洪 珣,劉麗敏,趙 鑫

(1.呼倫貝爾扎羅木得水利水電有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.呼倫貝爾市水利事業(yè)發(fā)展中心 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

采用分布式光纖溫度(DFOT)測量方法對多個堤壩的滲漏進行檢測和定位的方法在近15年來得到了成功應(yīng)用，并在監(jiān)測和評價方面不斷改進[1-2]。DFOT測量的關(guān)鍵特征是光纖電纜是傳感器，可以沿整個電纜長度測量溫度。對于現(xiàn)有的大壩來說，光纖電纜安裝在大壩趾部、翻新表面密封下方或現(xiàn)有立管中是最常見的應(yīng)用[3-4]。在建造新水壩期間，電纜可以安裝在監(jiān)測最有用的地方。迄今為止，典型的應(yīng)用是采用表面密封的路堤圍縫監(jiān)測。在這些應(yīng)用中，由于大壩的變形和應(yīng)力，光纜很大程度上受到了保護，免受機械荷載的影響。

然而，本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)是利用安裝在帶有心墻的大壩D/S濾波器上的光纜來檢測流出區(qū)域。由于大壩的變形和應(yīng)力，預(yù)計電纜將承受拉力和側(cè)壓力[5]。為了評估變形和應(yīng)力對 DFOT 測量結(jié)果的影響，已經(jīng)進行了實驗室測試，其中模擬了電纜上的實際負載。實驗室測試及其結(jié)果進行了討論，并介紹了泄漏檢測系統(tǒng)的設(shè)計方面以及測量技術(shù)。

1 試驗方法

1.1 試驗簡述

DFOT 測量為監(jiān)測技術(shù)結(jié)構(gòu)提供了廣泛的應(yīng)用。特別是，對密封元件和接頭進行分布式監(jiān)測的可能性對于水工結(jié)構(gòu)非常重要。根據(jù)應(yīng)用和結(jié)構(gòu)類型，電纜暴露的條件有很大差異。例如，放置在大壩中心部分(圖1(a))以監(jiān)測密封芯的光纖電纜比放置在表面密封(圖1(b))下方的電纜暴露在大壩變形和上覆壓力引起的更大荷載下。

圖1 DFOT測量在堤壩上的應(yīng)用

通常，用于電信目的的普通光纖電纜用于 DFOT 測量。然而，這些電纜的規(guī)格基于標準化的測試方法，僅提供了有關(guān)電纜在堤壩中安裝的適用性的有限信息。此外，到目前為止，還沒有類似項目的經(jīng)驗，如果電纜暴露于由覆蓋層壓力和沉降引起的負載，DFOT 測量的結(jié)果會如何受到影響。因此，為確保所提議的堤壩泄漏檢測系統(tǒng)的適用性，進行了中央核心實驗室測試。在幾個測試系列中，模擬了由于上覆壓力引起的安裝條件和預(yù)期負載。

1.2 試驗儀器

使用如圖2所示的測試設(shè)備進行了實驗室測試，以確定垂直于電纜軸的壓力對DFOT測量結(jié)果的影響。電纜安裝在長3.78 m、寬0.60 m、高0.60 m的加固鋼箱中，墊料不同。載荷由一臺承載力為1600 kN的疲勞試驗機強制控制。這保證了不同加載步驟期間的恒定加載。不同的柱塞可用于間接加載。

圖2 實驗室測試設(shè)置(單位：cm)

除了DFOT測量外，還使用了傳統(tǒng)的溫度傳感器。使用傳感器記錄試驗期間鋼箱中的溫度和空氣溫度。因此，可以檢查熱邊界條件是否保持不變。 如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，則可以考慮它們對DFOT測量數(shù)據(jù)評估的影響。

在土壤材料中安裝電纜后，需要一定的時間，直到達到固定的熱條件，這是開始試驗所必需的。在施加載荷之前，進行了大約10 min的參考測量。以125 kN 的載荷分步施加載荷，每次加載需要6 min。在完成最后加載步驟后，將樣品卸載。

1.3 執(zhí)行試驗

試驗使用標準混合電纜進行，如圖3與表1所示。在試驗中，砂礫和砂礫混合料被用作墊層材料，研究了天然材料和加工材料對顆粒形狀的影響。作為墊層材料的土的級配曲線如圖4所示。

圖3 實驗室測試的光纜

表1 標準混合電纜信息

圖4 用作墊層材料的土壤的級配曲線

1.4 試驗結(jié)果

為了確定垂直于電纜軸的壓力對DFOT測量數(shù)據(jù)的影響，計算了在卸載狀態(tài)下測得的參考溫度與在加載狀態(tài)下測得的溫度之間的溫差，并針對施加的負載繪制成圖。通過從傳統(tǒng)溫度傳感器獲得的溫度數(shù)據(jù)，考慮了測試過程中熱邊界條件的變化。圖5示例性地顯示了DFOT測量的結(jié)果，這取決于垂直于電纜軸的施加載荷。

圖5 研究側(cè)壓影響的實驗室測試結(jié)果

由于試驗中使用的墊層材料為處理過的G1砂礫混合料，因此溫度結(jié)果不受施加荷載的影響。相比之下，DFOT測量結(jié)果受到施加荷載的顯著影響，該測試使用的是均勻的G7天然礫石。

不同試驗系列的墊層材料最大粒徑在3～64 mm(S～G5)之間。試驗結(jié)果表明，層理材料的最大粒徑對試驗結(jié)果有影響。對于較大粒徑的層理材料，最大允許荷載的降低不會引起溫度異常。

室內(nèi)試驗結(jié)果表明，垂直于電纜軸線的壓力對DFOT監(jiān)測的測量結(jié)果有顯著影響。在圖6中，不影響測量結(jié)果的最大載荷與測試電纜的墊層材料的最大粒徑相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，建議將層理材料的最大粒徑限制在16 mm以內(nèi)，并使用級配良好的材料。同時，在高達85 m的大壩中安裝光纜不會造成測量的可靠性和準確性方面的問題。在一些測試中，由于施加的載荷會造成電纜護套的損壞，并且高的光學(xué)損耗會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的失真。然而，在任何測試中，施加的負載都沒有導(dǎo)致光纖斷裂。通過分析原始數(shù)據(jù)(光損耗)和溫度數(shù)據(jù)，可以檢測到由機械加載引起的溫度異常。

圖6 不影響測量結(jié)果的最大載荷

2 在瀝青混凝土心墻堆石壩的應(yīng)用

2.1 項目描述

本文以呼倫貝爾市境內(nèi)伊敏河上某瀝青混凝土心墻堆石壩為對象展開研究。該大壩最大高度為82 m，壩頂長度為270 m，大壩總堤壩體積為170萬m3。有效庫容為2250萬m3。根據(jù)大壩的監(jiān)測理念，安裝了滲漏檢測系統(tǒng)，以控制心墻的完整性。泄漏檢測系統(tǒng)是基于分布式光纖溫度測量，采用熱脈沖法。

2.2 泄漏檢測系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計，監(jiān)測系統(tǒng)只包括一條電纜，測量水平在基礎(chǔ)水平，如圖7所示。電纜放置在瀝青芯下游的排水和過渡區(qū)2A。根據(jù)規(guī)格，2A材料的最大粒徑尺寸在25～60 mm之間。為了避免在2A材料壓實過程中損傷電纜，在電纜周圍使用粒徑最大為2～5 mm的均勻砂作為緩沖材料。所有必要的設(shè)施，如測量棚、基準段和電源將位于壩頂上方的右岸。

圖7 電纜配置(截面)(單位：m)

用于泄漏檢測系統(tǒng)的電纜是標準的室外光纖混合電纜。電纜的主要應(yīng)用領(lǐng)域是水工建筑物的泄漏檢測。電纜的布局與實驗室測試使用的電纜類似(圖3)，但被認為更加穩(wěn)健。它有一個中心支撐元件，四個銅導(dǎo)體的總截面為6 mm2。外徑為17.0 mm。目前，用于測量的DTS系統(tǒng)是一個移動單元，只能在測量期間現(xiàn)場使用。

2.3 參考測量和模擬試驗

為了評價水庫蓄水及水庫運行過程中壩體滲流狀況的變化，必須在蓄水前進行參考測量。參考測量是在水庫蓄水時進行的(2010年7月14日)。得到的溫差如圖8所示。

圖8 參考測量結(jié)果(單位：m)

在大壩的大部分地區(qū)，參考測量的結(jié)果沒有顯示出異常。只有在大壩的最低部分，溫差表明電纜周圍的材料是飽和的或輕微的滲漏存在。總的來說，溫差的變化主要是由周圍土壤的導(dǎo)熱系數(shù)不同引起的。土壤的熱導(dǎo)率主要取決于礦物組成、容重和含水量。

進行泄漏模擬試驗，以檢查安裝的系統(tǒng)是否正常運行。為此目的，在壩頂安置了一個水箱。將滲漏量調(diào)整到大約0.15 l·s-1，以證明該系統(tǒng)的靈敏度。水在兩個不同的點被滲透。第一個部位的滲透于09:45開始，持續(xù)約3 h。由于假設(shè)入滲水流沿坡面流動，故在13:30第二個點開始入滲。這種滲透持續(xù)了大約5 h。

圖9顯示右側(cè)斜坡在高程1025～1050 m之間的顯著異常，這是由第一點的入滲造成的。正如在試驗中預(yù)期的那樣，滲入的水從斜坡上流下，造成235和250之間的異常，并隨滲透的持續(xù)而增加。第二點的入滲異常如圖10所示。在大壩的下部觀察到進一步的溫度異常，特別是在0+120左右。這種異常在測量過程中加劇。從時間特征和位置上看，是由水庫蓄水水位上升引起的。

圖9 13:00時泄漏模擬試驗結(jié)果

圖10 18:00時泄漏模擬試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

由于參考測量是在蓄水初期進行的，因此對評價水庫蓄水過程中滲流條件變化具有一定指導(dǎo)意義。滲漏模擬試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行正常，并能檢測壩體滲流特性的微小變化。

通過研究，建議將層理材料的最大粒徑限制在16 mm以內(nèi)，并使用級配良好的材料。正如本文研究結(jié)果表明，在高達85 m的大壩中安裝光纜應(yīng)該不會造成測量的可靠性和準確性方面的問題。