石牛水库大坝常规与光纤渗流监测方案设计

黎 峰

（长沙理工大学水利工程学院 长沙市 410114）

蒋春燕 瞿卫华 王芳香

（湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007）

1 工程概况

石牛水库是一座以灌溉为主，结合防洪、养鱼等综合效益的小（Ⅰ）型水利工程，由大坝、溢洪道、输水涵等永久建筑物组成；水库正常蓄水位103.70 m，设计洪水位104.92 m，校核洪水位105.33 m，下游无水；大坝为均质土坝，坝顶高程106.10 m，最大坝高20 m，坝顶宽 5.4 m，上游坝坡坡比 1∶3.0，下游坝坡设一级平台，坡比为 1∶2.5、1∶3.2。 水库自投入运行以来，大坝无任何安全监测设施。

早期渗流热监测是将点式高灵敏度的热敏温度计埋设在土石介质挡水建筑物内部不同位置进行温度测量进而监测渗流场[1]，近年来分布式光纤传感器有了迅速发展，具有抗干扰性强、数据精度高、结构简单、自动化监测等特点尤为突出[2、3]，已广泛应用在水利工程的温度监测、渗漏监测中，可以大大提高发现水工建筑物及其基础渗漏通道的概率。

本文按照规范要求，进行常规渗流监测设计，并融合光纤渗流热监测优势进行光纤渗流方案设计，并分析常规与光纤渗流测量优缺点，扬长避短。

2 分布式光纤测温技术

分布式光纤测温是利用光在光纤传输产生拉曼散射的反斯托克斯计算温度数据与光时域反射（OTDR）定位光纤沿线所测信息[4]。

（1）温度测量。

利用激光器向光纤中注入的脉冲光，在传输过程中，产生的反斯托克斯光的光强随温度变化而发生改变，而斯托克斯不发生改变。利用反斯托克斯与斯托克斯光强比值可以求得该点的温度T为：

式中T——绝对温度值；

h——普郎克系数；

c0——光速；

v——拉曼频移量；

k——鲍尔次曼常数；

α——温度相关系数；

las——反斯托克斯光光强；

ls——斯托克斯光光强。

（2）空间定位。

光在光纤内每一点都会产生散射且是各向同性的，其中一部分沿光纤返回。测得入射光与反射光之间的时间差t，就可计算出散射点距入射端的距离L为：

式中n——光纤的折射率；

其它参数同式（1）。

（3）空间分辨率。

空间分辨率是指系统能够保证温度测量精度的最小空间长度，其大小决定于系统光脉冲宽度、光电探测器响应速度、信号调理带宽等诸多因素。例如空间分辨率为1.0 m，即光纤测温值是1.0 m长光纤上的温度平均值。

3 安全监测设计目的和原则[5]

3.1 监测设计目的

安全监测的目的是监控大坝的安全、掌握运行规律；根据施工期监测资料，控制施工并及时检验和修改设计；根据长期监测资料，检验设计的正确性。

3.2 监测设计原则

（1）较全面地反映大坝与基础的工作状况，目的明确、重点突出。

（2）监测设施应先进、可靠、耐久、经济、使用，各监测设施应能相互校核验证。

（3）监测布置应结合工程特点有针对性地布置，监测断面和部位选择具有代表性；内部监测设施至少应沿坝轴线的一个纵断面和最大坝高处的一个横断面布置，必要时可增设横断面。

（4）应排除或避免影响监测精度的影响，监测仪器和导线应有必要的保护装置，保证恶气候条件下仍能进行必要项目的观测，保证施工期和运行期的正常观测。

4 方案设计

4.1 常规渗流监测设计

根据石牛水库坝体与坝基地质条件、除险加固情况，大坝渗流监测设计3个横剖面，即剖面X0+045、X0+075、X0+105（设坝顶轴线与左岸交界处-X0+000，坝顶轴线-Y0+000）。 如图 1、图 2所示。

X0+045剖面共设3孔8个测点；分别在坝顶下游侧（高程 105.10 m，Y0+005）设 1 孔（S1-1）3 个测点（S1-1-1、S1-1-2、S1-1-3），下游一级平台上游侧（高程 95.78 m，Y0+029）设 1 孔（S1-2）3 个测点（S1-2-1、S1-2-2、S1-2-3），排水棱体上游侧（高程 91.00，Y0+047）设 1 孔（S1-3）2个测点（S1-3-1、S1-3-2）。 X0+075 剖面共设 4 孔 11 个测点；分别在大坝上游坡面（高程105.33 m，Y0-005）设 1 孔（S2-0）3 个测点（S2-0-1、S2-0-2、S2-0-3），坝顶下游侧（高程 105.10 m，Y0+005）设 1 孔（S2-1）3 个测点（S2-1-1、S2-1-2、S2-1-3），下游一级平台上游侧（高程 95.78 m，Y0+029）设 1 孔（S2-2）3 个测点（S2-2-1、S2-2-2、S2-2-3），排水棱体上游侧（高程 91.00，Y0+047）设 1 孔（S2-3）2个测点 （S2-3-1、S2-3-2）。 X0+105剖面共设3孔8个测点；分别在坝顶下游侧（高程105.10 m，Y0+005）设1孔（S3-1）3 个测点（S3-1-1、S3-1-2、S3-1-3），下游一级平台上游侧（高程 95.78 m，Y0+029）设 1 孔（S3-2）3 个测点（S3-2-1、S3-2-2、S3-2-3）， 排水棱体上游侧 （高程 91.00，Y0+047）设 1 孔（S3-3）2 个测点（S3-3-1、S3-3-2）。

图1 常规与光纤渗流监测平面布置图

图2 常规渗流监测剖面图

常规渗流监测共设10孔，27个渗压测点，钻孔123 m、测压管270 m、渗压计27个、回填粗砂与膨胀泥球20 m3、孔口保护10套等。共27个数据点，使用便携式数据采集仪采集频率数据，总投资为12.37万元。

4.2 光纤渗流监测设计

为了更好地校核光纤渗流监测数据，采用与常规渗流监测相同的剖面，即光纤渗流监测设计3个横剖面，为剖面 X0+045、X0+075、X0+105。 如图 3～图5所示。

图3 光纤渗流监测平面布置图

在 X0+045、X0+075、X0+105 剖面各设 3 孔光纤测点；分别为坝顶下游侧 （高程105.10 m，Y0+005）设 1 孔（G1-1）1 组测点，下游一级平台上游侧（高程 95.78 m，Y0+029）设 1 孔（G2-1）1 组测点，排水棱体上游侧（高程 91.00，Y0+047）设 1 孔（G3-1）1 组测点。另X0+075剖面上游侧 （高程105.10 m，Y0-007）设 1 孔（G1-0）1 组测点。

图4 光纤渗流监测剖面图

图5 光纤布置回路图

光纤渗流监测共设10孔，10组光纤渗流测点，钻孔123 m、测量光缆长度615 m、总光缆长度1 600 m、回填坝体材料等。共1 230个数据点，使用分布式测温系统采集温度数据，总投资为52.32万元。

5 监测方案优劣对比

常规渗流监测是传统点式设计，数据量少；平均1个数据测点造价4 581元；施工时采用的回填材料需购买与制备；测压管测压反应滞后，且存在渗透通道流测压管也难发现的现象。还要做好孔口保护；数据采集方便。

光纤渗流监测采用分布式光纤布置，可测量数据量多；平均1个数据测点造价仅为425元；施工时可以等孔径钻到指定位置，但孔径较常规大些；可直接回填原坝体材料，不需购买，但钻孔时需保护；光纤测量可灵敏反映渗流变化。测温系统仪器需使用220 V，数据采集不方便。

6 结 语

渗流监测一直是土石坝安全监测的重点。从常规与光纤两个角度结合设计石牛水库大坝渗流监测，符合设计规范要求，发挥常规与光纤测量优势，互补对方缺陷，更好地监测石牛水库大坝安全。可供同类工程提供借鉴。

1李端有,熊健,於三大,等.土石坝渗流热监测技术研究[J].长江科学院院报,2005,12:29-33.

2陈光富,蔡德所,李玮岚,等.光纤传感技术在大坝安全监测中的应用探讨[J].水电能源科学,2011,7:64-67.

3肖衡林,鲍华,何俊.分布式光纤温度传感技术在水电工程中的应用研究[J].长江科学院院报,2009,10:104-107.

4蔡德所.光纤传感技术在大坝工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

5 SL 60-94.土石坝安全监测技术规范[S].