)方案

大型鋼筋混凝土水池底板分縫處 （包括施工縫和結(jié)構(gòu)縫）屬于薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生滲漏。 根據(jù)大型水池底板分縫分塊，在分縫處下部設(shè)置排水盲溝，排水盲溝內(nèi)澆筑無(wú)砂混凝土（如圖1），感溫光纜布設(shè)在底板分縫下方，形成滲漏監(jiān)測(cè)的分布式光纖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型水池滲漏的實(shí)時(shí)、在線、分布式監(jiān)控。 一旦分縫處發(fā)生滲漏，滲水將垂直掠過(guò)感溫光纖，引起感溫光纖溫度變化， 同時(shí)滲水經(jīng)過(guò)無(wú)砂混凝土匯集于上部帶孔陶瓷管或UPVC管并排出。 采用無(wú)砂混凝土（如圖1和圖2）具有以下優(yōu)點(diǎn)：①空隙大，滲透性強(qiáng)；②具有較高的強(qiáng)度，對(duì)基礎(chǔ)承載能力影響較小；③便于分段施工，無(wú)需鑿毛處理。感溫光纜可采用內(nèi)置鋼絲加強(qiáng)筋四芯鎧裝光纜和內(nèi)部加裝有不銹鋼軟管兩芯鎧裝光纜，強(qiáng)度高，便于施工，光纖成活率高，可通過(guò)對(duì)內(nèi)置鋼絲和不銹鋼軟管進(jìn)行通電加熱， 實(shí)現(xiàn)電熱脈沖法滲漏監(jiān)測(cè)， 提高分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)滲漏應(yīng)用范圍和監(jiān)測(cè)精度。

圖1 無(wú)砂混凝土澆筑

圖2 無(wú)砂混凝土多空介質(zhì)

1.1 方案1

鎧裝感溫光纜布設(shè)于底板分縫 （包括施工縫和結(jié)構(gòu)縫）底部止水帶下，排水盲溝無(wú)砂混凝土表面，一旦發(fā)生滲漏，分縫處滲水直接掠過(guò)感溫光纜，引起感溫光纜局部溫度異常，具體布設(shè)方案如圖3。

圖3 方案1

1.2 方案2

鎧裝感溫光纜布設(shè)于底板分縫下排水盲溝無(wú)砂混凝土內(nèi)， 位于施工縫正下方和上部帶孔的陶瓷管或UPVC管正上方，一旦發(fā)生滲漏，滲水通過(guò)無(wú)砂混凝土多空介質(zhì)分散傳導(dǎo)后垂直掠過(guò)感溫光纜， 引起感溫光纜局部溫度異常，具體布設(shè)方案如圖4。

圖4 方案2

2 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 方案1

優(yōu)點(diǎn)：①便于施工，分段澆筑無(wú)砂混凝土后，分段鋪設(shè)感溫光纜，再鋪設(shè)底部止水帶；②感知滲水敏感，一旦底板分縫處發(fā)生滲漏，滲水直接垂直掠過(guò)感溫光纜，引起感溫光纜溫度變化明顯，能靈敏感知是否發(fā)生滲漏及滲漏大小。

缺點(diǎn)：①直接布設(shè)在止水帶下，容易對(duì)止水帶造成損壞；②對(duì)施工質(zhì)量要求高，感溫光纜必須嚴(yán)格布設(shè)在底板縫正下方， 一旦出現(xiàn)感溫光纜未布設(shè)在底板縫正下方，測(cè)滲效果將大打折扣，甚至不能感知滲漏發(fā)生； ③底板傳遞的壓力容易造成內(nèi)部加裝有不銹鋼軟管兩芯鎧裝光纜壓扁； ④底板縱向縫合橫向縫交叉處，存在感溫光纜布設(shè)交叉，對(duì)感溫光纜和止水帶均產(chǎn)生不利影響。

2.2 方案2

優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)止水帶不造成影響，感溫光纜直接布設(shè)在無(wú)砂混凝土內(nèi)部，未與止水帶直接接觸；②一旦發(fā)生滲漏，滲水通過(guò)無(wú)砂混凝土多空介質(zhì)傳導(dǎo)分散，肯定會(huì)掠過(guò)感溫光纜，即只要發(fā)生滲漏，感溫光纜肯定能感知到；③感溫光纜布設(shè)在無(wú)砂混凝土內(nèi)部，不易損壞，光纖成活率高，耐久性好。

缺點(diǎn)： ①滲水通過(guò)無(wú)砂混凝土多空介質(zhì)傳導(dǎo)分散后，掠過(guò)感溫光纜僅為一小部分滲水，感知滲漏的靈敏度降低；②無(wú)砂混凝土配合比如果加水量多、骨料顆粒小，將在感溫光纜表面包裹一層水泥漿，進(jìn)一步感知滲漏的靈敏度。

3 結(jié)語(yǔ)

首次提出兩種應(yīng)用于大型、超大型水池或水池群滲漏監(jiān)測(cè)的分布式光纖布設(shè)工藝和方案，并對(duì)兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。 兩種方案均能達(dá)到感知水池底板滲漏的效果，方案1對(duì)滲漏感知敏感，但對(duì)施工要求高， 對(duì)止水帶和光纜本身均有不利影響；方案2感知滲漏的靈敏度降低， 但對(duì)止水帶不產(chǎn)生影響，光纖成活率高，耐久性好。 在條件允許的情況下，建議兩種方案結(jié)合使用，例如底板橫向縫下感溫光纜布設(shè)采用方案1， 縱向縫下感溫光纜布設(shè)采用方案2，或者底板縱向橫向縫下同時(shí)采用方案1和方案2。