尾矿库坝体孔隙水压力光纤光栅监测技术研究

2017-12-29刘泽华刘优平

科技视界 2017年26期

刘泽华　刘优平

【摘要】孔隙水压力监测是尾矿库坝安全监测极为重要项目，文章结合铁山垅钨业公司尾矿库安全监测，介绍了光纤光栅渗压传感器在尾矿库库坝中的埋设安装关键技术，通过现场监测表明光纤监测系统运行稳定，为加快光纤传感技术在尾矿库监测领域的应用有现实意义。

【关键词】尾矿库；光纤光栅；孔隙水压力

中图分类号： TD76 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）26-0021-002

Study on monitoring technology of pore water pressure in tailing dam by fiber Bragg grating

LIU Ze-hua LIU You-ping

（Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

【Abstract】Pore water pressure monitoring is a very important project in tailing dam safety monitoring. Combining the tailing pore water pressure monitoring project， the monitoring principle of fiber Bragg grating pressure sensor and the burial process are introduced.The stability of the optical fiber monitoring system is confirmed by long time monitoring on the construction site， It has practical significance to speed up the application of optical fiber sensing technology in tailing reservoir monitoring field.

【Key words】Tailing pond； Fiber Bragg gratings； Pore water pressure

0 引言

孔隙水压力的监测是尾矿库坝体安全监测的必测项目之一。随着光纤监测技术的发展，其应用领域不断扩大。光纤监测技术最大特点在于能实时在线监测、灵敏度高以及抗外界雷电干扰强[1]，这些优势在尾矿库坝安全监测中越来越受到青睐。

文章结合铁山垅钨业公司尾矿库安全监测，简要介绍了光纤光栅渗压传感器的监测基本原理以及在尾矿库坝体中的埋设关键技术，目前整个系统运行稳定，数据采集准确，为尾矿库坝安全监测提供借鉴和指导。

1 光纤光栅孔隙水压监测的基本原理

光纤光栅渗压传感器的结构示意图如下图1所示。

光纤光栅渗压传感器的底部是透水石，當监测点存在水压力时，水可以通过传感器的透水石进入到压力腔，压力腔中的水压力与监测点水压力最终保持平衡并通过不锈钢膜片将压力传递到光纤光栅，从而使光纤光栅产生轴向应变，该应变可以表示为：

式中，A为薄片的面积，a为传感器的截面面积，v为充填橡胶的泊松比，LFBG为传感器的长度，LP为橡胶的充填长度，EFBG和Epolymer分别为传感器和橡胶充填物的压缩模量，P为孔隙水压力。

孔隙水压力与光栅反射波长λB变化关系式为：

式中，kP为光纤光栅渗压传感器的压力系数，该系数可以通过对传感器的标定得到。

由（3）式可知，外界孔隙水压的大小与光纤光栅渗压传感器的反射波长数据理论上成一次函数的关系。下图为一渗压传感器实验室的标定测试结果，从曲线可以看出，渗压传感器的波长变化与孔隙水压变化基本成正比关系，线性相关度在99.9%以上。

2 传感器的埋设

光纤光栅渗压传感器的外部结构采用高强度耐腐蚀的不锈钢，适合尾矿库坝的施工监测。在埋设过程中，需要在监测点位置钻孔，钻孔的深度要超过光纤光栅渗压传感器埋设深度25cm，渗压传感器下放之前先用透水性好的细沙填充到渗压传感器的安装位置，传感器就位以后，再用细砂回填，要保持传感器埋设位置的透水性，这样才能确保监测数据的可靠性，埋设好后将渗压计光缆引出地表，最后采用膨润土、水泥混合浆料充填整个钻孔，图3为现场光纤光栅渗压传感器埋设示意图。

3 尾矿库坝安全监测与分析

3.1 工程概况

铁山垅钨业公司某尾矿库位于选矿厂东侧约1000m处，库区地形狭长，边坡坡度较陡，沟长1200m。尾矿库初期坝的筑坝材料是废石，初期坝设计高度18m，于1989年8月开始施工，1997年10月投入使用，服务年限25年，设计有效库容536.5万m3，目前主坝高29米；设计干滩长度70，现为130米；设计安全超高水位0.7米，实际2.2米。

尾矿库生产运行情况：尾砂库从1997年10月至今连续生产运行，其堆积尾砂量170×104m3；尾砂充填方式：坝高241～259m标高，为透水的块石堆积基础坝；坝高259m以上标高为堆积坝，尾砂充填方式采用坝前分散均匀放矿，坝后储水的方式，坝前形成了长130～150米的干滩面，坡度3%，库区汇水面积4km2，按初期50年一遇、中后期200一遇洪水进行防洪设计。为保证尾矿库坝的安全运营，必须对其进行必要的监测。

3.2 监测系统布设

为了有效地对尾矿坝的安全进行监测，设计时选择了对坝体稳定性影响较大的孔隙水压力作为监测项目，监测测点的布点设计原则如下[2-4]：

（1）测点优先考虑布置在原工程勘查线上，这样测点地质情况更加详细；

（2）在影响坝体稳定性分析的滑弧区和靠近坝基的部位布点，以便对后期数据分析及稳定性评价；

（3）在危险性较大的剖面上布点。

根据以上原则在铁山垅钨业公司尾矿坝体上布置了监测剖面，剖面共布设4个钻孔，在钻孔底部埋设光纤光栅渗压传感器，监测剖面布置见图4所示。

3.3 监测数据分析

系统自2014年1月16日开始进入试运行后，整个系统运行稳定，数据采集准确、报警模块运行可靠、发布软件展示直观、视频软件显示清晰，浸润线部分测试数据见表1。从监测数据可以看出，四个测点浸润线高度均没有超过预警值，尾矿库运行稳定。

4 结论

（1）通过对铁山垅钨业公司杨坑山尾矿库长时间动态监测，掌握了坝体孔隙水压力变化，为坝体安全稳定分析提供了依据。

（2）从监测效果来看，监测系统数据稳定，有利于对坝体进行长时间的动态监测。

（3）尾矿坝孔隙水压力的监测是尾矿坝安全监测的必测项目，采用光纤监测能充分发挥其优势，应用前景广阔。