光纖傳感技術(shù)在大壩滲漏檢測中的應(yīng)用

劉曉燕

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

光纖傳感檢測常用的方法有三種，第一種方法是被動(dòng)方法，即使用溫度探頭或簡單的光纖傳感電纜，這種方法是基于滲透水引起的壩體內(nèi)絕對溫度變化。這種方法僅限于滲透水和壩料之間存在溫度梯度的情況。當(dāng)不滿足上述條件時(shí)，采用第二種方法-熱脈沖法或溫差法。它被稱為主動(dòng)方法。在實(shí)踐中，這種方法主要用于光纖混合傳感電纜。通過加熱光纖傳感電纜，在高含水飽和度區(qū)域或甚至流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的電纜段顯示為熱傳輸增加的部分，即它們加熱較少。通過計(jì)算熱脈沖開始前和熱脈沖峰值時(shí)測量值之間的溫差，可以清楚地看到滲漏區(qū)域。第三種方法是計(jì)算沿電纜的有效導(dǎo)熱系數(shù)。該方法是熱脈沖法的一個(gè)進(jìn)展。在滲流情況下，該方法產(chǎn)生有效導(dǎo)熱系數(shù)增加的區(qū)域。溫差和有效導(dǎo)熱系數(shù)都是測量地下滲流或飽和度變化的敏感方法。特別是如果這兩種方法結(jié)合起來，它們就構(gòu)成了一種高效而靈敏的工具，用于檢測和監(jiān)測大壩的滲漏[1-2]。

第一種技術(shù)，特別是使用溫度探針，已經(jīng)被開發(fā)來測量在現(xiàn)有堤壩中的不同深度(高達(dá)30-40m)的原位溫度測試。第二種和第三種方法—沿光纖的溫度監(jiān)測被設(shè)計(jì)成能夠快速、方便地記錄大壩中任何成分和幾何結(jié)構(gòu)的溫度分布，其中光纖技術(shù)已應(yīng)用在施工或修復(fù)過程中[3]。

2 現(xiàn)場溫度測量技術(shù)

2.1 溫度探頭安裝

該技術(shù)可在深度超過30-40m的沉積物和路堤中進(jìn)行溫度測量。由多個(gè)螺紋段組成的金屬管沿剖面壓入地面，形成如圖1所示的溫度探頭陣列。通常每隔1m放置的溫度傳感器鏈被插入管道中。在管內(nèi)溫度與地溫相適應(yīng)后，測量不同深度的地溫。當(dāng)測得的溫度立即在現(xiàn)場計(jì)算機(jī)上繪圖時(shí)，在檢測到溫度異常的地方，溫度探頭的初始間距開始減小。

圖1 溫度探頭陣列的安裝

迄今為止，溫度探頭已應(yīng)用于所有長度約500km的堤壩和其他水工建筑物，例如船閘，顯示了對可靠的和成功的滲漏區(qū)和滲漏的檢測的需求，以及大壩基礎(chǔ)中的異常流動(dòng)。溫度探頭適用于施工或維修后的質(zhì)量控制。

2.2 光纖溫度傳感分布式溫度傳感

通過向光纖發(fā)送短激光脈沖(<10 ns)來工作。用拉曼光譜分析背散射光，提供斯托克斯和反斯托克斯強(qiáng)度。斯托克斯與反斯托克斯強(qiáng)度的比值與反射點(diǎn)處的溫度成正比(等于測量點(diǎn))。測量點(diǎn)的位置是沿光纖的距離，根據(jù)所需的后向散射光的持續(xù)時(shí)間和光速計(jì)算得出。該方法提供沿整個(gè)光纖分布的溫度分布。

分布式光纖溫度傳感方法能夠沿長達(dá)30km的傳統(tǒng)光纖進(jìn)行高分辨率溫度測量。該方法適用于大壩、堤防等水工建筑物的監(jiān)測。將光纖集成到新建筑的結(jié)構(gòu)中或在翻新和修理工程的范圍內(nèi)，通過沿著光纖電纜進(jìn)行溫度監(jiān)測，準(zhǔn)確定位出現(xiàn)的泄漏。

在維修工程范圍內(nèi)，光纖通常安裝在密封裝置的正后方，此處的溫度與保留水的溫度沒有差異。在這種情況下，光纖通過電線增強(qiáng)，以便在電纜附近產(chǎn)生熱脈沖。如果光纖和電線都在同一根電纜內(nèi)組合，則該電纜稱為混合電纜?；旌想娎|的安裝在電纜加熱時(shí)提供光纖溫度測量(見下一段“熱脈沖法”，HPM)。電感應(yīng)熱在滲流或流動(dòng)增加的位置消散，沿纖維的溫度不會(huì)增加到?jīng)]有流動(dòng)的地方(見圖2)。因此，使用HPM進(jìn)行滲漏檢測與擋水溫度和大壩溫度之間的溫度梯度無關(guān)。

圖2 不同加熱時(shí)間沿光纖的溫度測量，顯示不同的滲透區(qū)

光纖傳感方法首次應(yīng)用于1996年。自那時(shí)起，世界范圍內(nèi)超過180km的混合電纜被視為許多新的建設(shè)和修復(fù)工程的范圍，作為一個(gè)連續(xù)的監(jiān)視設(shè)備或偶爾檢查[4]。此外，對HPM的更詳細(xì)分析揭示了孔隙速度的估計(jì)。

2.3 熱脈沖法(HPM)

利用熱脈沖法測量了既有土石壩和地基中的局部地?zé)釋?dǎo)率，并估算了滲水的孔隙流速。這種方法是基于產(chǎn)生一個(gè)明確定義的地面熱擾動(dòng)，由線熱源表示。線熱源通常用電線實(shí)現(xiàn)。1991年，線路熱源與溫度探頭相結(jié)合，即電線除了插入溫度傳感器鏈外，還插入空心管中。與光纖結(jié)合，HPM首次應(yīng)用于1998年[5]。

一旦打開熱源，測量裝置內(nèi)的溫度就會(huì)迅速上升，在純熱傳導(dǎo)的情況下，溫度會(huì)在對數(shù)時(shí)間尺度上不斷上升。在由滲流提供的對流情況下，溫度趨向于某個(gè)漸近值-最終溫度。根據(jù)其導(dǎo)熱性，溫度測量裝置周圍的材料將感生的熱量散發(fā)出去?？姿僭酱?，散熱量越大，即最終溫度越低。在關(guān)閉熱源(松弛)時(shí)也觀察到類似的現(xiàn)象。沒有流體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生緩慢的冷卻過程，并且經(jīng)過很長時(shí)間后會(huì)達(dá)到未受干擾的地面溫度?，F(xiàn)有的流體流動(dòng)導(dǎo)致對未擾動(dòng)的地面溫度的快速適應(yīng)。

兩種溫度適應(yīng)過程(加熱和松弛)都用于測定材料在溫度測量點(diǎn)的熱導(dǎo)率。土壤和建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.8-4.5Wm-1k-1之間。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些值，然后它們與流速成正比。因此，熱脈沖法提供了從地溫測量中定性估計(jì)孔隙速度的設(shè)備。

HPM引起的溫度對土壤或建筑材料的滲透取決于加熱時(shí)間、熱源強(qiáng)度和流速。HPM的不斷發(fā)展預(yù)示著對孔隙速度的更精確的估計(jì)。上述方法已應(yīng)用于土石壩和混合電纜沿線的溫度探測。HPM的另一種方法是低溫脈沖法。在沒有電力供應(yīng)的現(xiàn)場，通過冷卻而不是加熱溫度探頭的管道，速度估計(jì)在技術(shù)上是可行的。使用液態(tài)二氧化碳冷卻管道時(shí)，監(jiān)測溫度測量。與HPM相似，用低溫脈沖法獲得的數(shù)據(jù)的評估揭示了孔隙速度的定性估計(jì)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 大壩背景

大壩位于某流域上最大的發(fā)電廠上游約2km處。該發(fā)電廠建于1982年至1986年間，年發(fā)電量為1968GWh，以供水、灌溉和發(fā)電為目的。大壩最大高度為83m、壩頂長度為270m、壩體積為1.7×106m3的瀝青心墻堆石壩。有效庫容2.25108m3。大壩的儀器包括壓力計(jì)、總壓傳感器、引伸計(jì)等，用于測量滲透水量以及其他裝置。在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上，安裝了基于分布式光纖溫度測量的泄漏檢測系統(tǒng)。2015年7月，通過在堤壩內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的滲透帶。因此，計(jì)劃了修復(fù)措施。在2019年密封修復(fù)之前，通過長時(shí)間的溫度測量驗(yàn)證了滲漏的程度和量。測量結(jié)果證實(shí)了2015年的發(fā)現(xiàn)，此外，對溫度隨時(shí)間變化的分析顯示，滲漏率約為4-5L/s。這些數(shù)值通過在大壩下游壩趾處應(yīng)用電子流量計(jì)得到證實(shí)。

3.2 布局

根據(jù)設(shè)計(jì)，用于泄漏檢測的光纜沿著瀝青芯和基礎(chǔ)和EL之間的界面沿壩軸線方向運(yùn)行。海拔1010m。共安裝了大約1.5km的光纖電纜。電纜被放置在瀝青芯線下游的排水和過渡區(qū)。儀器房位于壩頂上方的右岸，提供所有必要的設(shè)施，如電源和互聯(lián)網(wǎng)連接，以自動(dòng)操作系統(tǒng)。規(guī)定的熱輸入為8 W/m電纜。

3.3 測量結(jié)果

為了評估水庫蓄水和大壩運(yùn)行期間大壩滲流條件的變化，必須在水庫蓄水前進(jìn)行參考測量。參考測量在水庫蓄水開始時(shí)進(jìn)行。獲得的溫差如圖3所示。

圖3 參考測量-蓄水前的溫差

在大壩的大部分地方，參考測量結(jié)果顯示沒有異常。只有在大壩的最低處，溫差才表明電纜周圍的材料已飽和或存在少量滲透。一般來說，溫差的變化主要是由周圍土壤材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同引起的。土壤的熱導(dǎo)率除其他外取決于礦物成分、容重和含水量。

進(jìn)行了泄漏模擬試驗(yàn)，以檢查安裝的系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。為此目的，在壩頂設(shè)置一個(gè)水箱，并將滲流量調(diào)節(jié)到約0.15升/秒，以證明系統(tǒng)的靈敏度。水在兩個(gè)不同的點(diǎn)滲透。第一個(gè)地點(diǎn)的滲透開始于9:45，持續(xù)約3小時(shí)。由于假設(shè)滲透水沿著斜坡流動(dòng)，所以在13:30開始在第二個(gè)點(diǎn)滲透。這種滲透持續(xù)了大約5h。

圖4顯示了大壩右側(cè)斜坡的顯著異常。1025-1050之間，由第一點(diǎn)的滲透引起。正如在試驗(yàn)過程中已經(jīng)預(yù)料到的那樣，滲透水從斜坡上流出，導(dǎo)致St.235和St.250之間出現(xiàn)異常，而這種異常又隨著持續(xù)滲透而增加。在大壩的下部，特別是在St.120附近，觀測到了更多的溫度異常。測量過程中異?，F(xiàn)象加劇。時(shí)間特征和位置均表明異常是水庫蓄水導(dǎo)致水位升高所致。

圖4 滲漏模擬-溫差顯示滲透引起的異常

全自動(dòng)在線泄漏監(jiān)測檢測系統(tǒng)于2019年8月投入運(yùn)行。為了便于監(jiān)視，該應(yīng)用程序基于瀏覽器。在線應(yīng)用表明了光纖泄漏檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場溫度測量，以溫度探測或分布式光纖溫度傳感的形式，構(gòu)成了滲透檢測和滲透監(jiān)測的有力工具。通過對路堤絕對地面溫度的評估，與原狀地面的溫差進(jìn)行對比分析，可以很快找到砂層中的滲漏，評估地溫和河水溫的相移隨時(shí)間的發(fā)展，進(jìn)而估計(jì)滲流量。為進(jìn)一步修復(fù)提供客觀依據(jù)。該方法及其改進(jìn)，如熱脈沖法，已成功地成為世界上100多座大壩和500km堤防的滲漏調(diào)查和滲漏監(jiān)測工具。