基于全分布式傳感的土石壩安全監測策略

王 川

(南岸干渠灌區管理處，新疆 伊犁 835100)

0 引言

堤壩監測的背景任務是監測由于異常滲漏而引起的壩內溫度和壓力的變化。水壓通常是由沿滲流路徑分布的一些鉆孔管檢測到的，是跟蹤滲流的傳統監測量[1-2]。通常可以使用溫度計在豎管內測量溫度。電阻率測量相對來說更為復雜，因為它們需要一個基于計算機的監測系統和大壩上的小型技術裝置。盡管這些現有方法都是有效的，但沒有一種方法適合于持續監測。隨著光纖傳感技術的發展，基于光纖分布式傳感的堤壩內部溫度監測系統已經開發出來[3]。在混凝土心墻堆石壩中，采用預熱光纜法進行滲流檢測。滲漏可能會導致土石壩的破壞，特別是在松散的地形中。但是，如果將溫度和應變值分開記錄，很難對嚴重滲漏或管涌引起的土石壩沉降進行預警。本文介紹一個土石壩安全管理系統，包括監測部分，對土石壩運行狀態記錄、信息進行管理，并制定維護策略。

1 基于光纖傳感器的監控系統

光纖傳感電纜是以單模光纖受激布里淵散射(SBS)機理為基礎的傳感單元。通過對探測光的布里淵增益進行頻域監測，可以檢測出異常滲漏和沉降發生部位周圍光纖的溫度和應變。光纖傳感器埋入堤壩和丁壩中。光纖傳感器的結構見圖1。終端模塊盒實際上是保護光纖連接器的容器。DiTeSt-STA202分析儀完成整個系統的測量和讀數。

圖1 光纖傳感器系統結構

2 案例研究

2.1 傳感系統布置

雅瑪渡水電站工程位于新疆伊犁河南岸干渠，工程布置由右至左依次為：右岸引水廠房1座，引水渠全長6 km，110 kV室內開關站1座，徑流式水電站廠房1座，8孔溢洪道大壩1座，垂直升船機1臺，左岸土石壩1座。

在雅瑪渡大壩的設計階段，有6個部分被標記為在壩體中安裝儀器，見圖2。每個部分都包括一套工具，如立管和電管壓力計以及安裝在離壩軸線一定距離處的壓力測量單元。大壩共分6個壩段安裝了34個壓力計，分3個壩段安裝了34個電壓力計，分3個壩段安裝了5個阻尼器。在一個斷面上還安裝了4對溫度傳感器，在大壩左右兩側還安裝了2個三角形溢流流量測量工具。

圖2 雅瑪渡大壩斷面儀表圖

為評估大壩的穩定性，跟蹤測試了兩個數量：壓力應變(PG)和溫度變化(T)。其中壓力應變主要是測量壩體中孔隙水壓力，孔隙水壓力變化是大壩健康監測中非常重要的參數。孔隙水壓力可以反應大壩穩定性。振弦式壓力計是測量孔隙水壓力的可靠、穩定的儀器。壓電計的輸出包括獨立于阻抗和接觸電阻的信號，并且能夠將該信號傳輸足夠長的距離。同時也安裝了裸光纖傳感器進行監測。光纖傳感系統基于單模光纖中受激布里淵散射(SBS)的機理。將光纖傳感器埋入土石壩內的四個不同層中，測量溫度(T)和壓力應變(PG)的影響。傳感器在滲流過程中沿不同的溫度等值線分布。表1顯示了儀器布置對應的位置。

表1 雅瑪渡大壩傳感器布置參數

2.2 監測結果分析

(1)孔隙水壓力變化

超孔隙壓力比RU定義為孔隙水壓力即測壓讀數U=γw×hw與垂直有效覆蓋應力σv=γs×hs(其中h表示高度，γ表示比密度)的比值。這是土壩穩定性評價中一個非常重要的參數。大壩性能評估如下：

如果RU<0.4：大壩條件安全且有利；如果0.40.6：大壩處于臨界狀態。由于孔隙壓力高，水傾向于從土壤中流出。這可能最終導致大壩垮塌；如果U>σv(即RU>1)：大壩發生水力破壞。

圖3繪制了雅瑪渡大壩超孔隙壓力比RU隨時間的變化，由于PG-6位于大壩軸線中心位置，隨時間變化不大，因此圖中只給出了其余五個監測值變化。從圖中可以看出PG-1距離水庫最近，受影響較大，RU介于0.4～0.6之間，說明大壩左基部分存在一定風險，應定期監測未來是否有任何突然變化。其余監測值均小于0.4，顯示了令人滿意的狀況，沒有立即上升的風險。

圖3 斷面RU的變化

(2)溫度變化

堤壩內溫度隨水的注入而變化。圖4顯示了大壩內外光纖的初始狀態。我們可以看到室外溫度在11℃左右；土石壩內部的初始溫度為10.2℃。

圖4 溫度的四個轉折曲線

圖4顯示了不同位置溫度隨著水庫蓄放水時的變化，從圖中可以看出，在下一個相對較大的水流到來之前，這兩個溫度保持了一段時間的穩定。第二天，當灌水流量增加時，由于一些新的冰塊再次混入池中的水，堤壩內的溫度下降。從圖中可以看出T-1溫度變化最為明顯。伴隨著上游來水，大壩左肩迎水坡面的溫度感應T-1首先降低，在隨后白天氣溫升高，溫度監測也隨之升高，并且由于T-1位于迎水坡面大壩，受水溫變化影響最大因此監測變化最大。當溫度變化較大并且變化較為頻繁時容易引起大壩壩體開裂，嚴重時可能發生嚴重潰壩的極端狀態，因此需要及時檢測。

3 結論

以雅瑪渡水電站土石壩為例，提出一種安全監測與維護策略。討論光纖傳感電纜的配置，并介紹數據采集、處理和管理模塊的添加，以滿足為用戶和大壩管理人員提供更高水平的大壩性能監測和高級預警系統的目標。監測系統的改進集成了新的數據采集流程和中央數據庫，提高了數據質量、預警能力和實時監測效果。可更好地了解及評估土石壩的性能，以便能夠迅速確定變化，為整個土石壩的運行和維護做出明智的決定。