白山水電站拱壩安全光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

閆 磊，夏秀龍，劉金紅

（松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠，吉林 樺甸 132400）

0 引言

大壩安全監(jiān)測(cè)是了解大壩運(yùn)行安全的重要手段，也是進(jìn)行大壩安全評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測(cè)儀器一般使用電類傳感器，此類傳感器對(duì)工作環(huán)境條件要求高、抗干擾能力差、安裝復(fù)雜。 另外，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)很少能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)結(jié)果一般都是分散的點(diǎn)數(shù)據(jù)，所以往往會(huì)漏測(cè)很多重要的數(shù)據(jù)信息。 鑒于此，人們不斷尋求新技術(shù)來(lái)解決這些問題。

1978 年， 加拿大通信研究中心的K.O.Hill 及其合作者首次從接錯(cuò)光纖中觀察到了光子誘導(dǎo)光柵［1］。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有測(cè)量精度高、靈敏度高、安裝方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。筆者試以白山水電站為例，探討光纖傳感器在水電站安全監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用，以期為光纖傳感器的廣泛使用提供參考。

1 工程概況

白山水電站位于第二松花江干流上游， 地處吉林省樺甸市白山鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的工程。 該電站總裝機(jī)容量為1 800 MW（其中，常規(guī)機(jī)組容量為1 500 MW，抽水蓄能機(jī)組容量為300 MW）， 多年平均發(fā)電量為20.37 億kWh，在東北電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)，是該系統(tǒng)中的大型骨干電站。

白山水電站水庫(kù)總庫(kù)容為59.21 億m3（校核洪水位），調(diào)節(jié)庫(kù)容為29.43 億m3，是一座不完全多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。該水庫(kù)按500 年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水位為418.30 m；按5 000 年一遇洪水校核，校核水位為420.08 m； 保壩洪水位為423.45 m， 正常蓄水位為413.00 m，死水位為380.00 m。

白山水電站工程樞紐主要由攔河大壩、 河床壩段泄洪建筑物、 右岸全地下式廠房、 左岸地面式廠房、左岸全地下式廠房和開關(guān)站等組成。攔河大壩為三圓心混凝土重力拱壩（由三段圓弧組成，中部小圓弧半徑為320 m，兩側(cè)大圓弧半徑為770 m），壩頂高程為423.5 m， 壩頂弧長(zhǎng)為676.5 m， 最大壩高為149.5 m，壩頂寬為9.0 m，底寬為63.7 m，厚高比為0.426。 壩上共設(shè)置4 個(gè)堰頂溢流孔和3 個(gè)深泄水孔，以作泄洪之用。目前，該電站已在發(fā)電、防洪等方面取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)和工作原理

2.1 光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的電阻式、 振弦式、 電磁式等傳感器相比，光纖傳感器在使用條件、性能等方面具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）較高的靈敏度。光纖傳感器能監(jiān)測(cè)出外界條件發(fā)生的細(xì)微變化。

（2）安裝埋設(shè)方便。光纖傳感器可以根據(jù)安裝位置的布置，制成任意形狀，方便安裝埋設(shè)［2］。

（3）具有較好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性。光纖是一種具有高絕緣性、化學(xué)性能穩(wěn)定的物質(zhì)，適用于幾乎所有的惡劣環(huán)境。

（4）具有良好的安全性。由于光纖傳感器的敏感元件是無(wú)電源的，所以在測(cè)量過程中，不存在觸電或放電等安全隱患。

（5）具有良好的抗電磁干擾性。因?yàn)殡姶泡椛涞念l率與光波的頻率不一樣， 所以電磁輻射幾乎影響不到光在光纖中的傳播，或影響甚微。

（6）可進(jìn)行分布式測(cè)量。光纖傳感器的測(cè)量距離較長(zhǎng)，并且能夠測(cè)出該段距離上任意點(diǎn)上的信息，從而實(shí)現(xiàn)可分布式測(cè)量。

（7）具有較長(zhǎng)的使用壽命。因?yàn)楣饫w的主要材料是石英玻璃，還有高分子材料的外包層，從而使光纖的使用壽命較長(zhǎng)［3］。

（8） 具有較大的傳輸容量。 用光纖當(dāng)母線測(cè)量時(shí)，通過復(fù)制技術(shù)，可具有更大的傳輸容量［4］。

（9）光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜兩用量測(cè)。

（10）測(cè)量精度高。 光纖傳感器測(cè)量精度普遍比傳統(tǒng)傳感器高一個(gè)數(shù)量級(jí)［5］。

2.2 光纖傳感器的分類

光纖傳感器按照光纖在傳感器中的感化作用可分功能型傳感器和非功能型傳感器。 功能型傳感器又稱為傳感型傳感器， 是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為光的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。非功能型傳感器又稱為傳光型傳感器，其光纖僅起光波傳輸?shù)淖饔?，需加傳感元件才能?shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。 白山水電站采用傳感型光纖傳感器對(duì)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

2.3 光纖傳感器的工作原理

傳感型光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光束經(jīng)過光纖送入調(diào)制器， 在調(diào)制器內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)由光纖送入光電器件，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。 它也可用公式（1）解釋。

式中：E 為強(qiáng)度；E0為光波的振幅；ω 為頻率；t為時(shí)間；φ 為初相角。

3 白山水電站光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 白山水電站測(cè)點(diǎn)布置原則

白山水電站拱壩監(jiān)測(cè)布置根據(jù)工程規(guī)模、等級(jí)，并結(jié)合工程實(shí)際及上、下游影響進(jìn)行；相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)配合布置，突出重點(diǎn)，兼顧全面，并考慮與數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的比較及驗(yàn)證，關(guān)鍵部位測(cè)點(diǎn)宜進(jìn)行冗余設(shè)置。

3.2 白山水電站研究測(cè)點(diǎn)選取

本文選取典型斷面布置觀測(cè)點(diǎn)做原型試驗(yàn)，研究光纖傳感器在白山水電站拱壩安全監(jiān)測(cè)中的可行性和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 白山水電站拱壩在418 廊道、375 廊道、340 廊道、312 廊道共布設(shè)17 組39 個(gè)雙向測(cè)斜傳感器。 通過現(xiàn)場(chǎng)勘查，并根據(jù)《白山現(xiàn)場(chǎng)考察報(bào)告》， 確定選擇白山水電站拱壩17 號(hào)壩段的418 廊道、375 廊道、340 廊道、312 廊道的4 支雙向傾斜傳感器做原型試驗(yàn)研究， 儀器編號(hào)及安裝位置如表1 所示，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖1 所示。

表1 雙向傾斜傳感器安裝匯總表Tab.1 Summary of bidirectional inclination sensor installment

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of monitoring points

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2017 年汛期，白山水電站拱壩雙向傾斜傳感器監(jiān)測(cè)值如表2 所示， 光纖傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過程線如圖2～圖4 所示。

表2 雙向傾斜傳感器監(jiān)測(cè)值Tab.1 Monitoring values of bidirectional inclination sensor

圖2 白山水庫(kù)上游水位過程線Fig.2 Upstream water level process line of Baishan Reservoir

圖3 傾斜傳感器X 方向（上下游）過程線Fig.3 X direction (upstream and downstream) process line of inclination sensor

圖4 傾斜傳感器Y 方向（左右岸）過程線Fig.4 Y direction (upstream and downstream) process line of inclination sensor

由圖2 可知，白山水電站上游水位逐漸在升高，符合汛期水庫(kù)水位的變化規(guī)律。

由表2 可知，大壩在X 方向（上下游方向）的最大傾斜為60.8″，并呈現(xiàn)出壩底傾斜大，壩頂傾斜小，傾斜角隨著壩高的增加而變小的情形， 符合大壩一般變形規(guī)律；大壩在Y 方向（左右岸方向）的最大傾斜為52.8″，并呈現(xiàn)出中間傾斜大，兩頭傾斜小的情形，符合大壩一般變形規(guī)律。

由圖3 和圖4 可知，大壩傾斜變形在X 方向（上下游方向）和Y 方向（左右岸方向）的變化規(guī)律與水位變化趨勢(shì)相同，均隨水位的增高而增大；大壩傾斜變形在X 方向（上下游方向）和Y 方向（左右岸方向）的變化還與溫度成正相關(guān)， 也隨溫度的升高而增大；X 方向（上下游方向）從初始位置向下游方向，傾斜角隨水位的增高逐漸增大，增量約在16～37″，Y 向（左右岸方向）增量約在16～40″，可以明顯地看出：傾斜角隨水位上升而發(fā)生變化，而且變化明顯，靈敏度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過光纖傳感器在白山水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的運(yùn)用，可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的電阻式、振弦式等傳感器相比，光纖傳感器測(cè)值準(zhǔn)確性好，發(fā)生不可信測(cè)值的概率低， 大大減小了監(jiān)測(cè)分析時(shí)數(shù)據(jù)處理的工作量；靈敏度極高，比傳統(tǒng)傳感器高一個(gè)數(shù)量級(jí)；使用壽命長(zhǎng)，正常情況下可以和工程使用壽命一樣。