大型水池渗漏监测分布式光纤综合布设方案

张 娜，康业渊

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；2.中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京100025）

温度作为一种天然示踪剂， 在渗漏监测中具有独特优势［1］，近年来国内外许多工程实例证实了温度资料对水工建筑物渗漏监测的重要性［2］。 借助先进并成熟的分布式光纤温度传感技术进行水工建筑物渗漏监测引起了学术界和工程界的高度关注［3］。分布式光纤温度传感技术以光纤为媒质、 以光信号为载体，故其不受电磁干扰，精度高、灵敏度高［4-6］；能够准确实时测出光纤沿线任一点的温度值， 通过光纤传感网络合理优化布设， 可以实现温度分布式监测［7］。 同时，分布式光纤温度传感系统（DTS）测温所用光纤为普通通信光缆， 既作为传感器又作为传输介质，其结构简单，价格便宜，不仅方便施工且可维护性强、可靠性高，施工时成活率大大高于其他裸光纤。

分布式光纤温度传感系统渗漏监测的基本原理为通过分布式感温光纤直接感知并实时监测温度，一旦渗漏发生，渗漏水流引起局部光纤温度变化，显示为温度突变点， 根据温度突变点的位置和温度变化剧烈程度， 实现对发生渗漏的定位及定量分析渗漏大小。一般而言，分布式光纤温度传感系统监测渗漏有两种方法［8］：梯度法和电热法。 梯度法即利用光纤系统直接测量介质内实际温度， 不对光缆进行加热， 其依靠渗漏区和非渗漏区的温度差异来判别渗流发生的位置，温差越大，温度梯度就越大，越容易判别渗漏位置。因此，该方法应用的前提是水温和量测位置介质温度有一定差别。 为克服前面所述各种不利因素的影响， 提高分布式光纤温度传感系统监测渗漏的应用范围和监测精度， 可以采用电热脉冲法， 通过对光纤保护层的金属铠或特制光纤中的电导体通电，对光纤进行加热，加热过程中可看到渗漏区的明显温度分布异常。

大型水池渗漏监测目前主要通过观察排水沟出水情况，判断是否发生渗漏及初步评判渗漏大小，而无法判断渗漏发生位置，一旦发生渗漏，修复处理起来相当困难。 基于分布式光纤温度传感技术在堤防及水库大坝渗漏监测在国内外均有相关研究和应用实例， 但该技术在大型水池渗漏监测方面的研究和应用几乎为零。

1 分布式光纤两种布设方案

大型钢筋混凝土水池底板分缝处 （包括施工缝和结构缝）属于薄弱环节，易发生渗漏。 根据大型水池底板分缝分块，在分缝处下部设置排水盲沟，排水盲沟内浇筑无砂混凝土（如图1），感温光缆布设在底板分缝下方，形成渗漏监测的分布式光纤网络，实现对大型水池渗漏的实时、在线、分布式监控。 一旦分缝处发生渗漏，渗水将垂直掠过感温光纤，引起感温光纤温度变化， 同时渗水经过无砂混凝土汇集于上部带孔陶瓷管或UPVC管并排出。 采用无砂混凝土（如图1和图2）具有以下优点：①空隙大，渗透性强；②具有较高的强度，对基础承载能力影响较小；③便于分段施工，无需凿毛处理。感温光缆可采用内置钢丝加强筋四芯铠装光缆和内部加装有不锈钢软管两芯铠装光缆，强度高，便于施工，光纤成活率高，可通过对内置钢丝和不锈钢软管进行通电加热， 实现电热脉冲法渗漏监测， 提高分布式光纤温度传感系统监测渗漏应用范围和监测精度。

图1 无砂混凝土浇筑

图2 无砂混凝土多空介质

1.1 方案1

铠装感温光缆布设于底板分缝 （包括施工缝和结构缝）底部止水带下，排水盲沟无砂混凝土表面，一旦发生渗漏，分缝处渗水直接掠过感温光缆，引起感温光缆局部温度异常，具体布设方案如图3。

图3 方案1

1.2 方案2

铠装感温光缆布设于底板分缝下排水盲沟无砂混凝土内， 位于施工缝正下方和上部带孔的陶瓷管或UPVC管正上方，一旦发生渗漏，渗水通过无砂混凝土多空介质分散传导后垂直掠过感温光缆， 引起感温光缆局部温度异常，具体布设方案如图4。

图4 方案2

2 两种方案优缺点分析

2.1 方案1

优点：①便于施工，分段浇筑无砂混凝土后，分段铺设感温光缆，再铺设底部止水带；②感知渗水敏感，一旦底板分缝处发生渗漏，渗水直接垂直掠过感温光缆，引起感温光缆温度变化明显，能灵敏感知是否发生渗漏及渗漏大小。

缺点：①直接布设在止水带下，容易对止水带造成损坏；②对施工质量要求高，感温光缆必须严格布设在底板缝正下方， 一旦出现感温光缆未布设在底板缝正下方，测渗效果将大打折扣，甚至不能感知渗漏发生； ③底板传递的压力容易造成内部加装有不锈钢软管两芯铠装光缆压扁； ④底板纵向缝合横向缝交叉处，存在感温光缆布设交叉，对感温光缆和止水带均产生不利影响。

2.2 方案2

优点：①对止水带不造成影响，感温光缆直接布设在无砂混凝土内部，未与止水带直接接触；②一旦发生渗漏，渗水通过无砂混凝土多空介质传导分散，肯定会掠过感温光缆，即只要发生渗漏，感温光缆肯定能感知到；③感温光缆布设在无砂混凝土内部，不易损坏，光纤成活率高，耐久性好。

缺点： ①渗水通过无砂混凝土多空介质传导分散后，掠过感温光缆仅为一小部分渗水，感知渗漏的灵敏度降低；②无砂混凝土配合比如果加水量多、骨料颗粒小，将在感温光缆表面包裹一层水泥浆，进一步感知渗漏的灵敏度。

3 结语

首次提出两种应用于大型、超大型水池或水池群渗漏监测的分布式光纤布设工艺和方案，并对两种方案优缺点进行了分析。 两种方案均能达到感知水池底板渗漏的效果，方案1对渗漏感知敏感，但对施工要求高， 对止水带和光缆本身均有不利影响；方案2感知渗漏的灵敏度降低， 但对止水带不产生影响，光纤成活率高，耐久性好。 在条件允许的情况下，建议两种方案结合使用，例如底板横向缝下感温光缆布设采用方案1， 纵向缝下感温光缆布设采用方案2，或者底板纵向横向缝下同时采用方案1和方案2。