光纤光栅渗漏监测技术在猴子岩混凝土面板堆石坝的应用

朱永国，袁宏才

(1.国电大渡河猴子岩水电建设公司，四川 康定 626005;2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070)

0 引 言

自20世纪80年代以来，混凝土面板堆石坝在我国得到了快速的发展与推广。据统计，截至2015年底我国坝高30 m以上混凝土面板堆石坝总数已超过400座，并先后建成天生桥、洪家渡、水布垭等高面板堆石坝，其中233 m高的水布垭大坝是世界最高面板堆石坝。与此同时，一些面板堆石坝由于设计不合理或施工碾压不密实等导致运行期周边缝止水失效、垂直缝挤压破坏，进而造成坝体发生严重渗漏，危及大坝安全。因此，坝体渗漏监测是混凝土面板堆石坝的重要监测项目。

传统的混凝土面板堆石坝坝体渗漏监测方法，主要是在面板周边缝底部等关键部位埋设少量渗压计监测周边缝渗漏、在坝体堆石体内埋设渗压计监测坝体浸润线变化、在坝后设置量水堰监测坝体渗流量。对于高混凝土面板堆石坝而言，面板周边缝、垂直缝和施工缝均为渗漏监测的关键部位，长度至少数千米，数量有限的渗压计存在大量的监测盲区，不能准确定位渗漏点位置，而且对于微小压力差的贯通性渗漏，渗压计是监测不出的。

为此，水布垭面板堆石坝创新引进分布式光纤光栅测温技术监测面板周边缝渗漏情况[1-2]，此后其他一些面板堆石坝也有采用。基本上都是将光纤光栅测温技术与传统渗漏监测手段同时采用，以便相互对比分析验证。猴子岩混凝土面板堆石坝引进光纤光栅测温渗漏监测技术，不仅监测面板周边缝渗漏情况，而且创新用于面板垂直缝、水平施工缝等板间缝的渗漏监测。

1 光纤光栅测温技术监测渗漏的原理与优势

1.1 工作原理

混凝土面板堆石坝面板周边缝、板间缝某处出现渗漏时，此处堆石体的温度场将发生改变。利用光纤光栅温度传感器检测到此处温度场变化，即可判断渗漏发生的位置。在面板周边缝、板间缝底部堆石体内埋设多个光纤光栅温度传感器构成分布式测温网络，即可实现对整个面板周边缝、板间缝的渗漏监测。

大坝堆石体内温度分布受多个因素影响。为准确可靠的判断渗漏，需要将温度变化量放大。为此增设一套辅助升温系统，预先对所有温度传感器加热，在传感器周围形成一个高于水温的温度场。一旦某处出现渗漏，温度场将发生明显异常，这样可有效降低环境因素对温度场的影响，减少对渗漏的误判。

1.2 光纤光栅测温技术监测渗漏的优势

与传统的渗漏监测方法相比较，光纤光栅测温技术监测渗漏具有以下优势：

(1)可以实现连续分布式监测。光纤光栅测温技术监测渗漏为分布式监测技术，可以实时监测光缆沿线长达几十公里的温度场信息。

(2)光纤光栅可实现多个测点信号串联测量，共用传输光缆，信号传输距离远，可靠性高，易于实现远程监测。

(3)体积小，可埋设在被监测对象内部，不会破坏被监测对象的结构，测量精度高。

(4)抗干扰性能强。光纤光栅为石英材料，完全绝缘，不受电磁干扰，能够抗高电压和高电流的冲击，本征防雷击。

(5)适应性强。光纤光栅传感器防腐蚀、耐火、耐水、寿命长，信号可在光缆任意一端测量。系统构成简单，可降低相关防护或配套设施的成本。

2 猴子岩面板堆石坝周边缝和板间缝渗漏监测系统

2.1 系统布置

猴子岩面板堆石坝面板周边缝、板间缝光纤光栅渗漏监测系统分为两部分。一是沿面板周边缝单独布置一套光纤光栅测温系统监测面板周边缝渗漏；二是分别布置4条分布式光纤测温光缆监测面板板间缝渗漏，1号测温光缆监测一期面板顶部水平施工缝，经面板周边缝引至坝顶观测房；2号测温光缆监测左岸拉性垂直缝(左6～左11)，引至左岸观测房；3号测温光缆监测中部压性垂直缝(左2～右3)，经周边缝引至右岸观测房；4号测温光缆监测右岸拉性垂直缝(右9～右14)，经周边缝引至右岸观测房。猴子岩面板坝周边缝/板间缝光纤光栅渗漏监测系统布置见图1。

图1 猴子岩面板堆石坝面板周边缝/板间缝光纤光栅渗漏监测系统布置

2.2 周边缝光纤光栅渗漏监测系统的构成

猴子岩面板堆石坝光纤光栅渗漏监测系统在面板周边缝共布置375个光纤光栅温度传感器，监测系统构成如图2所示。在水布垭大坝面板周边缝光纤光栅渗漏监测系统应用基础上，猴子岩面板坝周边缝渗漏监测系统进行了如下优化升级：

(1)采用光纤传感行业通用的“15波段”光栅探头，保证监测系统的通用性和互换性。

(2)优化光栅测温探头结构设计，提高探头响应速度和灵敏度。

(3)优化加热装置设计，加热系统具备“快速”、“正常”、“慢速”3档切换。

(4)研制新型的光纤光栅解调器，提高信号解调精度及稳定性。

(5)新型光纤光栅传感测温系统具备与远程计算机系统通信功能，可实现数据远传。

图2 猴子岩面板堆石坝面板周边缝光纤光栅渗漏监测系统构成

2.3 面板板间缝分布式光纤渗漏监测系统

面板板间缝分布式光纤渗漏监测系统分部位分设四条测温光缆，测温光缆为测温光纤和加热导体为一体化结构，易于埋设施工，可靠性高。分布式光纤测温主机为4通道一体化结构，能够以图文方式在光纤测温主机外接显示屏上显示测温光纤各个测点的实时温度及监测区段的温度分布曲线。分布式光纤系统构成如图3所示。

图3 猴子岩面板堆石坝面板板间缝渗漏监测系统构成

3 堆石体渗流特性试验、新型光栅解调器研制

3.1 堆石坝堆石体渗流特性试验[3，4]

3.1.1 堆石坝堆石体导热系数与含水量关系试验

当水流过堆石体时，如果二者存在温度差，必然产生热量交换，引起堆石体导热系数的改变，从而导致堆石体温度改变。干燥的堆石体的导热系数很小，堆石体含水量增加，其导热系数也随之增大。取适量大坝堆石体分别制作含水量不同的样品，测量其导热系数。

试验结论：大坝堆石体的导热系数随含水量的增加而增大。

3.1.2堆石坝堆石体含水量与加热温升的相关性试验

取大坝堆石料若干，制作不同含水量堆石体样品；将加热元件和温度计捆绑在一起，依次埋入不同含水量的堆石体样品中，将堆石体样品压实；通电加热堆石体样品，记录各样品加热后的温升值(℃)。其中，一个样品在加热过程中不断注水模拟贯通性渗流状态。

试验结论：①不同含水量堆石体样品加热温升值均随加热时间呈上升趋势。②在相同的加热时间内， 堆石体样品含水量越高，温升越小。③堆石体样品在贯通性渗流状态下，温升幅度极小。

3.2 新型光纤光栅解调器的研制

早期的光纤光栅解调器的核心部件采用“光纤法-帕分析器”解析光栅波长。此类解调器存在以下缺陷：①采用较多光分路器，对光源、探头信号要求高； ②采用标准光栅作为参考，温度补偿稳定性差；③不能长期不间断运行；④需要借助示波器观测光栅探头信号波形。

针对早期光纤光栅解调器的不足，研制的新型光纤光栅解调器具有以下优点：①采用光开关代替光分路器，降低对光源、探头信号的要求；②采用最新型一体化光栅波长解析模块，稳定性、重复性好； ③新型解调器的软件界面同时显示光栅探头波长、脉冲形状及信号强度； ④具备与远程计算机系统通信功能，可实现数据远传。

新型光纤光栅解调器测量参数显示界面见图4。

4 监测成果分析

依据本文3.1堆石坝堆石体渗漏特性试验结论及渗漏监测原理，采用光纤测温仪器监测的加热温升(ΔT)数据变化曲线，结合背景资料综合分析面板周边缝和板间缝渗漏情况[5]。

下面选取2018年7月19日面板周边缝光栅探头测点数据、2018年7月17日面板板间缝4个回路的分布式光纤测点数据分别进行监测成果分析。

4.1 面板周边缝渗漏监测成果分析

2018年7月19日，对猴子岩大坝面板周边缝375个光栅探头测点实施了加热前后的温度数据监测。(本次监测时段为夏季，环境温度13～23 ℃、水温约12 ℃，环境温度高于水温)

通过计算面板周边缝375个探头测点加热温升值，分3个区段(左岸、水平段、右岸)绘制周边缝各测点加热温升曲线。3个区段探头测点加热温升曲线分别见图5、6、7。

图4 新型光纤光栅解调器显示界面

图5 左岸周边缝测点加热温升曲线

图6 水平段周边缝测点加热温升曲线(171～208号)

图7 右岸周边缝测点加热温升

面板周边缝探头温升分布曲线分析。 ①面板周边缝水平段(见图6)：该段所有探头均位于大坝堆石体水位线之下，受水温影响最大，该段探头整体温升低于周边缝其他区域；温升曲线均匀平滑；②左岸周边缝、右岸周边缝区段(见图5、7)：库水位以下区段，探头温升受水温及堆石体温度双重影响，该区段探头温升随大坝高程升高呈缓慢上升趋势；库水位以上区段，探头温升仅受堆石体环境温度影响，该区段探头温升明显高于其他部位；尤其是面板坝顶部区段，探头温升最高。

本次监测未发现面板周边缝光栅探头温升存在明显异常点。

4.2 面板板间缝渗漏监测成果分析

图8 1号测温光缆加热温升曲线

图9 2号测温光缆加热温升曲线

图10 3号测温光缆加热温升曲线

图11 4号测温光缆加热温升曲线

2018年7月17日实施了面板板间缝(1～4号)回路分布式光纤测点温度数据监测(本次监测时段为夏季，环境温度13～25 ℃、水温约12 ℃，环境温度高于水温)。1、2、3、4号回路测温光缆加热温升分布曲线见图8～11。对曲线进行分析，①面板水平缝1号测温光缆(见图8)：受水温影响，库水位以下区段测点加热温升曲线均在2～3 ℃之间波动，变化较小；接近坝顶区段测点受环境温度影响，加热温升幅度较大；1号测温光缆埋设区域跨越所有面板，每块面板内部堆石体的环境状况存在差异，故测点加热温升曲线波动较大。②面板垂直缝(2、3、4号)测温光缆(见图9～11)：受水温影响，库水位以下区段测点加热温升曲线均在2℃左右，波动很小；接近坝顶区段测点受环境温度影响，加热温升幅度较大。2号测温光缆埋设区域为面板(1 738 m高程以上)垂直缝，受止水铜箔保护，面板垂直缝内部堆石体的环境状况差异较小，故测点加热温升曲线波动较小。3、4号测温光缆埋设区域为面板(1 700 m高程以上)垂直缝，测点加热温升曲线波动较2号测温光缆稍大，可能与埋设区域堆石体环境影响有关。

本次监测未发现4个分布式光缆回路面板板间缝(水平缝、垂直缝)测点温升存在异常。

4.3 面板周边缝/板间缝渗漏监测结论

未发现面板周边缝/板间缝(分布式光缆埋设回路)测点温升存在异常点，据此可以判定面板周边缝/板间缝不存在疑似渗漏点。

5 结 语

本文简要介绍了光纤光栅测温技术在猴子岩混凝土面板堆石坝面板渗漏监测中的应用情况。通过试验测试验证了监测堆石体温度场特性用于渗漏监测的可行性。同时结合2018年7月中下旬的监测数据进行分析，形成了初步监测成果。

光纤光栅测温技术监测面板周边缝、板间缝渗漏情况，作为堆石坝面板渗漏监测的新方法，较好解决了面板堆石坝传统渗漏监测方法存在的诸多不足。猴子岩水电站混凝土面板堆石坝在国内首次采用2套光纤光栅测温监测系统(光纤光栅测温系统、分布式光纤测温系统)监测大坝面板周边缝和板间缝渗漏的成功应用，为混凝土面板堆石坝的面板渗流监测提供了借鉴案例。