白山水电站拱坝安全光纤监测系统应用研究

闫 磊，夏秀龙，刘金红

（松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂，吉林 桦甸 132400）

0 引言

大坝安全监测是了解大坝运行安全的重要手段，也是进行大坝安全评价的重要依据。传统的大坝安全监测仪器一般使用电类传感器，此类传感器对工作环境条件要求高、抗干扰能力差、安装复杂。 另外，传统的监测很少能做到实时监控，监测结果一般都是分散的点数据，所以往往会漏测很多重要的数据信息。 鉴于此，人们不断寻求新技术来解决这些问题。

1978 年， 加拿大通信研究中心的K.O.Hill 及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅［1］。随着光纤技术的发展，光纤传感器逐渐得到发展和应用。与传统传感器相比，光纤传感器具有测量精度高、灵敏度高、安装方便、使用寿命长等优点。笔者试以白山水电站为例，探讨光纤传感器在水电站安全监测中的运用，以期为光纤传感器的广泛使用提供参考。

1 工程概况

白山水电站位于第二松花江干流上游， 地处吉林省桦甸市白山镇境内，是一座以发电为主，兼有防洪、养殖等综合效益的工程。 该电站总装机容量为1 800 MW（其中，常规机组容量为1 500 MW，抽水蓄能机组容量为300 MW）， 多年平均发电量为20.37 亿kWh，在东北电力系统中担负调峰、调频和事故备用等任务，是该系统中的大型骨干电站。

白山水电站水库总库容为59.21 亿m3（校核洪水位），调节库容为29.43 亿m3，是一座不完全多年调节水库。该水库按500 年一遇洪水设计，设计水位为418.30 m；按5 000 年一遇洪水校核，校核水位为420.08 m； 保坝洪水位为423.45 m， 正常蓄水位为413.00 m，死水位为380.00 m。

白山水电站工程枢纽主要由拦河大坝、 河床坝段泄洪建筑物、 右岸全地下式厂房、 左岸地面式厂房、左岸全地下式厂房和开关站等组成。拦河大坝为三圆心混凝土重力拱坝（由三段圆弧组成，中部小圆弧半径为320 m，两侧大圆弧半径为770 m），坝顶高程为423.5 m， 坝顶弧长为676.5 m， 最大坝高为149.5 m，坝顶宽为9.0 m，底宽为63.7 m，厚高比为0.426。 坝上共设置4 个堰顶溢流孔和3 个深泄水孔，以作泄洪之用。目前，该电站已在发电、防洪等方面取得了显著的经济和社会效益。

2 光纤传感器的优势和工作原理

2.1 光纤传感器的优势

与传统的电阻式、 振弦式、 电磁式等传感器相比，光纤传感器在使用条件、性能等方面具有以下优势：

（1）较高的灵敏度。光纤传感器能监测出外界条件发生的细微变化。

（2）安装埋设方便。光纤传感器可以根据安装位置的布置，制成任意形状，方便安装埋设［2］。

（3）具有较好的绝缘性和化学稳定性。光纤是一种具有高绝缘性、化学性能稳定的物质，适用于几乎所有的恶劣环境。

（4）具有良好的安全性。由于光纤传感器的敏感元件是无电源的，所以在测量过程中，不存在触电或放电等安全隐患。

（5）具有良好的抗电磁干扰性。因为电磁辐射的频率与光波的频率不一样， 所以电磁辐射几乎影响不到光在光纤中的传播，或影响甚微。

（6）可进行分布式测量。光纤传感器的测量距离较长，并且能够测出该段距离上任意点上的信息，从而实现可分布式测量。

（7）具有较长的使用寿命。因为光纤的主要材料是石英玻璃，还有高分子材料的外包层，从而使光纤的使用寿命较长［3］。

（8） 具有较大的传输容量。 用光纤当母线测量时，通过复制技术，可具有更大的传输容量［4］。

（9）光纤传感器可以实现动、静两用量测。

（10）测量精度高。 光纤传感器测量精度普遍比传统传感器高一个数量级［5］。

2.2 光纤传感器的分类

光纤传感器按照光纤在传感器中的感化作用可分功能型传感器和非功能型传感器。 功能型传感器又称为传感型传感器， 是将被测物理量转化为光的参数，实现监测。非功能型传感器又称为传光型传感器，其光纤仅起光波传输的作用，需加传感元件才能实现监测。 白山水电站采用传感型光纤传感器对大坝进行安全监测。

2.3 光纤传感器的工作原理

传感型光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光束经过光纤送入调制器， 在调制器内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的光信号，再经由光纤送入光电器件，经解调器解调后，获得被测参数。 它也可用公式（1）解释。

式中：E 为强度；E0为光波的振幅；ω 为频率；t为时间；φ 为初相角。

3 白山水电站光纤监测系统的应用

3.1 白山水电站测点布置原则

白山水电站拱坝监测布置根据工程规模、等级，并结合工程实际及上、下游影响进行；相关监测项目应配合布置，突出重点，兼顾全面，并考虑与数值计算和模型试验的比较及验证，关键部位测点宜进行冗余设置。

3.2 白山水电站研究测点选取

本文选取典型断面布置观测点做原型试验，研究光纤传感器在白山水电站拱坝安全监测中的可行性和检测结果的准确性。 白山水电站拱坝在418 廊道、375 廊道、340 廊道、312 廊道共布设17 组39 个双向测斜传感器。 通过现场勘查，并根据《白山现场考察报告》， 确定选择白山水电站拱坝17 号坝段的418 廊道、375 廊道、340 廊道、312 廊道的4 支双向倾斜传感器做原型试验研究， 仪器编号及安装位置如表1 所示，测点布置图如图1 所示。

表1 双向倾斜传感器安装汇总表Tab.1 Summary of bidirectional inclination sensor installment

图1 测点布置图Fig.1 Layout of monitoring points

3.3 监测结果分析

2017 年汛期，白山水电站拱坝双向倾斜传感器监测值如表2 所示， 光纤传感器监测数据过程线如图2～图4 所示。

表2 双向倾斜传感器监测值Tab.1 Monitoring values of bidirectional inclination sensor

图2 白山水库上游水位过程线Fig.2 Upstream water level process line of Baishan Reservoir

图3 倾斜传感器X 方向（上下游）过程线Fig.3 X direction (upstream and downstream) process line of inclination sensor

图4 倾斜传感器Y 方向（左右岸）过程线Fig.4 Y direction (upstream and downstream) process line of inclination sensor

由图2 可知，白山水电站上游水位逐渐在升高，符合汛期水库水位的变化规律。

由表2 可知，大坝在X 方向（上下游方向）的最大倾斜为60.8″，并呈现出坝底倾斜大，坝顶倾斜小，倾斜角随着坝高的增加而变小的情形， 符合大坝一般变形规律；大坝在Y 方向（左右岸方向）的最大倾斜为52.8″，并呈现出中间倾斜大，两头倾斜小的情形，符合大坝一般变形规律。

由图3 和图4 可知，大坝倾斜变形在X 方向（上下游方向）和Y 方向（左右岸方向）的变化规律与水位变化趋势相同，均随水位的增高而增大；大坝倾斜变形在X 方向（上下游方向）和Y 方向（左右岸方向）的变化还与温度成正相关， 也随温度的升高而增大；X 方向（上下游方向）从初始位置向下游方向，倾斜角随水位的增高逐渐增大，增量约在16～37″，Y 向（左右岸方向）增量约在16～40″，可以明显地看出：倾斜角随水位上升而发生变化，而且变化明显，灵敏度较高。

4 结语

通过光纤传感器在白山水电站安全监测系统中的运用，可以发现，与传统的电阻式、振弦式等传感器相比，光纤传感器测值准确性好，发生不可信测值的概率低， 大大减小了监测分析时数据处理的工作量；灵敏度极高，比传统传感器高一个数量级；使用寿命长，正常情况下可以和工程使用寿命一样。