分布式光纤温度测量在堤坝的核心渗流监测的应用

2022-04-12刘丽敏

水利科学与寒区工程 2022年3期

洪珣,刘丽敏,赵鑫

(1.呼伦贝尔扎罗木得水利水电有限公司,内蒙古呼伦贝尔 021000；2.呼伦贝尔市水利事业发展中心内蒙古呼伦贝尔 021000)

采用分布式光纤温度(DFOT)测量方法对多个堤坝的渗漏进行检测和定位的方法在近15年来得到了成功应用，并在监测和评价方面不断改进[1-2]。DFOT测量的关键特征是光纤电缆是传感器，可以沿整个电缆长度测量温度。对于现有的大坝来说，光纤电缆安装在大坝趾部、翻新表面密封下方或现有立管中是最常见的应用[3-4]。在建造新水坝期间，电缆可以安装在监测最有用的地方。迄今为止，典型的应用是采用表面密封的路堤围缝监测。在这些应用中，由于大坝的变形和应力，光缆很大程度上受到了保护，免受机械荷载的影响。

然而，本文提出的监测系统是利用安装在带有心墙的大坝D/S滤波器上的光缆来检测流出区域。由于大坝的变形和应力，预计电缆将承受拉力和侧压力[5]。为了评估变形和应力对 DFOT 测量结果的影响，已经进行了实验室测试，其中模拟了电缆上的实际负载。实验室测试及其结果进行了讨论，并介绍了泄漏检测系统的设计方面以及测量技术。

1 试验方法

1.1 试验简述

DFOT 测量为监测技术结构提供了广泛的应用。特别是，对密封元件和接头进行分布式监测的可能性对于水工结构非常重要。根据应用和结构类型，电缆暴露的条件有很大差异。例如，放置在大坝中心部分(图1(a))以监测密封芯的光纤电缆比放置在表面密封(图1(b))下方的电缆暴露在大坝变形和上覆压力引起的更大荷载下。

图1 DFOT测量在堤坝上的应用

通常，用于电信目的的普通光纤电缆用于 DFOT 测量。然而，这些电缆的规格基于标准化的测试方法，仅提供了有关电缆在堤坝中安装的适用性的有限信息。此外，到目前为止，还没有类似项目的经验，如果电缆暴露于由覆盖层压力和沉降引起的负载，DFOT 测量的结果会如何受到影响。因此，为确保所提议的堤坝泄漏检测系统的适用性，进行了中央核心实验室测试。在几个测试系列中，模拟了由于上覆压力引起的安装条件和预期负载。

1.2 试验仪器

使用如图2所示的测试设备进行了实验室测试，以确定垂直于电缆轴的压力对DFOT测量结果的影响。电缆安装在长3.78 m、宽0.60 m、高0.60 m的加固钢箱中，垫料不同。载荷由一台承载力为1600 kN的疲劳试验机强制控制。这保证了不同加载步骤期间的恒定加载。不同的柱塞可用于间接加载。

图2 实验室测试设置(单位：cm)

除了DFOT测量外，还使用了传统的温度传感器。使用传感器记录试验期间钢箱中的温度和空气温度。因此，可以检查热边界条件是否保持不变。如果环境温度发生变化，则可以考虑它们对DFOT测量数据评估的影响。

在土壤材料中安装电缆后，需要一定的时间，直到达到固定的热条件，这是开始试验所必需的。在施加载荷之前，进行了大约10 min的参考测量。以125 kN 的载荷分步施加载荷，每次加载需要6 min。在完成最后加载步骤后，将样品卸载。

1.3 执行试验

试验使用标准混合电缆进行，如图3与表1所示。在试验中，砂砾和砂砾混合料被用作垫层材料，研究了天然材料和加工材料对颗粒形状的影响。作为垫层材料的土的级配曲线如图4所示。

图3 实验室测试的光缆

表1 标准混合电缆信息

图4 用作垫层材料的土壤的级配曲线

1.4 试验结果

为了确定垂直于电缆轴的压力对DFOT测量数据的影响，计算了在卸载状态下测得的参考温度与在加载状态下测得的温度之间的温差，并针对施加的负载绘制成图。通过从传统温度传感器获得的温度数据，考虑了测试过程中热边界条件的变化。图5示例性地显示了DFOT测量的结果，这取决于垂直于电缆轴的施加载荷。

图5 研究侧压影响的实验室测试结果

由于试验中使用的垫层材料为处理过的G1砂砾混合料，因此温度结果不受施加荷载的影响。相比之下，DFOT测量结果受到施加荷载的显著影响，该测试使用的是均匀的G7天然砾石。

不同试验系列的垫层材料最大粒径在3～64 mm(S～G5)之间。试验结果表明，层理材料的最大粒径对试验结果有影响。对于较大粒径的层理材料，最大允许荷载的降低不会引起温度异常。

室内试验结果表明，垂直于电缆轴线的压力对DFOT监测的测量结果有显著影响。在图6中，不影响测量结果的最大载荷与测试电缆的垫层材料的最大粒径相对应。在此基础上，建议将层理材料的最大粒径限制在16 mm以内，并使用级配良好的材料。同时，在高达85 m的大坝中安装光缆不会造成测量的可靠性和准确性方面的问题。在一些测试中，由于施加的载荷会造成电缆护套的损坏，并且高的光学损耗会导致测量数据的失真。然而，在任何测试中，施加的负载都没有导致光纤断裂。通过分析原始数据(光损耗)和温度数据，可以检测到由机械加载引起的温度异常。

图6 不影响测量结果的最大载荷

2 在沥青混凝土心墙堆石坝的应用

2.1 项目描述

本文以呼伦贝尔市境内伊敏河上某沥青混凝土心墙堆石坝为对象展开研究。该大坝最大高度为82 m，坝顶长度为270 m，大坝总堤坝体积为170万m3。有效库容为2250万m3。根据大坝的监测理念，安装了渗漏检测系统，以控制心墙的完整性。泄漏检测系统是基于分布式光纤温度测量，采用热脉冲法。

2.2 泄漏检测系统

根据设计，监测系统只包括一条电缆，测量水平在基础水平，如图7所示。电缆放置在沥青芯下游的排水和过渡区2A。根据规格，2A材料的最大粒径尺寸在25～60 mm之间。为了避免在2A材料压实过程中损伤电缆，在电缆周围使用粒径最大为2～5 mm的均匀砂作为缓冲材料。所有必要的设施，如测量棚、基准段和电源将位于坝顶上方的右岸。

图7 电缆配置(截面)(单位：m)

用于泄漏检测系统的电缆是标准的室外光纤混合电缆。电缆的主要应用领域是水工建筑物的泄漏检测。电缆的布局与实验室测试使用的电缆类似(图3)，但被认为更加稳健。它有一个中心支撑元件，四个铜导体的总截面为6 mm2。外径为17.0 mm。目前，用于测量的DTS系统是一个移动单元，只能在测量期间现场使用。

2.3 参考测量和模拟试验

为了评价水库蓄水及水库运行过程中坝体渗流状况的变化，必须在蓄水前进行参考测量。参考测量是在水库蓄水时进行的(2010年7月14日)。得到的温差如图8所示。

图8 参考测量结果(单位：m)

在大坝的大部分地区，参考测量的结果没有显示出异常。只有在大坝的最低部分，温差表明电缆周围的材料是饱和的或轻微的渗漏存在。总的来说，温差的变化主要是由周围土壤的导热系数不同引起的。土壤的热导率主要取决于矿物组成、容重和含水量。

进行泄漏模拟试验，以检查安装的系统是否正常运行。为此目的，在坝顶安置了一个水箱。将渗漏量调整到大约0.15 l·s-1，以证明该系统的灵敏度。水在两个不同的点被渗透。第一个部位的渗透于09:45开始，持续约3 h。由于假设入渗水流沿坡面流动，故在13:30第二个点开始入渗。这种渗透持续了大约5 h。

图9显示右侧斜坡在高程1025～1050 m之间的显著异常，这是由第一点的入渗造成的。正如在试验中预期的那样，渗入的水从斜坡上流下，造成235和250之间的异常，并随渗透的持续而增加。第二点的入渗异常如图10所示。在大坝的下部观察到进一步的温度异常，特别是在0+120左右。这种异常在测量过程中加剧。从时间特征和位置上看，是由水库蓄水水位上升引起的。