尾礦庫壩體孔隙水壓力光纖光柵監測技術研究

2017-12-29 08:37:24劉澤華劉優平

科技視界 2017年26期

劉澤華　劉優平

【摘要】孔隙水壓力監測是尾礦庫壩安全監測極為重要項目，文章結合鐵山垅鎢業公司尾礦庫安全監測，介紹了光纖光柵滲壓傳感器在尾礦庫庫壩中的埋設安裝關鍵技術，通過現場監測表明光纖監測系統運行穩定，為加快光纖傳感技術在尾礦庫監測領域的應用有現實意義。

【關鍵詞】尾礦庫；光纖光柵；孔隙水壓力

中圖分類號： TD76 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0021-002

Study on monitoring technology of pore water pressure in tailing dam by fiber Bragg grating

LIU Ze-hua LIU You-ping

（Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

【Abstract】Pore water pressure monitoring is a very important project in tailing dam safety monitoring. Combining the tailing pore water pressure monitoring project， the monitoring principle of fiber Bragg grating pressure sensor and the burial process are introduced.The stability of the optical fiber monitoring system is confirmed by long time monitoring on the construction site， It has practical significance to speed up the application of optical fiber sensing technology in tailing reservoir monitoring field.

【Key words】Tailing pond； Fiber Bragg gratings； Pore water pressure

0 引言

孔隙水壓力的監測是尾礦庫壩體安全監測的必測項目之一。隨著光纖監測技術的發展，其應用領域不斷擴大。光纖監測技術最大特點在于能實時在線監測、靈敏度高以及抗外界雷電干擾強[1]，這些優勢在尾礦庫壩安全監測中越來越受到青睞。

文章結合鐵山垅鎢業公司尾礦庫安全監測，簡要介紹了光纖光柵滲壓傳感器的監測基本原理以及在尾礦庫壩體中的埋設關鍵技術，目前整個系統運行穩定，數據采集準確，為尾礦庫壩安全監測提供借鑒和指導。

1 光纖光柵孔隙水壓監測的基本原理

光纖光柵滲壓傳感器的結構示意圖如下圖1所示。

光纖光柵滲壓傳感器的底部是透水石，當監測點存在水壓力時，水可以通過傳感器的透水石進入到壓力腔，壓力腔中的水壓力與監測點水壓力最終保持平衡并通過不銹鋼膜片將壓力傳遞到光纖光柵，從而使光纖光柵產生軸向應變，該應變可以表示為：

式中，A為薄片的面積，a為傳感器的截面面積，v為充填橡膠的泊松比，LFBG為傳感器的長度，LP為橡膠的充填長度，EFBG和Epolymer分別為傳感器和橡膠充填物的壓縮模量，P為孔隙水壓力。

孔隙水壓力與光柵反射波長λB變化關系式為：

式中，kP為光纖光柵滲壓傳感器的壓力系數，該系數可以通過對傳感器的標定得到。

由（3）式可知，外界孔隙水壓的大小與光纖光柵滲壓傳感器的反射波長數據理論上成一次函數的關系。下圖為一滲壓傳感器實驗室的標定測試結果，從曲線可以看出，滲壓傳感器的波長變化與孔隙水壓變化基本成正比關系，線性相關度在99.9%以上。

2 傳感器的埋設

光纖光柵滲壓傳感器的外部結構采用高強度耐腐蝕的不銹鋼，適合尾礦庫壩的施工監測。在埋設過程中，需要在監測點位置鉆孔，鉆孔的深度要超過光纖光柵滲壓傳感器埋設深度25cm，滲壓傳感器下放之前先用透水性好的細沙填充到滲壓傳感器的安裝位置，傳感器就位以后，再用細砂回填，要保持傳感器埋設位置的透水性，這樣才能確保監測數據的可靠性，埋設好后將滲壓計光纜引出地表，最后采用膨潤土、水泥混合漿料充填整個鉆孔，圖3為現場光纖光柵滲壓傳感器埋設示意圖。

3 尾礦庫壩安全監測與分析

3.1 工程概況

鐵山垅鎢業公司某尾礦庫位于選礦廠東側約1000m處，庫區地形狹長，邊坡坡度較陡，溝長1200m。尾礦庫初期壩的筑壩材料是廢石，初期壩設計高度18m，于1989年8月開始施工，1997年10月投入使用，服務年限25年，設計有效庫容536.5萬m3，目前主壩高29米；設計干灘長度70，現為130米；設計安全超高水位0.7米，實際2.2米。

尾礦庫生產運行情況：尾砂庫從1997年10月至今連續生產運行，其堆積尾砂量170×104m3；尾砂充填方式：壩高241～259m標高，為透水的塊石堆積基礎壩；壩高259m以上標高為堆積壩，尾砂充填方式采用壩前分散均勻放礦，壩后儲水的方式，壩前形成了長130～150米的干灘面，坡度3%，庫區匯水面積4km2，按初期50年一遇、中后期200一遇洪水進行防洪設計。為保證尾礦庫壩的安全運營，必須對其進行必要的監測。

3.2 監測系統布設

為了有效地對尾礦壩的安全進行監測，設計時選擇了對壩體穩定性影響較大的孔隙水壓力作為監測項目，監測測點的布點設計原則如下[2-4]：

（1）測點優先考慮布置在原工程勘查線上，這樣測點地質情況更加詳細；

（2）在影響壩體穩定性分析的滑弧區和靠近壩基的部位布點，以便對后期數據分析及穩定性評價；

（3）在危險性較大的剖面上布點。

根據以上原則在鐵山垅鎢業公司尾礦壩體上布置了監測剖面，剖面共布設4個鉆孔，在鉆孔底部埋設光纖光柵滲壓傳感器，監測剖面布置見圖4所示。

3.3 監測數據分析

系統自2014年1月16日開始進入試運行后，整個系統運行穩定，數據采集準確、報警模塊運行可靠、發布軟件展示直觀、視頻軟件顯示清晰，浸潤線部分測試數據見表1。從監測數據可以看出，四個測點浸潤線高度均沒有超過預警值，尾礦庫運行穩定。

4 結論

（1）通過對鐵山垅鎢業公司楊坑山尾礦庫長時間動態監測，掌握了壩體孔隙水壓力變化，為壩體安全穩定分析提供了依據。

（2）從監測效果來看，監測系統數據穩定，有利于對壩體進行長時間的動態監測。

（3）尾礦壩孔隙水壓力的監測是尾礦壩安全監測的必測項目，采用光纖監測能充分發揮其優勢，應用前景廣闊。