FOG技術在水布埡水電站壩體沉降監測中的應用研究

黎佛林

(江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室，江西 南昌 330009)

光纖陀螺(簡稱FOG)的核心原理是利用光的干涉現象來測量旋轉角速率，是由1913年法國物理學家G.sagnac首次提出的[1]。在土木工程領域，三峽大學的蔡德所等開展了探索性地研究，提出應用光纖陀螺監測系統(FOG)監測思安江水電站面板撓度[2]。在水布埡水電站的大壩面板撓度監測中亦應用了FOG技術[3]。大壩沉降監測為大壩工程質量檢測手段之一，為工程質量監督提供了科學依據[4- 5]，對于落實工程質量終身責任制具有指導意義[6]。通過沉降監測可直接反映填筑施工質量[7- 8]，對監測數據進行分析可優化施工技術，改進施工方法[9]，達到提升工程施工質量的目的[10]。開展FOG技術在大壩沉降監測中的應用研究，可豐富科學、規范、合理的監測體系[11]。

大壩沉降監測常規儀器一般是定點式觀測，如水管式、電磁式和基站式等，數據分析時對測點進行擬合，因此其整體數據與儀器埋設位置相關；且儀器一旦埋入壩體，便不能對其進行調整和維修，因此儀器的存活率決定了監測數據的完整性。在土石壩安全監測中，開展可更新的FOG技術應用研究，可豐富大壩沉降監測方式，實現大壩沉降的分布式觀測。

1 FOG監測水布埡大壩沉降

水布埡大壩共布設3個安全監控斷面，分別為0+132，0+212，0+356斷面。在0+132斷面的371m高程處布設FOG測量通道，長103m。在監測斷面同一高程附近還布設了3支水管式沉降儀，如圖1所示，按管道從上游到下游的坐標位置依次為4.7m(SV01- 2- 14)，49.5m(SV01- 2- 15)，91.1m(SV01- 2- 16)。

1.1 FOG實測大壩沉降及其規律

首先定義大壩相對沉降量：大壩內部沉降相對于分布式起點的相對值，而非相對監測的時間，起點為上游零點。經光纖陀螺航天算法計算的大壩沉降值即為大壩相對沉降量：當壩體未發生沉降變形，陀螺儀只有平動而無轉動，它的輸出脈沖經計算成角度變化后為零；當壩體變形后會產生一個角度變化，此時陀螺可以監測到這個角度的變化值。如圖2所示，FOG監測大壩相對沉降工作從三期面板澆筑完工后開始，以起點位置為參照零點，整個連續斷面的沉降量都是相對于起點的相對值，圖2所示的第1年3月沉降系列是壩體在施工期的相對沉降量，稍大于最終相對沉降量的一半。

FOG系統監測壩體371m高程沉降的布設斷面具有如下特征：壩軸線上游為主堆石區，該部分為第五期碾壓填筑，但第四期已填筑至364m高程(如圖1所示)；壩軸線下游為次堆石區，觀測年(基準年)的前1年2月已填筑至監測斷面所在高程。

圖1 FOG監測371m高程壩體沉降示意圖(單位:mm)

圖2 FOG系統監測連續斷面的大壩沉降

圖2展示了FOG系統監測水布埡大壩沉降的成果，該圖直接反映堆石體相對于起點的不均勻沉降變化過程。從埋設監測通道至大壩堆石體填筑到405m高程(前1年10月底)，監測斷面的相對沉降以0.2～0.34m居多，相對沉降隨時間繼續增加；在半年后即第1年3月三期面板澆筑完成，此時大壩的絕對沉降已完成最終沉降的一半[12]，這與FOG監測的結果相近。圖2和表1可以揭示壩體相對沉降的內在規律及發展趨勢：靠近上游面的堆石體在初期的相對沉降速率大于下游面，時間持續到第1年12月；第1年12月—第2年3月，相對沉降的最大變化值只有9mm，說明該段時間監測斷面基本均勻沉降。為了更明顯地反映變形性狀，將3個月的間隔期逐步調整為1a，第2年11月，上游面相對沉降出現負值反彈，下游面的沉降速率大于上游面，最大處為63mm/a。第2年11月—第4年10月，整個監測斷面的相對沉降增加，但下游面的沉降速率遠遠大于上游面，最大速率達到105mm/a。第5年，上下游的沉降速率大致相同，最大為35mm/a，之后沉降速率不斷地減少，第6年為12mm/a，第7年為6mm/a。

圖3可以直觀地反映各個主要節點隨時間的變化過程。從負1年2月—第1年7月為快速相對沉降期，1年半時間完成該斷面最大相對沉降的67.5%，此時大壩三期面板已澆筑完成。此后的一段時間，大壩相對沉降量緩慢地增加，直到第2年3月，防浪墻澆筑完成后開始大壩409m高程以下填筑，同年7月大壩主體工程完工，從第2年3月—第5年10月，10、20、100m節點的相對沉降值保持基本不變，30、40和50m節點處的相對沉降先減小后增加且總量增加約120mm，可以推斷上下游大壩沉降快慢發生轉變。FOG監測斷面的沉降變化過程：負1年2月—第1年3月，下游壩體沉降速度快于上游；第1年3—12月，上游壩體沉降速度快于下游；第2年12月—第4年10月，壩體沉降速度較之前加快，且下游的沉降速度大于上游。后期大壩沉降變幅不斷減小，到第7年10月小于7mm/a。表1給出了施工、蓄水和運行期主要節點隨時間的相對變幅，在填筑期相對沉降變幅最大，到第2年8月蓄水期(壩體剛完工)，沉降變幅增大，運營后期沉降變幅不斷減小直至收斂。由相對沉降的偏差值和絕對均值說明中部的沉降量及沉降速率都大于兩端。

表1 主要監測節點的相對沉降變幅及指標 單位：mm

圖3 FOG系統監測主要節點的大壩沉降

1.2 FOG實測大壩沉降特征的論證

FOG監測的對象雖是大壩相對沉降，但可以根據布置在起點附近的水管式沉降儀和尾部全站儀觀測值共同推斷FOG反映的大壩真實沉降。FOG監測水布埡大壩371高程壩體沉降表現出4個階段的特征，如圖4所示。第一階段為該期堆石體填筑開始到完工后的一段時間，時長大約為1a，這段時期對應工序為堆石填筑和三期面板澆筑，這一階段定義為快速沉降期；第二階段是上一時間節點至下期堆石體碾壓施工開始后，時間一般為0.5a，此時的相對沉降速度減緩，稱為緩沉期；第三階段為堆石體填筑完工后一段時間，相對沉降速度較前一階段稍快，可稱為正常沉降期，這一階段的時間一般需要1.5a或更長，這主要與沉降點所在高程及大壩開始蓄水有關；第四階段為沉降收斂期，此時大壩沉降年均變幅小于10mm，主要為運行后期。

圖4 面板堆石壩相對沉降過程曲線

水布埡大壩0+212斷面和0+132斷面的點式水管沉降儀絕對沉降測值也基本符合這個變化過程。371m高程的水管式沉降儀(如圖5所示)監測結果顯示正常沉降期為3a，緩沉期為第1年12月—第2年4月，到第5年8月左右進入收斂期，與FOG監測結果吻合，因此認為FOG監測系統反映的大壩沉降過程是合理的。

面板堆石壩的壩體沉降主要發生在施工期[13]，FOG系統的監測結果也符合這個規律。第2年7月大壩封頂時，該斷面的相對沉降率達到78%，16號沉降儀測值也將趨于收斂，說明FOG測量的大壩沉降主要發生在施工期；另外大壩下游次堆石區沉降量大于上游主堆石區，且最大沉降發生在中部偏下游位置，該FOG監測結果符合順水流方向的沉降規律[14]。

圖5 水管式沉降儀監測371m高程大壩沉降變化趨勢

2 討論

在0+132斷面的371m高程(圖1)同時埋設2套沉降觀測設備，其中水管式沉降儀監測值可為FOG系統監測結果提供參考。圖5是4.7m(14號水管沉降儀)、49.5m(15號水管沉降儀)和91.1m(16號水管沉降儀)附近的3支水管式沉降儀測量結果。3支儀器的測值基本符合4個階段的變形規律，圖5中的15和16號沉降儀連續系列數據較完整。

以15號沉降儀監測結果為例，與FOG系統測值進行對比分析。因為開始測量時間不一致，測量的概念不同，因此僅對數值變化趨勢的相關性和差異性進行檢驗。從第1年3月—第7年10月，該點光纖陀螺與水管式沉降儀所測值的相關系數R=0.948，如圖6所示，擬合曲線大致與對角線平行，說明兩者存在很好的相關性。根據2個系統的監測結果，水管式沉降儀絕對沉降與FOG系統相對沉降的差值在370mm波動變化，該值比擬合值(405.68mm)小，兩者關系的擬合曲線為y=0.945x+405.6。

圖6 2種大壩沉降監測結果的關系曲線

選取兩者的相對值進行差異性檢驗，判斷監測值的分布形狀的差異性，結果見表2。3種檢驗方法的Monte carlo顯著性水平值P均小于0.05，因此，雖然兩者的相關性較好，但監測結果存在顯著性差異，這主要是由于監測結果的概念不同。

表2 水管式沉降儀與FOG的差異性參數檢驗

游程檢驗的結果顯示，陀螺儀和水管式沉降儀的漸進顯著性水平的雙尾檢驗結果0.000<0.05，可認為兩者受因子影響都比較顯著。因此，經過對比分析，陀螺儀和水管式沉降儀監測值的變化規律大致相同，兩者的相關性好，變化趨勢相似；游程雙尾檢驗表明兩者的監測值都受潛在因子的影響。

3 結論

(1)在FOG監測斷面，大壩相對沉降速率由初期的上游面大于下游面到整體沉降速率大概相同，其后變化為下游面的沉降速率大于上游面，最后整體的沉降速率趨于相同且不斷減小。

(2)FOG監測水布埡大壩371m高程壩體沉降可概括為4個階段，即快速沉降期、緩沉期、正常沉降期和收斂期。

(3)FOG監測值與水管式沉降儀測值具有較好的相關性，變化趨勢相似，都顯著地受因子影響，但兩者測值分布仍然存在差異性。