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1、 湖南水利水电) 2 0 1 2 年第 2 期 石 大 坝 常 规 与 光 纤 渗 褴P I P 案 汉 计 黎 峰 蒋春燕 瞿卫华 王芳香 ( 长沙理工大学水利工程学院 长沙市4 1 0 1 1 4 ) ( 湖南省水利水 电科学研 究所 长沙市4 1 0 0 0 7 ) 【 摘要】 文章简略介绍分布式光纤测温技术和安全监测 目的与原则， 融合常规与光纤渗流测量 优 势， 互补对方劣势 ， 对石 牛水库 大坝进行渗流监测设 计。 设计监测 3个横 断面， 共钻孔 1 1个， 埋设 2 7个渗压计测点 。 1 4组分布式光纤测点。可供 同类工程借鉴。 【 关键 词 】 石牛 水库 大坝 渗流监测
2、 分布 式光纤测温 大坝 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 1 0 3 7 0 m， 设计洪水位 1 0 4 9 2 i n ， 校核洪水位 1 0 5 3 3 m， 下游无 水 ； 大坝为均质土坝 ， 坝顶高程 1 0 6 1 0 n l ， 最大坝高 2 0 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
3、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【 “ 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i 见 0 量
4、优缺点 ， 扬长避短 。 ( O T D R) 定位光纤沿线所测信息4 1 。 ( 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 为 ： T = h c o v k 1 n v t - l n ( 1 J l 。 ) 】 ) ( 1 ) 式 中 卜绝 对 温度 值 ： 一一 普郎克系数 ： c 光 速 ； 拉曼 频 移量 ： 鲍 尔 次曼 常 数 ； 温度相关系数 ： f _反 斯 托 克斯 光光 强
5、； Z 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 出散射点距人射端 的距离 为： 2 分布式光纤测温技术 式中 ， 光 纤 ： 分布式光纤 4 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 其它参数同式 ( 1 ) 。 ( 3 )空间分辨率。 黎峰蒋春燕瞿卫华王芳香 ， ， 石牛水库大坝常规与光纤渗流监测方案设计 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
6、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 J 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
7、 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 x 0 + o 4 5、 x o + o 7 5 、 X O + l O 5 ( 设坝
8、顶轴 线与左岸交 界处一 X O + 0 0 0 ， 坝顶 轴线 一 Y O + O 0 0 ) 。如 图 1 、 图 2所示 。 X 0 + 0 4 5剖 面共 设 3孔 8个 测点 ： 分 别 在 坝顶 下 游 侧 ( 高程 1 0 5 1 0 m， Y O + O 0 5 ) 设 1 孔 ( S l 1 ) 3个 测 点 ( S 、 S 一 S 。 一 ) ， 下游一级平 台上游侧 ( 高程 9 5 7 8 m， Y 0 + 0 2 9 ) 设 1孑 L ( S 1 _ 2 ) 3个 测 点 ( S l - 2 _ l 、 S l _ 2 _ 2 、 S 1 - 2 - 3 ) ， 排水
9、棱体上游侧( 高程 9 1 O 0 ， Y 0 + 0 4 7 ) 设 l 孑 L ( $ 1 - 3 ) 2 个 测点 ( S 圳 、 S 4 之 ) 。X 0 + 0 7 5剖面 共设 4孔 l 1 个测 点 ； 分别在大 坝上游坡 面( 高程 1 0 5 3 3 m， Y O 一 0 0 5 ) 设 1 孔 ( $ 2 - o ) 3个测点 ( S 、 S 、 S 瑚 ) ， 坝顶下游侧 ( 高程 1 0 5 1 0 r n ， Y O + O 0 5 ) 设 1孔 ( S 2 1 ) 3个测 点 ( S 2 _ 1 、S 一 S ： 一 ) ， 下游一级平 台上游侧 ( 高程 9 5
10、7 8 m， 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 Y 0 + 0 2 9 ) 设 1 孑 L ( S ) 3个i 贝 4 点 ( S 之 一 。 、 $ 2 - 2 - 2 S 之 ) ， j 水棱体上 游侧 ( 高程 9 1 O 0， Y 0 + 0 4 7 ) 设 1孑 L ( S 2 _ ) 2 个测 点 ( S 。 、 S ： 啦 ) 。X O + 1 0 5剖 面共设 3孔 8 个 测 点 ： 分别在坝顶下游侧( 高程 1 0 5 1 0 r n ， Y O + O 0 5 ) 设 l 孔 ( S ) 3个 测 点 ( S ， 牛 、 8 3
11、 - 1 - 2 -, S ， ) ， 下 游 一级 平 台上 游 侧 ( 高 程 9 5 7 8 m， Y 0 + 0 2 9 ) 设 1孔 ( $ 3 - 2 ) 3个 测 点 ( S _ 2 _ l 、 $ 3 - 2 - 2 ,3 之 - 3 ) ，排水棱体上游侧( 高程 9 1 O O ， Y 0 + 0 4 7 ) 设 1 孔 ( S 3 _ 3 ) 2个 测点 ( S 3 圳 、 S 3 - 3 _ 2 ) 。 常规渗流监测共设 1 0孔 ， 2 7个渗压测点 ，钻孔 1 2 3 m、 测压管 2 7 0 m、 渗压计 2 7个、 回填粗砂与膨胀泥 球 2 0 m 、 孔口保护
12、1 0 套等。共 2 7个数据点， 使用便携 式数据采集仪采集频率数据 ， 总投资为 l 2 3 7万元。 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 X 0 + 0 4 5 、 X0 + 0 7 5 、 X O + 1 0 5 。如 图 3 图 3光纤渗流 监测平面布置 图 在 X 0 + 0 4 5 、 X 0 + 0 7 5 、 X O + 1 0 5剖 面 各 设 3孑 L 光 纤测点 ；分别 为坝顶 下游侧( 高程 1 0 5 1 0 m， Y O + 45 黎峰蒋春燕瞿卫华壬芳香 ，
13、 ， 石牛水库大坝常规与光纤渗流监测方案设计 图 4光纤渗流监测剖面 图 图 5光 纤 布 置 回 路 图 0 0 5 ) 设 1孔 ( G ) 1组 测 点 ， 下 游 一 级 平 台 上 游 侧 ( 高程 9 5 7 8 m， Y 0 + 0 2 9 ) 设 1 孔 ( G 2 _ 。 ) 1 组测点 ， 排水 棱体上游侧 ( 高程 9 1 0 0 ， Y 0 + 0 4 7 ) 设 1孑 L ( G 3 一 。 ) 1组 测点 。另 X0 + 0 7 5剖面上游侧( 高程 1 0 5 1 0 m， Y 0 0 0 7 ) 设 l 孔( G 1 0 ) 1 组测点。 光纤渗流监测共设 1
14、0孔 ， l 0组光纤渗流测 点 ， 钻孔 1 2 3 m、 测量光缆长度 6 1 5 m、 总光缆长度 1 6 0 0 m、 回填坝体材料等。 共 1 2 3 0个数据点 ， 使用分布式 测温系统采集温度数据 ， 总投资为 5 2 3 2万元。 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 5 8 1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 ( 上接第 3 7页) 帷幕灌浆处理。 ( 3 )对坝肩稳定 的影响。 青龙 电站为拱坝 ， 库水 作用 下 大 坝对 坝 肩岩 体 产生 一个 顺 河 的
15、推 力及 垂 直 河流的压应力 ，前者可能造成坝肩岩体顺卸荷裂隙 面产生滑动 ， 后者则可能使张开 的裂隙面受压闭合 ， 这两种应变对拱坝的稳定都是致命 的， 应重点复核。 工程设计时 ， 对浅部 的卸荷裂隙应予以清除 ， 对可能 有影响的中 、 深部卸荷裂隙 ， 则可采用 固结灌浆 ， 预 应力锚索 、 预应力锚梁等进行处理3 】 。 7 结语 本文从卸荷裂隙产生的机理出发 ，在引用格里 菲斯 ( G r i f fi t h ) 关于裂隙扩张时的临界应力判别条件 道流测压管也难发现的现象。 还要做好孔 V I 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
16、； 平均 1 个数据测点造价仅为 4 2 5元 ： 施工时 可以等孑 L 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 2 2 0 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。 参 考文 献 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， 2 0 0 5 ， 1 2
