分布式光纖在超大型混凝土水池滲漏監(jiān)測中的應(yīng)用

康業(yè)淵，張 娜，查彥宇，王永輝

（1.中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100025；2.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

溫度作為一種天然示蹤劑，在滲漏監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢[1]，近年來國內(nèi)外許多工程實例證實了溫度資料對水工建筑物滲漏監(jiān)測的重要性[2]。借助先進(jìn)并成熟的分布式光纖溫度傳感技術(shù)進(jìn)行水工建筑物滲漏監(jiān)測引起了學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注[3]。分布式光纖溫度傳感技術(shù)以光纖為媒質(zhì)、以光信號為載體，故其不受電磁干擾，精度高、靈敏度高[4]；能夠準(zhǔn)確實時測出光纖沿線任意一點的溫度值，通過光纖傳感網(wǎng)絡(luò)合理優(yōu)化布設(shè)，可以實現(xiàn)溫度分布式監(jiān)測。同時，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)（DTS）測溫所用光纖為普通通信光纜，既作為傳感器又作為傳輸介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，不僅方便施工而且可維護(hù)性強、可靠性高，施工時成活率大大高于其它裸光纖。

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)滲漏監(jiān)測是一個新課題。一般而言，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測滲漏有兩種方法：梯度法和電熱法[5，6]。梯度法是利用光纖系統(tǒng)直接測量介質(zhì)內(nèi)實際溫度，不對光纜進(jìn)行加熱，依靠滲漏區(qū)和非滲漏區(qū)的溫度差異來判別滲流發(fā)生的位置，溫差越大，溫度梯度就越大，越容易判別滲漏位置。因此，該方法應(yīng)用的前提是水溫和量測位置介質(zhì)溫度有一定差別。為克服前面所述各種不利因素的影響，提高分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測滲漏的應(yīng)用范圍，可以采用電熱脈沖法，通過對光纖保護(hù)層的金屬鎧或特制光纖中的電導(dǎo)體通電，對光纖進(jìn)行加熱。其周圍環(huán)境溫度增加與環(huán)境的熱量和導(dǎo)熱系數(shù)直接相關(guān)，如有滲漏發(fā)生，較低的傳導(dǎo)傳輸可被效率更高的平流熱傳輸所超越，因此加熱過程中可以看到滲漏區(qū)的明顯溫度分布異常。

在我國，該方法首次采用是在長調(diào)水電站大壩周邊縫滲流監(jiān)測工程中[7]。該壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高73.7 m，壩長275.2 m，面板厚0.3～0.52 m，上游壩坡1∶1.4，正常蓄水位為505.0 m，死水位為486.0 m。2001 年10 月，在墊層下部沿周邊縫埋設(shè)了一條800 余米的傳感光纜，實施對周邊縫滲漏的檢測。為便于對兩種檢測方法進(jìn)行比較，采用了帶有金屬鎧的光纜。當(dāng)水庫水位達(dá)到480 m高程時，采用梯度法和電熱法對光纖沿程的溫度進(jìn)行測量，對滲漏進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明兩種方法都獲得了成功，對滲流發(fā)生位置的判斷非常準(zhǔn)確。

綜上所述，基于分布式光纖溫度傳感技術(shù)在堤防及水庫大壩滲漏監(jiān)測在國內(nèi)外均有相關(guān)研究和應(yīng)用實例，但是該技術(shù)在大型水池滲漏監(jiān)測方面的研究幾乎為零，可借鑒的光纖布設(shè)工藝及施工經(jīng)驗更是很少。本文通過工程實例詳細(xì)闡述大型水池滲漏監(jiān)測的分布式光纖布設(shè)工藝及施工方法，旨在指導(dǎo)基于分布式光纖傳感技術(shù)的大型水池滲漏監(jiān)測系統(tǒng)的分布式光纖布設(shè)及施工。

1 工程概況

為應(yīng)對卡塔爾日益增長的用水需求，卡塔爾水電總公司計劃在在全國范圍內(nèi)修建戰(zhàn)略水池，以保證水池的總儲水量可以滿足7 d 的用水需求，修建的戰(zhàn)略大型水池通過管道串聯(lián)在一起，并與海水淡化廠以及現(xiàn)有的管網(wǎng)連接，建成后形成一套完整的供水系統(tǒng)。

卡塔爾大型供水項目某標(biāo)段項目主要內(nèi)容包括5座500 000 m3的蓄水池、2個回水池、1座加壓泵站、1座加氯間、1座主備用發(fā)電機房、3座遠(yuǎn)程發(fā)電機房、1 座調(diào)壓系統(tǒng)、1 座水質(zhì)檢驗中心以及5 座水質(zhì)測站。本項目單個水池凈空尺寸為305 m×150 m×11.2 m，為目前全球最大單體鋼筋混凝土水池。綜合考慮當(dāng)?shù)匮谉釟夂颉⒒炷翝仓芰?、工期、成本等因素，?yōu)化設(shè)計確定水池結(jié)構(gòu)底板分縫分塊尺寸為長7.200 m，寬6.225 m。底板分縫處是薄弱環(huán)節(jié)，一旦防水失效，極易發(fā)生滲漏，通過在5 座水池底板分縫下均布設(shè)有分布式光纖，組成水池群滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，采用分布式光纖感溫技術(shù)實現(xiàn)水池滲漏實時監(jiān)測。

2 分布式光纖布設(shè)工藝

大型水池或大型水池群的分布式光纖滲漏監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)特征是：根據(jù)大型水池底板分縫分塊，在分縫處下部設(shè)置排水盲溝，排水盲溝內(nèi)布設(shè)感溫光纜，形成滲漏監(jiān)測的分布式光纖網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對大型水池滲漏的實時、在線、分布式監(jiān)控，具體布設(shè)工藝見圖1。

圖1 分布式光纖布設(shè)斷面圖

感溫光纜布設(shè)在底板分縫下的排水盲溝內(nèi)，位于帶孔陶瓷管或UPVC管上部，一旦發(fā)生滲漏，滲水將通過無砂混凝土垂直掠過感溫光纖，匯集于上部帶孔陶瓷管或UPVC管并排出。上部帶孔陶瓷管或UPVC 管與排水盲溝底部、底板、頂板坡度一致，匯集滲水及時排出，安裝陶瓷管或UPVC管時，下部放置特制混凝土墊塊。上部帶孔陶瓷管或UPVC 管、感溫光纜分段鋪設(shè)完成后，采用無砂混凝土分段澆筑排水盲溝，采用無砂混凝土具有以下優(yōu)點：①空隙大，滲透性強；②具有較高的強度，對基礎(chǔ)承載能力影響較?。虎勰毯髮Ω袦毓饫|及陶瓷管或UP?VC管固定效果較好；④便于分段施工，無需鑿毛處理。

3 分布式光纖布設(shè)施工方法

大型水池滲漏監(jiān)測的分布式光纖的施工流程是：底板分縫分塊→排水盲溝開挖→澆筑混凝土墊層→鋪設(shè)防水膜→安裝UPVC排水管→布設(shè)感溫光纜→檢驗光纜性能→標(biāo)定光纖位置→澆筑無砂混凝土→開始底板施工。施工方法包括如下具體步驟：

（1）水池底板分縫分塊。即根據(jù)水池大小、地質(zhì)情況、當(dāng)?shù)貧鉁?、施工工藝等條件綜合考慮、優(yōu)化分縫分塊方案，在條件允許的情況下，盡可能“分大塊、少設(shè)縫”，因為分縫處為滲漏易發(fā)區(qū)域。根據(jù)確定的底板分縫分塊（長7.200 m，寬6.225 m），設(shè)計排水盲溝，每條分縫下部均設(shè)置排水盲溝，且排水盲溝設(shè)置一定坡度，該坡度最好與底板及頂板坡度相同，一般為2‰左右。

（2）開挖排水盲溝，根據(jù)底板分縫分塊方案，在所有分縫（包括施工縫、伸縮縫）下部開挖排水盲溝，用于排出少量滲水，布設(shè)感溫光纖，排水盲溝需設(shè)置一定的坡度，便于滲水排出。根據(jù)排水盲溝設(shè)計高程開挖排水盲溝，排水盲溝開挖深90 cm，寬70 cm，根據(jù)地質(zhì)情況采用不同開挖設(shè)備，可以采用破碎錘和反鏟式挖掘機組合開挖，采用鏈條式挖溝機的效率更高、超挖較少。

（3）澆筑墊層混凝土，在水池底板基礎(chǔ)及排水盲溝開挖完成后，清理松散土體，進(jìn)行白蟻防治，立模時排水盲溝陰角和陽角處均需設(shè)置塑料倒角條，根據(jù)地質(zhì)情況及設(shè)計要求澆筑7 cm 左右厚的墊層素混凝土，人工收面，確保墊層混凝土表面光滑，所有轉(zhuǎn)角處均需光滑連接，不能出現(xiàn)直角，否則容易造成防水膜破損。

（4）鋪設(shè)防水膜，對墊層混凝土表面進(jìn)行檢查，需修補的進(jìn)行缺陷修補，采用角磨機打磨光滑，清掃，經(jīng)檢驗合格后方可進(jìn)行防水膜鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后需覆蓋保護(hù)，避免在太陽光下暴曬。

（5）在排水盲溝底部安裝上部帶孔（下部無孔）的陶瓷管或UPVC 管，直徑10 cm，滲水可以通過上部孔洞進(jìn)入陶瓷管或UPVC 管，陶瓷管或UPVC 管與排水盲溝底部坡度一致（2‰），經(jīng)陶瓷管或UPVC管排出，陶瓷管或UPVC 管下部放置帶凹槽的混凝土墊塊，每隔2～3 m 放置一個墊塊，保證陶瓷管或UPVC 管與排水盲溝坡度一致，根據(jù)設(shè)計的水流流向圖，在排水盲溝縱橫交叉處安裝三通或四通接頭，安裝時注意對排水盲溝內(nèi)防水膜的保護(hù)，如有破損及時修補。

（6）布設(shè)感溫光纜，在陶瓷管或UPVC 管上部一定距離布設(shè)感溫光纜，光纜布設(shè)順直，轉(zhuǎn)角處注意轉(zhuǎn)角半徑（不小于25倍的光纜外徑），避免光纜彎折受損，感溫光纜分段布置并固定，避免攤鋪過長，長時間暴露在施工現(xiàn)場而破損。隨著排水盲溝內(nèi)無砂混凝土的分段澆筑，光纜可以采用與排水盲溝等寬的方木和扎絲進(jìn)行分段固定，確保在排水盲溝內(nèi)的水平和高程位置與設(shè)計圖紙一致。

（7）檢驗光纖及通電加熱導(dǎo)體是否完好，每鋪設(shè)固定一段光纜之后，將光纜一端連接DTS 系統(tǒng)，檢驗光纖是否受損，光纖保護(hù)層的金屬鎧或特制光纖中的電導(dǎo)體通電加熱，檢驗金屬鎧或特制光纖中的電導(dǎo)體是否通路，如發(fā)現(xiàn)異常，及時處理。

（8）標(biāo)定光纖位置，每鋪設(shè)固定一段光纜之后，連通DTS系統(tǒng)，檢驗光纖及通電加熱導(dǎo)體完好無損后，通過最簡單的澆開水法或其他外部熱源對光纜進(jìn)行局部加熱，一一標(biāo)定光纜長度上所對應(yīng)的水池底板施工縫或伸縮縫的位置。

（9）澆筑無砂混凝土，無砂混凝土空隙大、強度高，既能順暢排出滲水，又不影響基礎(chǔ)強度，更能很好地固定感溫光纜及陶瓷管或UPVC 管，根據(jù)分段布設(shè)的陶瓷管或UPVC 管及感溫光纜，分段進(jìn)行排水盲溝的無砂混凝土回填澆筑，澆筑時不能采用天泵，可以采用塔吊和吊罐進(jìn)行澆筑，無需振搗，只需壓實即可，澆筑后不能立即進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，需先覆蓋養(yǎng)護(hù)，待無砂混凝土初凝后再進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，澆筑過程及實物圖見圖2。

（10）在澆筑的無砂混凝土上鋪設(shè)止水帶，安裝鋼筋，進(jìn)行后續(xù)底板混凝土施工。

圖2 無砂混凝土及感溫光纖實物圖

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實例，首次提出了一種應(yīng)用于超大型鋼筋混凝土水池滲漏監(jiān)測分布式光纖布設(shè)工藝及施工方法。在大型水池底板分塊分縫下部布設(shè)排水盲溝，溝內(nèi)布設(shè)上部帶孔的陶瓷管或UPVC管及分布式感溫光纖，布設(shè)完成后采用無砂混凝土澆筑回填排水盲溝。布設(shè)上部帶孔的陶瓷管或UP?VC管，可以匯集滲水并排出，滲水垂直掠過布設(shè)在陶瓷管或UPVC 管上方的分布式感溫光纜，便于分布式光纖靈敏感知滲漏。該大型水池滲漏監(jiān)測分布式光纖布設(shè)工藝及施工方法，具有施工方便、光纖成活率高、分布式實時監(jiān)控、滲漏靈敏感知等特點，對于超大型鋼筋混凝土水池或大型水池群的滲漏監(jiān)測分布式光纖系統(tǒng)設(shè)計施工具有參考價值。