分布式光纖在超大型混凝土水池滲漏監測中的應用

康業淵，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，在滲漏監測中具有獨特的優勢[1]，近年來國內外許多工程實例證實了溫度資料對水工建筑物滲漏監測的重要性[2]。借助先進并成熟的分布式光纖溫度傳感技術進行水工建筑物滲漏監測引起了學術界和工程界的高度關注[3]。分布式光纖溫度傳感技術以光纖為媒質、以光信號為載體，故其不受電磁干擾，精度高、靈敏度高[4]；能夠準確實時測出光纖沿線任意一點的溫度值，通過光纖傳感網絡合理優化布設，可以實現溫度分布式監測。同時，分布式光纖溫度傳感系統（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，其結構簡單，價格便宜，不僅方便施工而且可維護性強、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滲漏監測是一個新課題。一般而言，分布式光纖溫度傳感系統監測滲漏有兩種方法：梯度法和電熱法[5，6]。梯度法是利用光纖系統直接測量介質內實際溫度，不對光纜進行加熱，依靠滲漏區和非滲漏區的溫度差異來判別滲流發生的位置，溫差越大，溫度梯度就越大，越容易判別滲漏位置。因此，該方法應用的前提是水溫和量測位置介質溫度有一定差別。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監測滲漏的應用范圍，可以采用電熱脈沖法，通過對光纖保護層的金屬鎧或特制光纖中的電導體通電，對光纖進行加熱。其周圍環境溫度增加與環境的熱量和導熱系數直接相關，如有滲漏發生，較低的傳導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的明顯溫度分布異常。

在我國，該方法首次采用是在長調水電站大壩周邊縫滲流監測工程中[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行比較，采用了帶有金屬鎧的光纜。當水庫水位達到480 m高程時，采用梯度法和電熱法對光纖沿程的溫度進行測量，對滲漏進行監測。結果表明兩種方法都獲得了成功，對滲流發生位置的判斷非常準確。

綜上所述，基于分布式光纖溫度傳感技術在堤防及水庫大壩滲漏監測在國內外均有相關研究和應用實例，但是該技術在大型水池滲漏監測方面的研究幾乎為零，可借鑒的光纖布設工藝及施工經驗更是很少。本文通過工程實例詳細闡述大型水池滲漏監測的分布式光纖布設工藝及施工方法，旨在指導基于分布式光纖傳感技術的大型水池滲漏監測系統的分布式光纖布設及施工。

1 工程概況

為應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修建戰略水池，以保證水池的總儲水量可以滿足7 d 的用水需求，修建的戰略大型水池通過管道串聯在一起，并與海水淡化廠以及現有的管網連接，建成后形成一套完整的供水系統。

卡塔爾大型供水項目某標段項目主要內容包括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座主備用發電機房、3座遠程發電機房、1 座調壓系統、1 座水質檢驗中心以及5 座水質測站。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。綜合考慮當地炎熱氣候、混凝土澆筑能力、工期、成本等因素，優化設計確定水池結構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節，一旦防水失效，極易發生滲漏，通過在5 座水池底板分縫下均布設有分布式光纖，組成水池群滲漏監測系統，采用分布式光纖感溫技術實現水池滲漏實時監測。

2 分布式光纖布設工藝

大型水池或大型水池群的分布式光纖滲漏監測系統的技術特征是：根據大型水池底板分縫分塊，在分縫處下部設置排水盲溝，排水盲溝內布設感溫光纜，形成滲漏監測的分布式光纖網絡，實現對大型水池滲漏的實時、在線、分布式監控，具體布設工藝見圖1。

圖1 分布式光纖布設斷面圖

感溫光纜布設在底板分縫下的排水盲溝內，位于帶孔陶瓷管或UPVC管上部，一旦發生滲漏，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點：①空隙大，滲透性強；②具有較高的強度，對基礎承載能力影響較小；③凝固后對感溫光纜及陶瓷管或UP?VC管固定效果較好；④便于分段施工，無需鑿毛處理。

3 分布式光纖布設施工方法

大型水池滲漏監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→鋪設防水膜→安裝UPVC排水管→布設感溫光纜→檢驗光纜性能→標定光纖位置→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。即根據水池大小、地質情況、當地氣溫、施工工藝等條件綜合考慮、優化分縫分塊方案，在條件允許的情況下，盡可能“分大塊、少設縫”，因為分縫處為滲漏易發區域。根據確定的底板分縫分塊（長7.200 m，寬6.225 m），設計排水盲溝，每條分縫下部均設置排水盲溝，且排水盲溝設置一定坡度，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，布設感溫光纖，排水盲溝需設置一定的坡度，便于滲水排出。根據排水盲溝設計高程開挖排水盲溝，排水盲溝開挖深90 cm，寬70 cm，根據地質情況采用不同開挖設備，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，在水池底板基礎及排水盲溝開挖完成后，清理松散土體，進行白蟻防治，立模時排水盲溝陰角和陽角處均需設置塑料倒角條，根據地質情況及設計要求澆筑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，所有轉角處均需光滑連接，不能出現直角，否則容易造成防水膜破損。

（4）鋪設防水膜，對墊層混凝土表面進行檢查，需修補的進行缺陷修補，采用角磨機打磨光滑，清掃，經檢驗合格后方可進行防水膜鋪設，鋪設完成后需覆蓋保護，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，根據設計的水流流向圖，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防水膜的保護，如有破損及時修補。

（6）布設感溫光纜，在陶瓷管或UPVC 管上部一定距離布設感溫光纜，光纜布設順直，轉角處注意轉角半徑（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場而破損。隨著排水盲溝內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行分段固定，確保在排水盲溝內的水平和高程位置與設計圖紙一致。

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

（8）標定光纖位置，每鋪設固定一段光纜之后，連通DTS系統，檢驗光纖及通電加熱導體完好無損后，通過最簡單的澆開水法或其他外部熱源對光纜進行局部加熱，一一標定光纜長度上所對應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，又不影響基礎強度，更能很好地固定感溫光纜及陶瓷管或UPVC 管，根據分段布設的陶瓷管或UPVC 管及感溫光纜，分段進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行澆筑，無需振搗，只需壓實即可，澆筑后不能立即進行灑水養護，需先覆蓋養護，待無砂混凝土初凝后再進行灑水養護，澆筑過程及實物圖見圖2。

（10）在澆筑的無砂混凝土上鋪設止水帶，安裝鋼筋，進行后續底板混凝土施工。

圖2 無砂混凝土及感溫光纖實物圖

4 結語

本文結合工程實例，首次提出了一種應用于超大型鋼筋混凝土水池滲漏監測分布式光纖布設工藝及施工方法。在大型水池底板分塊分縫下部布設排水盲溝，溝內布設上部帶孔的陶瓷管或UPVC管及分布式感溫光纖，布設完成后采用無砂混凝土澆筑回填排水盲溝。布設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。該大型水池滲漏監測分布式光纖布設工藝及施工方法，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測分布式光纖系統設計施工具有參考價值。