石牛水庫大壩常規(guī)與光纖滲流監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

黎 峰

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 長沙市 410114）

蔣春燕 瞿衛(wèi)華 王芳香

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長沙市 410007）

1 工程概況

石牛水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚等綜合效益的小（Ⅰ）型水利工程，由大壩、溢洪道、輸水涵等永久建筑物組成；水庫正常蓄水位103.70 m，設(shè)計(jì)洪水位104.92 m，校核洪水位105.33 m，下游無水；大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程106.10 m，最大壩高20 m，壩頂寬 5.4 m，上游壩坡坡比 1∶3.0，下游壩坡設(shè)一級(jí)平臺(tái)，坡比為 1∶2.5、1∶3.2。 水庫自投入運(yùn)行以來，大壩無任何安全監(jiān)測設(shè)施。

早期滲流熱監(jiān)測是將點(diǎn)式高靈敏度的熱敏溫度計(jì)埋設(shè)在土石介質(zhì)擋水建筑物內(nèi)部不同位置進(jìn)行溫度測量進(jìn)而監(jiān)測滲流場[1]，近年來分布式光纖傳感器有了迅速發(fā)展，具有抗干擾性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高、結(jié)構(gòu)簡單、自動(dòng)化監(jiān)測等特點(diǎn)尤為突出[2、3]，已廣泛應(yīng)用在水利工程的溫度監(jiān)測、滲漏監(jiān)測中，可以大大提高發(fā)現(xiàn)水工建筑物及其基礎(chǔ)滲漏通道的概率。

本文按照規(guī)范要求，進(jìn)行常規(guī)滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)，并融合光纖滲流熱監(jiān)測優(yōu)勢進(jìn)行光纖滲流方案設(shè)計(jì)，并分析常規(guī)與光纖滲流測量優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短。

2 分布式光纖測溫技術(shù)

分布式光纖測溫是利用光在光纖傳輸產(chǎn)生拉曼散射的反斯托克斯計(jì)算溫度數(shù)據(jù)與光時(shí)域反射（OTDR）定位光纖沿線所測信息[4]。

（1）溫度測量。

利用激光器向光纖中注入的脈沖光，在傳輸過程中，產(chǎn)生的反斯托克斯光的光強(qiáng)隨溫度變化而發(fā)生改變，而斯托克斯不發(fā)生改變。利用反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)比值可以求得該點(diǎn)的溫度T為：

式中T——絕對溫度值；

h——普郎克系數(shù)；

c0——光速；

v——拉曼頻移量；

k——鮑爾次曼常數(shù)；

α——溫度相關(guān)系數(shù)；

las——反斯托克斯光光強(qiáng)；

ls——斯托克斯光光強(qiáng)。

（2）空間定位。

光在光纖內(nèi)每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生散射且是各向同性的，其中一部分沿光纖返回。測得入射光與反射光之間的時(shí)間差t，就可計(jì)算出散射點(diǎn)距入射端的距離L為：

式中n——光纖的折射率；

其它參數(shù)同式（1）。

（3）空間分辨率。

空間分辨率是指系統(tǒng)能夠保證溫度測量精度的最小空間長度，其大小決定于系統(tǒng)光脈沖寬度、光電探測器響應(yīng)速度、信號(hào)調(diào)理帶寬等諸多因素。例如空間分辨率為1.0 m，即光纖測溫值是1.0 m長光纖上的溫度平均值。

3 安全監(jiān)測設(shè)計(jì)目的和原則[5]

3.1 監(jiān)測設(shè)計(jì)目的

安全監(jiān)測的目的是監(jiān)控大壩的安全、掌握運(yùn)行規(guī)律；根據(jù)施工期監(jiān)測資料，控制施工并及時(shí)檢驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)；根據(jù)長期監(jiān)測資料，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。

3.2 監(jiān)測設(shè)計(jì)原則

（1）較全面地反映大壩與基礎(chǔ)的工作狀況，目的明確、重點(diǎn)突出。

（2）監(jiān)測設(shè)施應(yīng)先進(jìn)、可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)、使用，各監(jiān)測設(shè)施應(yīng)能相互校核驗(yàn)證。

（3）監(jiān)測布置應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)有針對性地布置，監(jiān)測斷面和部位選擇具有代表性；內(nèi)部監(jiān)測設(shè)施至少應(yīng)沿壩軸線的一個(gè)縱斷面和最大壩高處的一個(gè)橫斷面布置，必要時(shí)可增設(shè)橫斷面。

（4）應(yīng)排除或避免影響監(jiān)測精度的影響，監(jiān)測儀器和導(dǎo)線應(yīng)有必要的保護(hù)裝置，保證惡氣候條件下仍能進(jìn)行必要項(xiàng)目的觀測，保證施工期和運(yùn)行期的正常觀測。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 常規(guī)滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)

根據(jù)石牛水庫壩體與壩基地質(zhì)條件、除險(xiǎn)加固情況，大壩滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)3個(gè)橫剖面，即剖面X0+045、X0+075、X0+105（設(shè)壩頂軸線與左岸交界處-X0+000，壩頂軸線-Y0+000）。 如圖 1、圖 2所示。

X0+045剖面共設(shè)3孔8個(gè)測點(diǎn)；分別在壩頂下游側(cè)（高程 105.10 m，Y0+005）設(shè) 1 孔（S1-1）3 個(gè)測點(diǎn)（S1-1-1、S1-1-2、S1-1-3），下游一級(jí)平臺(tái)上游側(cè)（高程 95.78 m，Y0+029）設(shè) 1 孔（S1-2）3 個(gè)測點(diǎn)（S1-2-1、S1-2-2、S1-2-3），排水棱體上游側(cè)（高程 91.00，Y0+047）設(shè) 1 孔（S1-3）2個(gè)測點(diǎn)（S1-3-1、S1-3-2）。 X0+075 剖面共設(shè) 4 孔 11 個(gè)測點(diǎn)；分別在大壩上游坡面（高程105.33 m，Y0-005）設(shè) 1 孔（S2-0）3 個(gè)測點(diǎn)（S2-0-1、S2-0-2、S2-0-3），壩頂下游側(cè)（高程 105.10 m，Y0+005）設(shè) 1 孔（S2-1）3 個(gè)測點(diǎn)（S2-1-1、S2-1-2、S2-1-3），下游一級(jí)平臺(tái)上游側(cè)（高程 95.78 m，Y0+029）設(shè) 1 孔（S2-2）3 個(gè)測點(diǎn)（S2-2-1、S2-2-2、S2-2-3），排水棱體上游側(cè)（高程 91.00，Y0+047）設(shè) 1 孔（S2-3）2個(gè)測點(diǎn) （S2-3-1、S2-3-2）。 X0+105剖面共設(shè)3孔8個(gè)測點(diǎn)；分別在壩頂下游側(cè)（高程105.10 m，Y0+005）設(shè)1孔（S3-1）3 個(gè)測點(diǎn)（S3-1-1、S3-1-2、S3-1-3），下游一級(jí)平臺(tái)上游側(cè)（高程 95.78 m，Y0+029）設(shè) 1 孔（S3-2）3 個(gè)測點(diǎn)（S3-2-1、S3-2-2、S3-2-3）， 排水棱體上游側(cè) （高程 91.00，Y0+047）設(shè) 1 孔（S3-3）2 個(gè)測點(diǎn)（S3-3-1、S3-3-2）。

圖1 常規(guī)與光纖滲流監(jiān)測平面布置圖

圖2 常規(guī)滲流監(jiān)測剖面圖

常規(guī)滲流監(jiān)測共設(shè)10孔，27個(gè)滲壓測點(diǎn)，鉆孔123 m、測壓管270 m、滲壓計(jì)27個(gè)、回填粗砂與膨脹泥球20 m3、孔口保護(hù)10套等。共27個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用便攜式數(shù)據(jù)采集儀采集頻率數(shù)據(jù)，總投資為12.37萬元。

4.2 光纖滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)

為了更好地校核光纖滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用與常規(guī)滲流監(jiān)測相同的剖面，即光纖滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)3個(gè)橫剖面，為剖面 X0+045、X0+075、X0+105。 如圖 3～圖5所示。

圖3 光纖滲流監(jiān)測平面布置圖

在 X0+045、X0+075、X0+105 剖面各設(shè) 3 孔光纖測點(diǎn)；分別為壩頂下游側(cè) （高程105.10 m，Y0+005）設(shè) 1 孔（G1-1）1 組測點(diǎn)，下游一級(jí)平臺(tái)上游側(cè)（高程 95.78 m，Y0+029）設(shè) 1 孔（G2-1）1 組測點(diǎn)，排水棱體上游側(cè)（高程 91.00，Y0+047）設(shè) 1 孔（G3-1）1 組測點(diǎn)。另X0+075剖面上游側(cè) （高程105.10 m，Y0-007）設(shè) 1 孔（G1-0）1 組測點(diǎn)。

圖4 光纖滲流監(jiān)測剖面圖

圖5 光纖布置回路圖

光纖滲流監(jiān)測共設(shè)10孔，10組光纖滲流測點(diǎn)，鉆孔123 m、測量光纜長度615 m、總光纜長度1 600 m、回填壩體材料等。共1 230個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用分布式測溫系統(tǒng)采集溫度數(shù)據(jù)，總投資為52.32萬元。

5 監(jiān)測方案優(yōu)劣對比

常規(guī)滲流監(jiān)測是傳統(tǒng)點(diǎn)式設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)量少；平均1個(gè)數(shù)據(jù)測點(diǎn)造價(jià)4 581元；施工時(shí)采用的回填材料需購買與制備；測壓管測壓反應(yīng)滯后，且存在滲透通道流測壓管也難發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。還要做好孔口保護(hù)；數(shù)據(jù)采集方便。

光纖滲流監(jiān)測采用分布式光纖布置，可測量數(shù)據(jù)量多；平均1個(gè)數(shù)據(jù)測點(diǎn)造價(jià)僅為425元；施工時(shí)可以等孔徑鉆到指定位置，但孔徑較常規(guī)大些；可直接回填原壩體材料，不需購買，但鉆孔時(shí)需保護(hù)；光纖測量可靈敏反映滲流變化。測溫系統(tǒng)儀器需使用220 V，數(shù)據(jù)采集不方便。

6 結(jié) 語

滲流監(jiān)測一直是土石壩安全監(jiān)測的重點(diǎn)。從常規(guī)與光纖兩個(gè)角度結(jié)合設(shè)計(jì)石牛水庫大壩滲流監(jiān)測，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，發(fā)揮常規(guī)與光纖測量優(yōu)勢，互補(bǔ)對方缺陷，更好地監(jiān)測石牛水庫大壩安全。可供同類工程提供借鑒。

1李端有,熊健,於三大,等.土石壩滲流熱監(jiān)測技術(shù)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2005,12:29-33.

2陳光富,蔡德所,李瑋嵐,等.光纖傳感技術(shù)在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用探討[J].水電能源科學(xué),2011,7:64-67.

3肖衡林,鮑華,何俊.分布式光纖溫度傳感技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2009,10:104-107.

4蔡德所.光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

5 SL 60-94.土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].