FOG技术在水布垭水电站坝体沉降监测中的应用研究

黎佛林

(江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室，江西 南昌 330009)

光纤陀螺(简称FOG)的核心原理是利用光的干涉现象来测量旋转角速率，是由1913年法国物理学家G.sagnac首次提出的[1]。在土木工程领域，三峡大学的蔡德所等开展了探索性地研究，提出应用光纤陀螺监测系统(FOG)监测思安江水电站面板挠度[2]。在水布垭水电站的大坝面板挠度监测中亦应用了FOG技术[3]。大坝沉降监测为大坝工程质量检测手段之一，为工程质量监督提供了科学依据[4- 5]，对于落实工程质量终身责任制具有指导意义[6]。通过沉降监测可直接反映填筑施工质量[7- 8]，对监测数据进行分析可优化施工技术，改进施工方法[9]，达到提升工程施工质量的目的[10]。开展FOG技术在大坝沉降监测中的应用研究，可丰富科学、规范、合理的监测体系[11]。

大坝沉降监测常规仪器一般是定点式观测，如水管式、电磁式和基站式等，数据分析时对测点进行拟合，因此其整体数据与仪器埋设位置相关；且仪器一旦埋入坝体，便不能对其进行调整和维修，因此仪器的存活率决定了监测数据的完整性。在土石坝安全监测中，开展可更新的FOG技术应用研究，可丰富大坝沉降监测方式，实现大坝沉降的分布式观测。

1 FOG监测水布垭大坝沉降

水布垭大坝共布设3个安全监控断面，分别为0+132，0+212，0+356断面。在0+132断面的371m高程处布设FOG测量通道，长103m。在监测断面同一高程附近还布设了3支水管式沉降仪，如图1所示，按管道从上游到下游的坐标位置依次为4.7m(SV01- 2- 14)，49.5m(SV01- 2- 15)，91.1m(SV01- 2- 16)。

1.1 FOG实测大坝沉降及其规律

首先定义大坝相对沉降量：大坝内部沉降相对于分布式起点的相对值，而非相对监测的时间，起点为上游零点。经光纤陀螺航天算法计算的大坝沉降值即为大坝相对沉降量：当坝体未发生沉降变形，陀螺仪只有平动而无转动，它的输出脉冲经计算成角度变化后为零；当坝体变形后会产生一个角度变化，此时陀螺可以监测到这个角度的变化值。如图2所示，FOG监测大坝相对沉降工作从三期面板浇筑完工后开始，以起点位置为参照零点，整个连续断面的沉降量都是相对于起点的相对值，图2所示的第1年3月沉降系列是坝体在施工期的相对沉降量，稍大于最终相对沉降量的一半。

FOG系统监测坝体371m高程沉降的布设断面具有如下特征：坝轴线上游为主堆石区，该部分为第五期碾压填筑，但第四期已填筑至364m高程(如图1所示)；坝轴线下游为次堆石区，观测年(基准年)的前1年2月已填筑至监测断面所在高程。

图1 FOG监测371m高程坝体沉降示意图(单位:mm)

图2 FOG系统监测连续断面的大坝沉降

图2展示了FOG系统监测水布垭大坝沉降的成果，该图直接反映堆石体相对于起点的不均匀沉降变化过程。从埋设监测通道至大坝堆石体填筑到405m高程(前1年10月底)，监测断面的相对沉降以0.2～0.34m居多，相对沉降随时间继续增加；在半年后即第1年3月三期面板浇筑完成，此时大坝的绝对沉降已完成最终沉降的一半[12]，这与FOG监测的结果相近。图2和表1可以揭示坝体相对沉降的内在规律及发展趋势：靠近上游面的堆石体在初期的相对沉降速率大于下游面，时间持续到第1年12月；第1年12月—第2年3月，相对沉降的最大变化值只有9mm，说明该段时间监测断面基本均匀沉降。为了更明显地反映变形性状，将3个月的间隔期逐步调整为1a，第2年11月，上游面相对沉降出现负值反弹，下游面的沉降速率大于上游面，最大处为63mm/a。第2年11月—第4年10月，整个监测断面的相对沉降增加，但下游面的沉降速率远远大于上游面，最大速率达到105mm/a。第5年，上下游的沉降速率大致相同，最大为35mm/a，之后沉降速率不断地减少，第6年为12mm/a，第7年为6mm/a。

图3可以直观地反映各个主要节点随时间的变化过程。从负1年2月—第1年7月为快速相对沉降期，1年半时间完成该断面最大相对沉降的67.5%，此时大坝三期面板已浇筑完成。此后的一段时间，大坝相对沉降量缓慢地增加，直到第2年3月，防浪墙浇筑完成后开始大坝409m高程以下填筑，同年7月大坝主体工程完工，从第2年3月—第5年10月，10、20、100m节点的相对沉降值保持基本不变，30、40和50m节点处的相对沉降先减小后增加且总量增加约120mm，可以推断上下游大坝沉降快慢发生转变。FOG监测断面的沉降变化过程：负1年2月—第1年3月，下游坝体沉降速度快于上游；第1年3—12月，上游坝体沉降速度快于下游；第2年12月—第4年10月，坝体沉降速度较之前加快，且下游的沉降速度大于上游。后期大坝沉降变幅不断减小，到第7年10月小于7mm/a。表1给出了施工、蓄水和运行期主要节点随时间的相对变幅，在填筑期相对沉降变幅最大，到第2年8月蓄水期(坝体刚完工)，沉降变幅增大，运营后期沉降变幅不断减小直至收敛。由相对沉降的偏差值和绝对均值说明中部的沉降量及沉降速率都大于两端。

表1 主要监测节点的相对沉降变幅及指标 单位：mm

图3 FOG系统监测主要节点的大坝沉降

1.2 FOG实测大坝沉降特征的论证

FOG监测的对象虽是大坝相对沉降，但可以根据布置在起点附近的水管式沉降仪和尾部全站仪观测值共同推断FOG反映的大坝真实沉降。FOG监测水布垭大坝371高程坝体沉降表现出4个阶段的特征，如图4所示。第一阶段为该期堆石体填筑开始到完工后的一段时间，时长大约为1a，这段时期对应工序为堆石填筑和三期面板浇筑，这一阶段定义为快速沉降期；第二阶段是上一时间节点至下期堆石体碾压施工开始后，时间一般为0.5a，此时的相对沉降速度减缓，称为缓沉期；第三阶段为堆石体填筑完工后一段时间，相对沉降速度较前一阶段稍快，可称为正常沉降期，这一阶段的时间一般需要1.5a或更长，这主要与沉降点所在高程及大坝开始蓄水有关；第四阶段为沉降收敛期，此时大坝沉降年均变幅小于10mm，主要为运行后期。

图4 面板堆石坝相对沉降过程曲线

水布垭大坝0+212断面和0+132断面的点式水管沉降仪绝对沉降测值也基本符合这个变化过程。371m高程的水管式沉降仪(如图5所示)监测结果显示正常沉降期为3a，缓沉期为第1年12月—第2年4月，到第5年8月左右进入收敛期，与FOG监测结果吻合，因此认为FOG监测系统反映的大坝沉降过程是合理的。

面板堆石坝的坝体沉降主要发生在施工期[13]，FOG系统的监测结果也符合这个规律。第2年7月大坝封顶时，该断面的相对沉降率达到78%，16号沉降仪测值也将趋于收敛，说明FOG测量的大坝沉降主要发生在施工期；另外大坝下游次堆石区沉降量大于上游主堆石区，且最大沉降发生在中部偏下游位置，该FOG监测结果符合顺水流方向的沉降规律[14]。

图5 水管式沉降仪监测371m高程大坝沉降变化趋势

2 讨论

在0+132断面的371m高程(图1)同时埋设2套沉降观测设备，其中水管式沉降仪监测值可为FOG系统监测结果提供参考。图5是4.7m(14号水管沉降仪)、49.5m(15号水管沉降仪)和91.1m(16号水管沉降仪)附近的3支水管式沉降仪测量结果。3支仪器的测值基本符合4个阶段的变形规律，图5中的15和16号沉降仪连续系列数据较完整。

以15号沉降仪监测结果为例，与FOG系统测值进行对比分析。因为开始测量时间不一致，测量的概念不同，因此仅对数值变化趋势的相关性和差异性进行检验。从第1年3月—第7年10月，该点光纤陀螺与水管式沉降仪所测值的相关系数R=0.948，如图6所示，拟合曲线大致与对角线平行，说明两者存在很好的相关性。根据2个系统的监测结果，水管式沉降仪绝对沉降与FOG系统相对沉降的差值在370mm波动变化，该值比拟合值(405.68mm)小，两者关系的拟合曲线为y=0.945x+405.6。

图6 2种大坝沉降监测结果的关系曲线

选取两者的相对值进行差异性检验，判断监测值的分布形状的差异性，结果见表2。3种检验方法的Monte carlo显著性水平值P均小于0.05，因此，虽然两者的相关性较好，但监测结果存在显著性差异，这主要是由于监测结果的概念不同。

表2 水管式沉降仪与FOG的差异性参数检验

游程检验的结果显示，陀螺仪和水管式沉降仪的渐进显著性水平的双尾检验结果0.000<0.05，可认为两者受因子影响都比较显著。因此，经过对比分析，陀螺仪和水管式沉降仪监测值的变化规律大致相同，两者的相关性好，变化趋势相似；游程双尾检验表明两者的监测值都受潜在因子的影响。

3 结论

(1)在FOG监测断面，大坝相对沉降速率由初期的上游面大于下游面到整体沉降速率大概相同，其后变化为下游面的沉降速率大于上游面，最后整体的沉降速率趋于相同且不断减小。

(2)FOG监测水布垭大坝371m高程坝体沉降可概括为4个阶段，即快速沉降期、缓沉期、正常沉降期和收敛期。

(3)FOG监测值与水管式沉降仪测值具有较好的相关性，变化趋势相似，都显著地受因子影响，但两者测值分布仍然存在差异性。