分布式光纖溫度測量在堤壩的核心滲流監測的應用

洪 珣,劉麗敏,趙 鑫

(1.呼倫貝爾扎羅木得水利水電有限公司,內蒙古 呼倫貝爾 021000；2.呼倫貝爾市水利事業發展中心 內蒙古 呼倫貝爾 021000)

采用分布式光纖溫度(DFOT)測量方法對多個堤壩的滲漏進行檢測和定位的方法在近15年來得到了成功應用，并在監測和評價方面不斷改進[1-2]。DFOT測量的關鍵特征是光纖電纜是傳感器，可以沿整個電纜長度測量溫度。對于現有的大壩來說，光纖電纜安裝在大壩趾部、翻新表面密封下方或現有立管中是最常見的應用[3-4]。在建造新水壩期間，電纜可以安裝在監測最有用的地方。迄今為止，典型的應用是采用表面密封的路堤圍縫監測。在這些應用中，由于大壩的變形和應力，光纜很大程度上受到了保護，免受機械荷載的影響。

然而，本文提出的監測系統是利用安裝在帶有心墻的大壩D/S濾波器上的光纜來檢測流出區域。由于大壩的變形和應力，預計電纜將承受拉力和側壓力[5]。為了評估變形和應力對 DFOT 測量結果的影響，已經進行了實驗室測試，其中模擬了電纜上的實際負載。實驗室測試及其結果進行了討論，并介紹了泄漏檢測系統的設計方面以及測量技術。

1 試驗方法

1.1 試驗簡述

DFOT 測量為監測技術結構提供了廣泛的應用。特別是，對密封元件和接頭進行分布式監測的可能性對于水工結構非常重要。根據應用和結構類型，電纜暴露的條件有很大差異。例如，放置在大壩中心部分(圖1(a))以監測密封芯的光纖電纜比放置在表面密封(圖1(b))下方的電纜暴露在大壩變形和上覆壓力引起的更大荷載下。

圖1 DFOT測量在堤壩上的應用

通常，用于電信目的的普通光纖電纜用于 DFOT 測量。然而，這些電纜的規格基于標準化的測試方法，僅提供了有關電纜在堤壩中安裝的適用性的有限信息。此外，到目前為止，還沒有類似項目的經驗，如果電纜暴露于由覆蓋層壓力和沉降引起的負載，DFOT 測量的結果會如何受到影響。因此，為確保所提議的堤壩泄漏檢測系統的適用性，進行了中央核心實驗室測試。在幾個測試系列中，模擬了由于上覆壓力引起的安裝條件和預期負載。

1.2 試驗儀器

使用如圖2所示的測試設備進行了實驗室測試，以確定垂直于電纜軸的壓力對DFOT測量結果的影響。電纜安裝在長3.78 m、寬0.60 m、高0.60 m的加固鋼箱中，墊料不同。載荷由一臺承載力為1600 kN的疲勞試驗機強制控制。這保證了不同加載步驟期間的恒定加載。不同的柱塞可用于間接加載。

圖2 實驗室測試設置(單位：cm)

除了DFOT測量外，還使用了傳統的溫度傳感器。使用傳感器記錄試驗期間鋼箱中的溫度和空氣溫度。因此，可以檢查熱邊界條件是否保持不變。 如果環境溫度發生變化，則可以考慮它們對DFOT測量數據評估的影響。

在土壤材料中安裝電纜后，需要一定的時間，直到達到固定的熱條件，這是開始試驗所必需的。在施加載荷之前，進行了大約10 min的參考測量。以125 kN 的載荷分步施加載荷，每次加載需要6 min。在完成最后加載步驟后，將樣品卸載。

1.3 執行試驗

試驗使用標準混合電纜進行，如圖3與表1所示。在試驗中，砂礫和砂礫混合料被用作墊層材料，研究了天然材料和加工材料對顆粒形狀的影響。作為墊層材料的土的級配曲線如圖4所示。

圖3 實驗室測試的光纜

表1 標準混合電纜信息

圖4 用作墊層材料的土壤的級配曲線

1.4 試驗結果

為了確定垂直于電纜軸的壓力對DFOT測量數據的影響，計算了在卸載狀態下測得的參考溫度與在加載狀態下測得的溫度之間的溫差，并針對施加的負載繪制成圖。通過從傳統溫度傳感器獲得的溫度數據，考慮了測試過程中熱邊界條件的變化。圖5示例性地顯示了DFOT測量的結果，這取決于垂直于電纜軸的施加載荷。

圖5 研究側壓影響的實驗室測試結果

由于試驗中使用的墊層材料為處理過的G1砂礫混合料，因此溫度結果不受施加荷載的影響。相比之下，DFOT測量結果受到施加荷載的顯著影響，該測試使用的是均勻的G7天然礫石。

不同試驗系列的墊層材料最大粒徑在3～64 mm(S～G5)之間。試驗結果表明，層理材料的最大粒徑對試驗結果有影響。對于較大粒徑的層理材料，最大允許荷載的降低不會引起溫度異常。

室內試驗結果表明，垂直于電纜軸線的壓力對DFOT監測的測量結果有顯著影響。在圖6中，不影響測量結果的最大載荷與測試電纜的墊層材料的最大粒徑相對應。在此基礎上，建議將層理材料的最大粒徑限制在16 mm以內，并使用級配良好的材料。同時，在高達85 m的大壩中安裝光纜不會造成測量的可靠性和準確性方面的問題。在一些測試中，由于施加的載荷會造成電纜護套的損壞，并且高的光學損耗會導致測量數據的失真。然而，在任何測試中，施加的負載都沒有導致光纖斷裂。通過分析原始數據(光損耗)和溫度數據，可以檢測到由機械加載引起的溫度異常。

圖6 不影響測量結果的最大載荷

2 在瀝青混凝土心墻堆石壩的應用

2.1 項目描述

本文以呼倫貝爾市境內伊敏河上某瀝青混凝土心墻堆石壩為對象展開研究。該大壩最大高度為82 m，壩頂長度為270 m，大壩總堤壩體積為170萬m3。有效庫容為2250萬m3。根據大壩的監測理念，安裝了滲漏檢測系統，以控制心墻的完整性。泄漏檢測系統是基于分布式光纖溫度測量，采用熱脈沖法。

2.2 泄漏檢測系統

根據設計，監測系統只包括一條電纜，測量水平在基礎水平，如圖7所示。電纜放置在瀝青芯下游的排水和過渡區2A。根據規格，2A材料的最大粒徑尺寸在25～60 mm之間。為了避免在2A材料壓實過程中損傷電纜，在電纜周圍使用粒徑最大為2～5 mm的均勻砂作為緩沖材料。所有必要的設施，如測量棚、基準段和電源將位于壩頂上方的右岸。

圖7 電纜配置(截面)(單位：m)

用于泄漏檢測系統的電纜是標準的室外光纖混合電纜。電纜的主要應用領域是水工建筑物的泄漏檢測。電纜的布局與實驗室測試使用的電纜類似(圖3)，但被認為更加穩健。它有一個中心支撐元件，四個銅導體的總截面為6 mm2。外徑為17.0 mm。目前，用于測量的DTS系統是一個移動單元，只能在測量期間現場使用。

2.3 參考測量和模擬試驗

為了評價水庫蓄水及水庫運行過程中壩體滲流狀況的變化，必須在蓄水前進行參考測量。參考測量是在水庫蓄水時進行的(2010年7月14日)。得到的溫差如圖8所示。

圖8 參考測量結果(單位：m)

在大壩的大部分地區，參考測量的結果沒有顯示出異常。只有在大壩的最低部分，溫差表明電纜周圍的材料是飽和的或輕微的滲漏存在。總的來說，溫差的變化主要是由周圍土壤的導熱系數不同引起的。土壤的熱導率主要取決于礦物組成、容重和含水量。

進行泄漏模擬試驗，以檢查安裝的系統是否正常運行。為此目的，在壩頂安置了一個水箱。將滲漏量調整到大約0.15 l·s-1，以證明該系統的靈敏度。水在兩個不同的點被滲透。第一個部位的滲透于09:45開始，持續約3 h。由于假設入滲水流沿坡面流動，故在13:30第二個點開始入滲。這種滲透持續了大約5 h。

圖9顯示右側斜坡在高程1025～1050 m之間的顯著異常，這是由第一點的入滲造成的。正如在試驗中預期的那樣，滲入的水從斜坡上流下，造成235和250之間的異常，并隨滲透的持續而增加。第二點的入滲異常如圖10所示。在大壩的下部觀察到進一步的溫度異常，特別是在0+120左右。這種異常在測量過程中加劇。從時間特征和位置上看，是由水庫蓄水水位上升引起的。

圖9 13:00時泄漏模擬試驗結果

圖10 18:00時泄漏模擬試驗結果

3 結 論

由于參考測量是在蓄水初期進行的，因此對評價水庫蓄水過程中滲流條件變化具有一定指導意義。滲漏模擬試驗結果表明，該系統運行正常，并能檢測壩體滲流特性的微小變化。

通過研究，建議將層理材料的最大粒徑限制在16 mm以內，并使用級配良好的材料。正如本文研究結果表明，在高達85 m的大壩中安裝光纜應該不會造成測量的可靠性和準確性方面的問題。