光纤传感技术在大坝渗漏检测中的应用

刘晓燕

(和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

光纤传感检测常用的方法有三种，第一种方法是被动方法，即使用温度探头或简单的光纤传感电缆，这种方法是基于渗透水引起的坝体内绝对温度变化。这种方法仅限于渗透水和坝料之间存在温度梯度的情况。当不满足上述条件时，采用第二种方法-热脉冲法或温差法。它被称为主动方法。在实践中，这种方法主要用于光纤混合传感电缆。通过加热光纤传感电缆，在高含水饱和度区域或甚至流动区域内的电缆段显示为热传输增加的部分，即它们加热较少。通过计算热脉冲开始前和热脉冲峰值时测量值之间的温差，可以清楚地看到渗漏区域。第三种方法是计算沿电缆的有效导热系数。该方法是热脉冲法的一个进展。在渗流情况下，该方法产生有效导热系数增加的区域。温差和有效导热系数都是测量地下渗流或饱和度变化的敏感方法。特别是如果这两种方法结合起来，它们就构成了一种高效而灵敏的工具，用于检测和监测大坝的渗漏[1-2]。

第一种技术，特别是使用温度探针，已经被开发来测量在现有堤坝中的不同深度(高达30-40m)的原位温度测试。第二种和第三种方法—沿光纤的温度监测被设计成能够快速、方便地记录大坝中任何成分和几何结构的温度分布，其中光纤技术已应用在施工或修复过程中[3]。

2 现场温度测量技术

2.1 温度探头安装

该技术可在深度超过30-40m的沉积物和路堤中进行温度测量。由多个螺纹段组成的金属管沿剖面压入地面，形成如图1所示的温度探头阵列。通常每隔1m放置的温度传感器链被插入管道中。在管内温度与地温相适应后，测量不同深度的地温。当测得的温度立即在现场计算机上绘图时，在检测到温度异常的地方，温度探头的初始间距开始减小。

图1 温度探头阵列的安装

迄今为止，温度探头已应用于所有长度约500km的堤坝和其他水工建筑物，例如船闸，显示了对可靠的和成功的渗漏区和渗漏的检测的需求，以及大坝基础中的异常流动。温度探头适用于施工或维修后的质量控制。

2.2 光纤温度传感分布式温度传感

通过向光纤发送短激光脉冲(<10 ns)来工作。用拉曼光谱分析背散射光，提供斯托克斯和反斯托克斯强度。斯托克斯与反斯托克斯强度的比值与反射点处的温度成正比(等于测量点)。测量点的位置是沿光纤的距离，根据所需的后向散射光的持续时间和光速计算得出。该方法提供沿整个光纤分布的温度分布。

分布式光纤温度传感方法能够沿长达30km的传统光纤进行高分辨率温度测量。该方法适用于大坝、堤防等水工建筑物的监测。将光纤集成到新建筑的结构中或在翻新和修理工程的范围内，通过沿着光纤电缆进行温度监测，准确定位出现的泄漏。

在维修工程范围内，光纤通常安装在密封装置的正后方，此处的温度与保留水的温度没有差异。在这种情况下，光纤通过电线增强，以便在电缆附近产生热脉冲。如果光纤和电线都在同一根电缆内组合，则该电缆称为混合电缆。混合电缆的安装在电缆加热时提供光纤温度测量(见下一段“热脉冲法”，HPM)。电感应热在渗流或流动增加的位置消散，沿纤维的温度不会增加到没有流动的地方(见图2)。因此，使用HPM进行渗漏检测与挡水温度和大坝温度之间的温度梯度无关。

图2 不同加热时间沿光纤的温度测量，显示不同的渗透区

光纤传感方法首次应用于1996年。自那时起，世界范围内超过180km的混合电缆被视为许多新的建设和修复工程的范围，作为一个连续的监视设备或偶尔检查[4]。此外，对HPM的更详细分析揭示了孔隙速度的估计。

2.3 热脉冲法(HPM)

利用热脉冲法测量了既有土石坝和地基中的局部地热导率，并估算了渗水的孔隙流速。这种方法是基于产生一个明确定义的地面热扰动，由线热源表示。线热源通常用电线实现。1991年，线路热源与温度探头相结合，即电线除了插入温度传感器链外，还插入空心管中。与光纤结合，HPM首次应用于1998年[5]。

一旦打开热源，测量装置内的温度就会迅速上升，在纯热传导的情况下，温度会在对数时间尺度上不断上升。在由渗流提供的对流情况下，温度趋向于某个渐近值-最终温度。根据其导热性，温度测量装置周围的材料将感生的热量散发出去。孔速越大，散热量越大，即最终温度越低。在关闭热源(松弛)时也观察到类似的现象。没有流体流动会产生缓慢的冷却过程，并且经过很长时间后会达到未受干扰的地面温度。现有的流体流动导致对未扰动的地面温度的快速适应。

两种温度适应过程(加热和松弛)都用于测定材料在温度测量点的热导率。土壤和建筑材料的导热系数在0.8-4.5Wm-1k-1之间。当流体流动时，热导率远远超过这些值，然后它们与流速成正比。因此，热脉冲法提供了从地温测量中定性估计孔隙速度的设备。

HPM引起的温度对土壤或建筑材料的渗透取决于加热时间、热源强度和流速。HPM的不断发展预示着对孔隙速度的更精确的估计。上述方法已应用于土石坝和混合电缆沿线的温度探测。HPM的另一种方法是低温脉冲法。在没有电力供应的现场，通过冷却而不是加热温度探头的管道，速度估计在技术上是可行的。使用液态二氧化碳冷却管道时，监测温度测量。与HPM相似，用低温脉冲法获得的数据的评估揭示了孔隙速度的定性估计。

3 应用实例

3.1 大坝背景

大坝位于某流域上最大的发电厂上游约2km处。该发电厂建于1982年至1986年间，年发电量为1968GWh，以供水、灌溉和发电为目的。大坝最大高度为83m、坝顶长度为270m、坝体积为1.7×106m3的沥青心墙堆石坝。有效库容2.25108m3。大坝的仪器包括压力计、总压传感器、引伸计等，用于测量渗透水量以及其他装置。在传统仪器的基础上，安装了基于分布式光纤温度测量的泄漏检测系统。2015年7月，通过在堤坝内进行现场温度测量，发现了一个重要的渗透带。因此，计划了修复措施。在2019年密封修复之前，通过长时间的温度测量验证了渗漏的程度和量。测量结果证实了2015年的发现，此外，对温度随时间变化的分析显示，渗漏率约为4-5L/s。这些数值通过在大坝下游坝趾处应用电子流量计得到证实。

3.2 布局

根据设计，用于泄漏检测的光缆沿着沥青芯和基础和EL之间的界面沿坝轴线方向运行。海拔1010m。共安装了大约1.5km的光纤电缆。电缆被放置在沥青芯线下游的排水和过渡区。仪器房位于坝顶上方的右岸，提供所有必要的设施，如电源和互联网连接，以自动操作系统。规定的热输入为8 W/m电缆。

3.3 测量结果

为了评估水库蓄水和大坝运行期间大坝渗流条件的变化，必须在水库蓄水前进行参考测量。参考测量在水库蓄水开始时进行。获得的温差如图3所示。

图3 参考测量-蓄水前的温差

在大坝的大部分地方，参考测量结果显示没有异常。只有在大坝的最低处，温差才表明电缆周围的材料已饱和或存在少量渗透。一般来说，温差的变化主要是由周围土壤材料的导热系数不同引起的。土壤的热导率除其他外取决于矿物成分、容重和含水量。

进行了泄漏模拟试验，以检查安装的系统是否正常运行。为此目的，在坝顶设置一个水箱，并将渗流量调节到约0.15升/秒，以证明系统的灵敏度。水在两个不同的点渗透。第一个地点的渗透开始于9:45，持续约3小时。由于假设渗透水沿着斜坡流动，所以在13:30开始在第二个点渗透。这种渗透持续了大约5h。

图4显示了大坝右侧斜坡的显著异常。1025-1050之间，由第一点的渗透引起。正如在试验过程中已经预料到的那样，渗透水从斜坡上流出，导致St.235和St.250之间出现异常，而这种异常又随着持续渗透而增加。在大坝的下部，特别是在St.120附近，观测到了更多的温度异常。测量过程中异常现象加剧。时间特征和位置均表明异常是水库蓄水导致水位升高所致。

图4 渗漏模拟-温差显示渗透引起的异常

全自动在线泄漏监测检测系统于2019年8月投入运行。为了便于监视，该应用程序基于浏览器。在线应用表明了光纤泄漏检测系统的现状。

4 结 论

现场温度测量，以温度探测或分布式光纤温度传感的形式，构成了渗透检测和渗透监测的有力工具。通过对路堤绝对地面温度的评估，与原状地面的温差进行对比分析，可以很快找到砂层中的渗漏，评估地温和河水温的相移随时间的发展，进而估计渗流量。为进一步修复提供客观依据。该方法及其改进，如热脉冲法，已成功地成为世界上100多座大坝和500km堤防的渗漏调查和渗漏监测工具。