心墻堆石壩光纖滲漏監(jiān)測技術(shù)研究

譚志偉，胡靈芝

（中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

0 引言

心墻堆石壩安全監(jiān)測的核心目標(biāo)在于監(jiān)測滲漏破壞和滑坡，預(yù)防滲漏破壞的發(fā)生。集中滲流和管涌事故的發(fā)生和發(fā)展，具有隱蔽性、局部性和時(shí)空隨機(jī)性。對(duì)于這種時(shí)空隨機(jī)性很強(qiáng)的 “細(xì)部病灶”的探測難度很大。常規(guī)的滲流監(jiān)測設(shè)備難以可靠地捕捉滲漏和管涌的早期征兆信息，無法達(dá)到不漏測漏報(bào)的要求。

近年來，快速發(fā)展的光纖技術(shù)為心墻堆石壩滲漏監(jiān)測提供了全新解決方案。通過研究開發(fā)光纖滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高心墻堆石壩的滲漏監(jiān)測水平，防患于未然。

1 心墻滲漏的主要誘因和風(fēng)險(xiǎn)因素

（1）水力劈裂。由于心墻堆石壩的壩殼料變形模量相對(duì)心墻高，心墻通常存在一定程度的拱效應(yīng)，導(dǎo)致心墻上游面應(yīng)力水平較高，可能誘發(fā)水力劈裂的 “楔劈效應(yīng)”。

（2）土體裂縫。根據(jù)工程統(tǒng)計(jì)[1]，在大型水庫大壩出現(xiàn)的質(zhì)量問題中屬于土石壩裂縫方面的約占39%，幾率相當(dāng)高。按裂縫的成因劃分，除了水力劈裂裂縫以外，還有多種因素可能導(dǎo)致裂縫。如，陡坡、界面剪應(yīng)力區(qū) （剪切屈服帶）和高應(yīng)變梯度區(qū)最容易滋生裂縫。

（3）心墻和反濾層局部質(zhì)量缺陷。土體發(fā)生滲透破壞的判別式是j≥jcr（j為水力坡降，jcr為土體抗?jié)B強(qiáng)度）。二者都是高變異性的隨機(jī)量，滲透破壞與否是多重隨機(jī)事件的組合。心墻內(nèi)一旦出現(xiàn)局部質(zhì)量缺陷就可能形成沖蝕。心墻-反濾聯(lián)合防滲能力也會(huì)因局部質(zhì)量缺陷而遭受局部破壞，成為 “病灶”部位。

（4）滲透變形受多種因素影響。試驗(yàn)表明，滲透穩(wěn)定性隨圍壓增大而減小，且水頭快速增加，臨界坡降也會(huì)減小。這說明除防滲土與反濾料的粒徑比及粒徑級(jí)配等因素外，沖蝕破壞還受到土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、水力條件的影響?？傊瑳_蝕破壞受到眾多因素的影響，尚蘊(yùn)含一些未知性和不確定性。

2 心墻堆石壩滲漏監(jiān)測的基本原理

水體從壩體中流過，當(dāng)兩種介質(zhì)存在溫度差時(shí)，必然產(chǎn)生熱量交換。由于土石體具有較低的熱傳導(dǎo)特性，且溫度場分布較均勻；微量滲流存在時(shí)，流動(dòng)速度緩慢而穩(wěn)定，土水間有充足的時(shí)間和充分的接觸空間改變溫度場。

當(dāng)土石體內(nèi)存在大量水流動(dòng)時(shí)，土石體熱傳導(dǎo)強(qiáng)度將隨之發(fā)生改變，土石體傳導(dǎo)熱的傳遞將明顯被流體運(yùn)動(dòng)所引起的對(duì)流熱的傳遞所超越，由此引起溫度場變化。在研究該處正常地溫及參考水溫后，就可確定監(jiān)測點(diǎn)處溫度異常是否由滲流水活動(dòng)引起，這一變化可作為滲流探測的指標(biāo)特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土體內(nèi)集中滲漏點(diǎn)的定位和監(jiān)測[2]。

3 光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于心墻堆石壩溫度場的監(jiān)測，常規(guī)監(jiān)測手段存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋面窄、精度不高等局限性，而目前迅速發(fā)展的光纖傳感技術(shù)提供了解決方案。

3.1 光纖傳感技術(shù)的基本原理

光纖傳感技術(shù)較傳統(tǒng)儀器具有靈敏度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、易于集成以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)中光纖光柵系統(tǒng) （FBG）應(yīng)用較為廣泛。該系統(tǒng)利用光纖的纖芯材料的光敏性，采用紫外光寫入技術(shù)在纖芯中生成空間相位光柵。在溫度變化情況下纖芯長度會(huì)改變，從而導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化，其反射波長會(huì)偏移；由此建立波長變化與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用方式

為監(jiān)測溫度場，將多支光纖光柵傳感器串聯(lián)在一根光纜上。每支傳感器的中心波長互不相同，由二次儀表 （主機(jī)）光柵解調(diào)儀進(jìn)行檢測，該機(jī)發(fā)射寬帶光，入射于FBG網(wǎng)絡(luò)或陣列，接收各個(gè)FBG的反射光，測出各個(gè)波長偏移量，即可確定FBG埋設(shè)范圍內(nèi)的溫度場。

光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠觀測到滲漏的基本前提是，滲漏產(chǎn)生的異常溫度場與正常滲流的溫度場存在明顯差異。根據(jù)庫水與傳感器埋設(shè)介質(zhì)之間的溫差大小，滲流監(jiān)測主要采用以下兩種辦法：

（1）梯度法。當(dāng)庫水與傳感器埋設(shè)點(diǎn)的土體介質(zhì)之間存在一定溫差時(shí)，集中滲流的對(duì)流散熱 （或加熱）作用，就會(huì)使?jié)B流集中通道附近的溫度場與正常滲流區(qū)之間產(chǎn)生溫差或溫度梯度，從而指示滲漏的出現(xiàn)。

（2）加熱法。當(dāng)滲漏水溫與埋設(shè)點(diǎn)地溫之間溫度梯度小時(shí)，可加鋪一條加熱電纜 （或其他電熱裝置）與傳感光纜或光纖傳感器并行。施測時(shí)通電預(yù)熱，傳感器升溫偏低者指示滲流異常。

圖1為糯扎渡水電站心墻堆石壩壩體—壩基三維溫度場空間云圖。計(jì)算成果表明，心墻上、下游面部位的常年溫度分別為21℃和23.5℃。這說明，心墻上、下游面的溫差較小，相差僅約2.5℃，相應(yīng)的溫度梯度也較小。因此，需要采用加熱法放大監(jiān)測信號(hào)。

圖1 糯扎渡水電站壩體—壩基三維溫度場空間云圖

4 滲流—溫度耦合分析

通過對(duì)所構(gòu)建光纖滲漏監(jiān)測模型在不同流速工況下滲流—溫度雙場耦合的仿真計(jì)算，得到的溫升時(shí)程曲線見圖2。從圖2可知，在通電加熱初期，溫度上升很快，隨后溫升大體按指數(shù)型曲線的規(guī)律趨緩而最終趨于穩(wěn)定。

圖2 溫升時(shí)程曲線

穩(wěn)定溫升與流速的關(guān)系曲線見圖3。圖3顯示，滲水靜止時(shí)，穩(wěn)定溫升約達(dá)18℃；滲流流速0.05 mm/s時(shí)溫升16℃；流速0.1 mm/s溫升13℃；流速 0.2 mm/s時(shí)溫升10.5℃；流速1～3 mm/s時(shí)，溫升4～6℃。由此可見，溫升與流速關(guān)系十分明顯。在一定條件下，滲流速度成為溫升的惟一控制因素。因此，這從理論上確立了滲流流速與光電傳感單元溫升之間的一一對(duì)應(yīng)規(guī)律，從而依據(jù)觀測到的溫度異常區(qū)，把相應(yīng)的異常滲漏凸顯出來。故上述理論分析及動(dòng)態(tài)仿真成果再次證實(shí)了用光纖傳感監(jiān)測滲漏的可行性。

圖3 穩(wěn)定溫升與流速的關(guān)系

5 心墻滲流識(shí)別方法

大壩土質(zhì)防滲體的抗?jié)B安全取決于心墻防滲料與反濾層的聯(lián)合抗沖蝕作用和能力。心墻的任何一處防滲料的滲透破壞，無不存在一個(gè)發(fā)生、發(fā)展過程，滲流沖蝕一旦開始，就存在兩種發(fā)展過程和趨勢(shì)：當(dāng)反濾機(jī)制失效時(shí)，沖蝕越來越快，呈惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致重大事故甚至潰壩；而當(dāng)沖刷的土?；蛲翀F(tuán)一旦被反濾料所截留，則滲流通道被逐漸淤塞而自行愈合。

通過構(gòu)建光纖滲漏監(jiān)測模型，對(duì)心墻堆石壩滲流狀態(tài)進(jìn)行了模型試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)定了以下3種工況：①工況I——正常滲流；②工況II——局部滲透沖蝕逐步自愈；③工況III——局部滲透沖蝕逐步擴(kuò)展。各工況滲流速度V值及其演化情況見表1。

表1 各工況不同歷時(shí)滲流速度V

大壩滲流狀態(tài)與溫度場對(duì)應(yīng)演化規(guī)律的數(shù)值仿真結(jié)果見圖4。試驗(yàn)成果如下：

（1）工況I，時(shí)間零點(diǎn)通電加熱后，約0.5 h到達(dá)峰值12℃，約2 h降至11.4℃并維持不變，這代表了滲流流速小且穩(wěn)定的情況。這時(shí)通電后各測點(diǎn)溫度升至11.4℃，空間分布均勻，時(shí)間上保持穩(wěn)定。據(jù)此，當(dāng)工程中觀測到類似的溫度信息時(shí)，可判斷心墻滲流維持常態(tài)，大壩運(yùn)行正常。

圖4 大壩滲流狀態(tài)與溫度場對(duì)應(yīng)演化規(guī)律的數(shù)值仿真結(jié)果

（2）工況II，流速由小而大、再變小，導(dǎo)致相應(yīng)的溫度變化呈碗狀。其流速增大至恢復(fù)常態(tài)歷時(shí)16 h，溫度異常歷時(shí)約22 h。碗底處的溫度最低點(diǎn)（7.8℃）比流速最高點(diǎn)滯后約0.5 h，由此可以判斷大壩經(jīng)歷了沖蝕后逐步自愈。

（3） 工況III，流速逐步增加造成的溫度后果是溫度值持續(xù)下降，至24 h時(shí)已降至6℃，比常態(tài)滲流場的相應(yīng)溫度低了5.4℃，由此表明大壩經(jīng)歷沖蝕后而逐步擴(kuò)展的過程。

試驗(yàn)成果表明，本系統(tǒng)所構(gòu)建的滲漏監(jiān)測模型能夠有效識(shí)別正常滲流、局部滲透沖蝕逐步自愈、局部滲透沖蝕逐步擴(kuò)展等心墻滲流的不同狀態(tài)，能全過程監(jiān)控大壩的滲流演變情況，可有效地捕捉滲流異常的早期信號(hào)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足。

6 結(jié)語

本文分析了心墻滲漏的主要誘因和風(fēng)險(xiǎn)因素，根據(jù)高心墻堆石壩滲漏監(jiān)測及光纖傳感技術(shù)的基本原理提出了光纖傳感技術(shù)應(yīng)用方式。通過動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算及模型試驗(yàn)，建立了光纖傳感陣列溫升與滲流流速之間的確定而明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，文中還給出了土石壩的3種基本的滲流狀態(tài)—常態(tài)滲流、沖蝕自愈、沖蝕擴(kuò)展的流速變化與溫度變異之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律。

光纖滲漏監(jiān)測技術(shù)理論依據(jù)充分，技術(shù)上可驗(yàn)證，在心墻堆石壩滲漏監(jiān)測中具有創(chuàng)新性，可以提高大壩監(jiān)測技術(shù)水平，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 牛運(yùn)光.土石壩裂縫原因分析與防治處理措施綜述［J］.大壩與安全， 2006（5）:61-66.

［2］ 李端有，陳鵬霄，王志旺.溫度示蹤法滲流監(jiān)測技術(shù)在長江堤防滲流監(jiān)測中的應(yīng)用初探［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2000，17（增）:48-51.