水布埡面板堆石壩光纖光柵測溫成果與常規(guī)監(jiān)測成果對比分析

周玉紅，張雪琴，鄧啟敏（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北宜昌，443000）

水布埡面板堆石壩光纖光柵測溫成果與常規(guī)監(jiān)測成果對比分析

周玉紅，張雪琴，鄧啟敏（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北宜昌，443000）

分析水布埡面板堆石壩周邊縫光纖光柵測溫監(jiān)測成果,并與周邊縫滲壓計(jì)、三向測縫計(jì)、單向測縫計(jì)等監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對分析，驗(yàn)證分布式光纖光柵滲流監(jiān)測技術(shù)的實(shí)效性。

面板堆石壩；光纖光柵；溫度分布；滲流；過程線

0　引言

混凝土面板堆石壩是采用面板作為防水主體的一種土石壩，受壩體填料密實(shí)度、河谷形狀、地質(zhì)缺陷、填筑方式等多種因素影響，不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和不符合規(guī)范要求的施工有可能導(dǎo)致壩體過量變形及應(yīng)力分布不合理，從而造成面板斷裂、周邊縫變形過大甚至破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重滲流，危及大壩安全。因此大壩面板周邊縫的裂縫、滲流監(jiān)測尤為重要。

目前已建成或在建的混凝土面板堆石壩的滲流監(jiān)測手段較為傳統(tǒng)，大多采用埋設(shè)少量滲壓計(jì)、輔以壩后量水堰的監(jiān)測方式。傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測方法存在以下問題：滲壓計(jì)難以捕捉微小壓力差的初始滲流和貫通性滲流；不能構(gòu)成分布式監(jiān)測系統(tǒng)，存在監(jiān)測盲區(qū)；不能實(shí)時(shí)捕捉滲流的產(chǎn)生過程；不能準(zhǔn)確定位大范圍滲流點(diǎn)位置；儀器長期穩(wěn)定性、可靠性差、壽命短等。

為此，壩工界提出了混凝土面板堆石壩滲流監(jiān)測的新思路：通過監(jiān)測面板堆石壩周邊縫附近土石體的溫度分布和溫度變化狀況來判斷滲流。實(shí)際工程應(yīng)用中，通常幾種滲流監(jiān)測方法同時(shí)采用，以便形成對照，得到更加可靠的結(jié)論。

光纖光柵傳感技術(shù)是近20年發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的新技術(shù)，測溫精度高、穩(wěn)定可靠、易于構(gòu)成分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，解決了混凝土面板堆石壩周邊縫滲流監(jiān)測的難題。

1　面板監(jiān)測儀器布置概況

清江水布埡水利樞紐位于湖北省巴東縣境內(nèi)，擋水建筑物為目前世界最高的混凝土面板堆石壩，大壩壩頂軸線長674.66 m，最大壩高233.2 m，防浪墻頂高程410.2 m。水庫正常蓄水位400 m，相應(yīng)庫容43.12億m3，死水位為350 m，裝機(jī)容量1 840 MW。樞紐等級(jí)為一等大（1）型水利水電工程，主要工程建筑物包括：混凝土面板堆石壩、河岸式溢洪道、放空隧洞和地下式電站廠房。

大壩面板監(jiān)測項(xiàng)目主要有變形和滲流監(jiān)測兩項(xiàng)。安全監(jiān)測內(nèi)容包括面板撓度監(jiān)測、面板接縫開度監(jiān)測、混凝土面板應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測、面板周邊縫滲漏部位監(jiān)測等。面板主要監(jiān)測儀器布置見圖1，其中，面板周邊縫監(jiān)測儀器布設(shè)狀況如下：

常規(guī)監(jiān)測儀器：布設(shè)三向測縫計(jì)13只、測點(diǎn)編號(hào)SJ01_1～SJ01_13，監(jiān)測面板周邊縫變形；在三向測縫計(jì)后布設(shè)13只滲壓計(jì)，測點(diǎn)編號(hào)P01_Z_6，監(jiān)測周邊縫的滲漏情況。

圖1　水布埡面板監(jiān)測儀器布置圖Fig.1 Layout of monitoring instruments on the face slab

新型監(jiān)測儀器：在大壩面板周邊縫布設(shè)了一套光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)，對壩基和兩岸壩肩的周邊縫滲流進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場埋設(shè)32條光柵測溫探頭（左岸周邊縫11條、水平段周邊縫2條、右岸周邊縫19條），共計(jì)618個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)編號(hào)（1～618號(hào)）。在大壩面板P01-Z7內(nèi)部布設(shè)了28只光纖光柵應(yīng)變計(jì)監(jiān)測該面板撓度（實(shí)際未投運(yùn)）。

面板周邊縫監(jiān)測儀器自2005年初投運(yùn)，至今已有10年。目前，三向測縫計(jì)7只失效，滲壓計(jì)6只失效，完好率為50%。光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行正常，失效探頭55只左右，探頭有效率達(dá)91%以上，基本無監(jiān)測盲區(qū)。

2　光纖光柵滲流監(jiān)測原理和現(xiàn)場布置

2.1光纖光柵滲流監(jiān)測原理

光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測大壩周邊縫的溫度變化來判斷滲流情況，光纖光柵傳感器探頭沿大壩周邊縫布置，和加熱電纜固定在一起。開啟電纜加熱控制器，加熱電纜對其周圍土石體加熱。當(dāng)大壩某處出現(xiàn)滲漏或者有積水時(shí)，該處土石體將非常潮濕，在相同加熱時(shí)間內(nèi)該處的溫度上升量比干燥地點(diǎn)的溫度上升量小得多，由此可根據(jù)溫度上升量及傳感器的布置位置判斷出滲漏點(diǎn)或積水點(diǎn)的位置。采用多個(gè)光纖光柵探測器可以構(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)區(qū)域的滲流監(jiān)測。

光纖光柵探頭是系統(tǒng)的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準(zhǔn)分子激光器采用掩模曝光的方法使一段約8 mm的光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性改變，形成布拉格光柵結(jié)構(gòu)。探頭對環(huán)境溫度非常敏感，微小的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致探頭反射光波長的漂移。

信號(hào)處理器是系統(tǒng)的另外一個(gè)核心部件。信號(hào)處理器可以同時(shí)檢測出多個(gè)光纖光柵探頭的反射波長變化，并推算出各點(diǎn)的溫度變化情況。

2.2光纖光柵滲流監(jiān)測探頭布置

水布埡大壩面板周邊縫滲流監(jiān)測范圍約1200 m，按設(shè)計(jì)編號(hào)劃分測量單元，周邊縫共劃分為17個(gè)測量單元。以左岸江底P4點(diǎn)為分界線，左邊分為6個(gè)測量單元，設(shè)計(jì)編號(hào)為GTZ-1～GTZ-11；右邊分為11個(gè)測量單元，設(shè)計(jì)編號(hào)為GTY-1～GTY-21。

在容易發(fā)生滲流的P4～P9區(qū)域，每個(gè)單元長60m，探頭間距為1.5m；P3～P4區(qū)域每個(gè)單元長80m，探頭間距2 m；其余單元長120 m，探頭間距3 m。在每個(gè)測量單元內(nèi)放置40個(gè)光柵溫度探頭，將其分成2組，每組20個(gè)構(gòu)成一串,2組傳感器空間位置交錯(cuò)并行敷設(shè)。將每組傳感器的首尾兩端各用一根光纜引入左、右岸觀測室，一端接光柵解調(diào)器，另一端備用，保證了系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性。

面板周邊縫共埋設(shè)測溫探頭32串，計(jì)618只，加熱電纜1 350 m，傳輸光纜32回路，計(jì)5萬余m。

3　光纖光柵測溫監(jiān)測成果分析

3.1數(shù)據(jù)監(jiān)測方法

水布埡光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)已運(yùn)行了10年，每月監(jiān)測一次并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

目前采取非在線測量方式，定期由人工到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。測量儀器為武漢理工大學(xué)生產(chǎn)的便攜式單通道BGDPC-MA光纖光柵波長讀數(shù)儀。

先不投入加熱器，用光纖光柵波長讀數(shù)儀測量并記錄各個(gè)光柵溫度探頭的初始波長（溫度）值，初始波長（溫度）值測量完畢，投入加熱器，加熱1～2 h后系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，探頭溫度趨穩(wěn)，用光纖光柵波長讀數(shù)儀測量并記錄各個(gè)光柵溫度探頭的波長（溫度）值。

重點(diǎn)：增加一兩個(gè)典型測點(diǎn)的測值過程線（歷次加溫前的溫度值），并與鄰近滲壓計(jì)或測縫計(jì)的溫度值進(jìn)行比較，說明光柵溫度測值的可靠性。如果光柵無法獲得絕對溫度，與初次溫度相比的變化量過程線也可以，并與其他儀器的溫度分量對比，查驗(yàn)光柵溫度測值的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2正常區(qū)域的溫度分布實(shí)測結(jié)果

江底水平段：探頭整體溫升較低且基本一致。由于水平段高程低于下游水位，且大壩混凝土表面回填了數(shù)十米的土石體，故該區(qū)域探頭外部環(huán)境狀況相對穩(wěn)定，探頭加熱后整體溫升比較均勻，基本在5℃左右。

依據(jù)模擬滲流試驗(yàn)資料分析，測點(diǎn)附近存積水或滲流量不大時(shí)，該處探頭加熱后仍會(huì)有一定的溫升，溫升的高低與土石體材料特性、密實(shí)度、加熱效率、探頭與加熱器捆扎松緊程度有關(guān)。故水平段的輕微滲流狀況需結(jié)合相應(yīng)部位埋設(shè)的滲壓計(jì)、裂縫計(jì)的監(jiān)測結(jié)果來綜合分析。

圖2給出了水平段GTY-1∕GTY-2單元（2012～2014年）3個(gè)年度7月份光柵探頭溫升曲線。圖中縱坐標(biāo)為探頭溫升值，橫坐標(biāo)為該單元探頭編號(hào)（即連續(xù)的各部位）。

由此可見，水平段探頭溫升具有很好的一致性和連續(xù)性，連續(xù)多年監(jiān)測整體趨勢穩(wěn)定，同比和環(huán)比沒有明顯變化，表明該區(qū)域無明顯的滲流。

3.3局部滲流異常區(qū)域的溫度分布實(shí)測結(jié)果

疑似滲流區(qū)段以右岸GTY-13∕GTY-14單元（高程282～309 m）為例。

2008年6月起，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)周邊縫右側(cè)中部（285～292 m高程）出現(xiàn)連續(xù)多個(gè)探頭溫升異常，該區(qū)域多個(gè)探頭溫升曲線呈漏斗狀，見圖3。圖中：橫坐標(biāo)為該單元探頭編號(hào)，縱坐標(biāo)為探頭溫升值。

此后數(shù)年的月度數(shù)據(jù)監(jiān)測表明：該區(qū)域探頭溫升曲線一直維持此狀態(tài)，由此可初步認(rèn)定為疑似滲流區(qū)域。經(jīng)過以下進(jìn)一步分析，判斷該區(qū)域（和可能）存在局部滲流：

圖2　水平段GTY-1/GTY-2單元溫升狀況圖Fig.2 Temperature rise of the horizontal unit GTY-1 and GTY-2

圖3　周邊縫右側(cè)GTY-13/GTY-14單元探頭溫升狀況圖Fig.3 Temperature rise of the probe in the unit GTY-13 and GTY-14 right side the peripheral joint

（1）依據(jù)相關(guān)滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)周邊縫某處出現(xiàn)滲流時(shí)，滲流水會(huì)沿周邊縫內(nèi)擴(kuò)散，形成一定長度的不同含水量的潮濕區(qū)域，從而改變該區(qū)域溫度場的分布。啟動(dòng)加熱裝置給探頭加熱，滲流點(diǎn)附近探頭溫升最低，離滲流點(diǎn)越遠(yuǎn)探頭溫升越高。整個(gè)滲流區(qū)域探頭溫升曲線呈漏斗狀。

（2）近10年監(jiān)測資料表明，在系統(tǒng)投運(yùn)初期，該區(qū)域所有探頭溫升比較一致，均在10℃以上；2008年6月后該區(qū)域探頭溫升出現(xiàn)分化，形成漏斗狀，且該狀態(tài)一直延續(xù)至今無擴(kuò)大跡象。

（3）由于周邊縫光柵測溫系統(tǒng)采用雙回路探頭并行敷設(shè)方式，2個(gè)獨(dú)立測量回路的監(jiān)測數(shù)據(jù)相互佐證，消除了監(jiān)測儀器受外界因素影響導(dǎo)致的誤判。

（4）施工日志記載該區(qū)域附近趾板施工期曾出現(xiàn)裂縫并進(jìn)行過修復(fù)。

（5）壩后量水堰測量數(shù)據(jù)表明水布埡面板堆石壩存在微小滲流，但很穩(wěn)定。

3.4光纖光柵滲流監(jiān)測初步結(jié)論

通過分析各傳感器探頭的多年溫度數(shù)據(jù)，獲得如下結(jié)論：

（1）江底水平段：探頭整體溫升較低，一般在4～6℃。

（2）溫升偏低區(qū)段：右岸GTY-7∕GTY-8單元上半段（探頭順序號(hào)354～364號(hào)），GTY-11∕GTY-12單元溫度上升比較均勻且長期穩(wěn)定。

（3）溫升異常區(qū)段：

左岸GTZ-8∕GTZ-7單元上半段（高程320～340 m）和GTZ-6∕GTZ-5單元（高程266～293 m）；

右岸GTY-13∕GTY-14單元下半段（高程285～292 m）。

即水布埡大壩周邊縫左、右岸中間高程某些區(qū)段局部可能存在滲流，但滲流量穩(wěn)定。

4　常規(guī)儀器監(jiān)測成果分析

4.1周邊縫滲壓計(jì)監(jiān)測成果分析

根據(jù)周邊縫光纖光柵滲流監(jiān)測結(jié)論，選擇與其對應(yīng)部位的常規(guī)滲流儀器滲壓計(jì)監(jiān)測成果進(jìn)行對比分析，探討光纖光柵滲流監(jiān)測結(jié)論的正確性，并對大壩安全情況進(jìn)行分析。

表1表明面板周邊縫滲壓水頭最大測值為25.95 m，位于L2面板177 m高程的P01_Z_6，其他測值都很小。

經(jīng)查找歷史資料，同樣位于江底R(shí)2面板177 m高程的P01_Z_7，其2009年以前滲壓水頭也高達(dá)26 m左右，后期該儀器損壞無測值。同時(shí)壩基滲壓計(jì)P01_1_1（位于0+212斷面、179.9 m高程）滲壓水頭也是24 m左右。以上監(jiān)測成果說明大壩底部長期存在高達(dá)20幾m的滲壓水頭，這一結(jié)論有效驗(yàn)證了上述光纖測溫結(jié)論之一——“江底水平段，探頭整體溫升較低”說法的合理性。

4.2右岸區(qū)段變形監(jiān)測成果分析

右岸溫升偏低區(qū)段附近對應(yīng)常規(guī)監(jiān)測儀器SJ01_11（用于監(jiān)測周邊縫變形）最大張開7 mm左右，法線方向最大沉降10 mm左右，其成果見表2。區(qū)段上部J01_Z_11、J01_Z_12、J01_Z_19、J01_Z_23用于監(jiān)測面板接縫開合度，表3數(shù)據(jù)顯示，面板接縫張開在10～18 mm之間。

由表1可知，右岸溫升偏低區(qū)段上部，面板與面板之間均處于張開狀態(tài)，最大張開達(dá)18 mm，既然面板存在張開縫，水流就可能順縫隙流至周邊縫。光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)工作時(shí)，該區(qū)段可能存在積水或一直有水流流經(jīng)該區(qū)段，則測量溫升幅值就很小。這一結(jié)論能夠驗(yàn)證光纖測溫結(jié)論之二——“右岸GTY-7∕GTY-8單元上半段以及GTY-11∕GTY-12單元溫升偏低”說法的合理性。

表1　水布埡大壩面板周邊縫滲壓成果表Table 1 Seepage pressure at the peripheral joint on the face slab

4.3左岸區(qū)段變形監(jiān)測成果分析

左岸溫升異常區(qū)段對應(yīng)常規(guī)監(jiān)測儀器有SJ01_2、SJ01_3、SJ01_5和SJ01_6（用于監(jiān)測周邊縫的變形），監(jiān)測成果見表2所示。該區(qū)段附近測點(diǎn)J01_Z_3（用于監(jiān)測面板接縫開合度），最大開合度達(dá)33 mm，溫升異常區(qū)段附近另一測點(diǎn)J01_Z_20最大開合度達(dá)15 mm，接縫開合度成果見表4。過程線見圖4。

周邊縫變形正負(fù)號(hào)規(guī)定：X指向面板為正，其中X為正張開，為負(fù)則閉合。Y為正：測點(diǎn)在右岸者，表示面板沿縫上移；測點(diǎn)在左岸者，表示面板沿縫下移；Y為負(fù)：情況相反。各測點(diǎn)的坐標(biāo)以面向趾板，Z垂直面板向上為正，Z為正表示面板上抬，為負(fù)表示向面板法線方向沉降。

圖4　J01_Z_3過程線圖Fig.4 Process graph of J01_Z_3

表2　水布埡大壩面板周邊縫監(jiān)測成果表Table 2 Monitoring data of the peripheral joint on the face slab

由表2可知X向最大位移量位于SJ01_2測點(diǎn)，Y向最大位移量位于SJ01_5測點(diǎn)，Z向最大位移量位于SJ01_2測點(diǎn)。成果表明：周邊縫X向基本上都為正，說明縫是張開狀態(tài)且面板周邊縫左岸最大張開12 mm左右，最大沉降45 mm左右，法線方向最大沿面板下移9 mm左右。

表2以及圖5表明周邊縫左岸中部存在位移現(xiàn)象，可能有滲水，但因周邊縫儀器數(shù)量有限,目前沒有足夠的資料證明光纖光柵測溫“溫升異常區(qū)段”這一結(jié)論，后期將重點(diǎn)關(guān)注。

表3　面板垂直接縫特征值統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of the eigenvalues of the vertical joints

表4　面板垂直接縫特征值統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of the eigenvalues of the vertical joints

圖5　面板周邊縫左岸剪切過程線Fig.5 Process graph of shearing

5　結(jié)語

雖然監(jiān)測成果顯示大壩局部可能存在滲水現(xiàn)象，但從多年滲流監(jiān)測成果看（最大滲流81.17 L∕s），滲流量較小，水布埡大壩整體情況較好，處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

通過水布埡光纖光柵測溫監(jiān)測成果與其他常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目（滲壓計(jì)、測縫計(jì)、三向測縫計(jì)等）監(jiān)測成果的比對分析，驗(yàn)證了水布埡分布式光纖光柵滲流監(jiān)測技術(shù)的實(shí)效性，說明分布式光纖光柵技術(shù)是監(jiān)測周邊縫滲流的較好手段。近十年的現(xiàn)場應(yīng)用后，傳感器探頭完好率非常高，說明一次性埋設(shè)設(shè)施的可靠度高。傳感器相互串接、兩端引線的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性，建議將光纖信號(hào)直接接入大壩安全遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)專網(wǎng)，增加一套計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)光纖光柵測溫的全自動(dòng)監(jiān)測。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到大渡河猴子巖面板堆石壩周邊縫滲流監(jiān)測中。

今后面板壩監(jiān)測設(shè)計(jì)時(shí)建議在河床兩岸地質(zhì)條件復(fù)雜處適當(dāng)增設(shè)三向測縫計(jì)和滲壓計(jì)。

作者郵箱：zhouyh@qdc.com.cn

Title:Comparison between data by fiber grating and by conventional methods at Shuibuya concrete face rockfill dam

by ZHOU Yu-hong,ZHANG Xue-qin and DENG Qi-min∕Qingjiang Hydropower Develop?ment Co.,Ltd.

The monitoring data of peripheral joint of Shuibuya face-slab rockfill dam obtained by fiber grating is analyzed.Further,by comparison with the data monitored by conventional methods,such as os?mometer and joint meter,the effectiveness of application of fiber grating is proved.

concretefacerockfilldam;fibergrating;temperaturedistribution;seepage;processgraph

TV698.1

B

1671-1092（2016）04-0024-06

2015-07-06；

2016-04-08

周玉紅（1970-），女，湖北秭歸人，高級(jí)技師，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。