CN105606315A - 一种砼面板坝渗漏监测的分布式光纤传感技术方案与系统 - Google Patents

Abstract

公开一种砼面板堆石坝的强化加热法分布式光纤渗漏监测的系统和技术方案。采用强化加热的光电复合缆，非渗漏部位光纤温升达15~30℃以上，大幅度强化渗漏生成的温度异常信号；与高精度的布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA/布里渊-瑞利合成系统TW-COTDR或拉曼型DTS光解调仪相配合，信噪比达10以上，足以避免漏水的温升信号被背境噪声/观测误差所淹没，保障渗漏诊断的高度可靠性。提供了技术方案实施方式、特别是针对接缝和面板破损区各自特点的光纤布置-敷设方式，实现对周边缝、垂直缝及面板漏水的潜在风险部位的大范围覆盖和在线遥测，可靠观测和识别渗漏的出现、分布部位并约略定量估计渗漏强度及其演化发展趋势。

Description

一种砼面板坝渗漏监测的分布式光纤传感技术方案与系统

技术领域

本发明涉及一种砼面板堆石坝周边缝-垂直缝和面板破损区渗漏监测的分布式光纤传感技术型式及系统，能够实现对砼面板坝工程渗漏的大范围实时在线遥测。

背景技术

众知，国内外面板堆石坝溃坝和重大事故的首要祸根在于集中渗漏。最高的面板坝溃坝即我国沟后面板坝，就是由渗漏所致。三板溪、株树桥等面板坝的严重漏水事故，导致放空水库进行修复。周边缝-垂直缝漏水和面板损坏区漏水事故，隐蔽性强、时空随机性高。常规的点式监测设备对其早期征兆的监测无能为力，经常成为安全监测的空白区。

故近年国内外都关注研发光纤传感监测。基于温度示踪方式，通过光纤监测由集中渗漏造成的温度分布异常，包括梯度法和加热法，以识别渗漏出现并定位。毛里求斯Midlands沥青砼面板坝高30m，在面板与地基砼防渗墙连接处，铺设长2850m光纤，电热温升值约为2.5℃^［1］。国内，2001年首次将加热法拉曼型光纤测渗传感DTS用于广东长调面板坝周边缝渗漏监测^［2］。湖北水布垭面板坝周边缝渗漏监测，采用了加热法准分布式FBG（光纤布拉格光栅）系统^［3］。

在面板坝领域里，上述长调面板坝光纤加热后，温升多为2~5℃，而有6处温升为1.6~2℃，依此判定为渗漏点。但事实上，同次测量中，邻近点的温度上下跳动4℃以上者，达20处以上。这表明：DTS光解调仪-光电复合缆构成的加热法光纤测渗系统的总体性能的缺陷，集中体现在其SNR（系统信噪比）偏低，对渗漏的识别缺乏可靠性、可信性。简言之，问题是：1)电热能量偏小，无渗漏温升仅约2~5℃的量级；2)拉曼光纤传感的光学解调仪不完全适用于高坝的小局部温度突变-精度要求高的场合。其解调仪的温度测量精度为±1℃，特别是拉曼散射光强很弱（比瑞利散射小1000倍），这限制了它的空间分辨率为米级（0.5-1m），这对于渗漏降温这种陡谷分布的观测特别不利，在分辨率范围内温度效应会平均化、增大误差。

光纤传感系统的测温精度“本质上由系统的信噪比决定”^［3］，当SNR低时，温度异常这一人们要捕捉的信号“极易被观测误差所掩盖”^［4］。关于大坝监测误差与监测参量的相对关系，最相近的相关规定是：国家电力行业标准DL/T5178—2003《砼坝安全监测技术规范》针对变形监测的规定为“要测定出大坝一般变形规律，监测值的误差应远小于变形量”。国际测量工作者联合会（FIG）变形观测组提出“监测值的误差型小于变形量的1/10~1/20。”据此，则加热法渗漏监测的温度误差应小于渗漏生成的温升异常（背境温升与渗漏区温升之差）的1/10~1/20。简言之，温升异常需比测温误差高1个数量级。

水布垭面板坝周边缝渗漏监测釆用加热法准分布式FBG（光纤布拉格光栅）系统，施工期加热温升平均5℃^［5］。但文献［6］报导的蓄水后加热溫升为5.3℃~22.3℃、平均11.3℃，由监测得出的结论竟是低温升点为“地下湿度大”。须知，该坝的监测项目是“周边缝渗漏”，而“地下湿度”并非大坝安全监测项目。综合表明，加热FBG测周边缝漏水迄今尚未得到合理可靠的成果。

主要文献：［1］M.Auflegeratel.砼面板堆石坝的分布式纤维光学温度监控.现代堆石坝－2009，中国昆明，2009，pp569-573.［2］秦一涛等.分布式光纤温度监测系统在长调水电站的应用实践，大坝与安全，2004年1期pp45-48.［3］张在宣等.分布式光纤拉曼光子温度传感器的研究进展.中国激光,2010年11期pp2749-2761.［4］魏德荣等.电力行业标准DJ/T5078-2003《混凝土坝安全监测技术规范》修订介绍.大坝与安全，2003年6期［5］季凡等.水布垭大坝安全监测设计与新仪器应用.人民长江，2007年7期.［4］祝宁华等.光纤光学前沿.科学出版社.［6］TAOJunetal.Applicationonseepagemonitoringbymulti-pointopticalfibergratingtemperaturemeasurementsystem,SecondInt.SymposiumonInformationSci.&Eng.2009IEEEDOI10.1109/ISISE.2009.112。

发明内容

综上可见在面板坝领域，现用于周边缝渗漏监测的加热法拉曼光纤传感和FBG系统的信噪比偏低，对高面板坝沿缝渗漏监测的有效性尚差强人意。

本发明提供一种基于高信噪比的加热法分布式光纤传感渗漏监测技术方案，旨在适用于面板坝周边缝-垂向缝漏水以及砼面板破损区漏水监测的分布式实时在线遥测。

技术方案

（一）技术方案所依据的科学原理

（1）光纤光学原理：据光纤光学领域的最新进展，光纤光波导的三种本征散射都对温度敏感，各自特有的光学参量成为环境温度的信息载体如下^［7~8］：

1）拉曼（Raman）散射光—拉曼散射光的反斯托克斯与斯托克斯的光强比与温度呈正相关。拉曼光纤温度传感研发早，在火灾等监测中广泛应用，但对于大坝测漏这种狭小区位温度突变而又要求高精度的特定场合，显得精准度有所欠缺。

2）布里渊（Brillouin）散射光—布里渊增益谱峰值的频移与温度及应变增量线性相关，基本关系式为：△v_b=C₁₁△ε+C₁₂△T，式中，△v_b为布里渊增益谱频移，△ε为应变增量，△T为温度增量，C₁₁为布里渊应变-频率系数，C₁₂为布里渊温度-频率系数。通过测量布里渊频移就可测定光纤应变和温度，经解耦可得光纤沿程的温度分布。新型的预脉冲（Pulse-Pre-Pump）布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA，其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm、温度精度0.35oC。

3）瑞利（Rayleigh）散射光—光纤纤芯在拉制过程中生成的残留应变所产生的瑞利后向散射光，其频移与温度和应变增量线性相关，其基本关系式为：△v_R=C₂₁△ε+C₂₂△T，式中，△v_R为瑞利散射光频移，C₂₁为瑞利应变-频率系数，C₂₂为瑞利温度-频率系数。布里渊-瑞利合成系统（HybridBrillioun-Rayleighsystem）近期业已产品化—TW-COTDR（谐调波长相干光时域反射仪），工作性能与上述PPP-BOTDA相当，且可实现温度-应变的自动解耦^［7、8］。这些为提高系统的信噪比、增强温度观测数据的可靠性提供了极有利条件。

拉曼型光纤系统用于面板坝渗漏的不足已如上述，但其光学解调仪相对经济，应用较为多见，为扬长补短，本发明提供一种提高光纤测渗的系统信噪比的技术途径—强化加热，旨在显著放大漏水的有效信号（漏水区温升）与背景温升（非漏区温升）的差异，以强化异常温升与正常温升状态的对比度，从而把该有效信号从背境噪声中识别出来。

（2）渗流-温度双场耦合原理：当光电复合缆通电加热时，光纤邻域温度场由传导散热所控制，生成非渗漏区温升，即监测系统的背景温升；当渗漏发生时，渗漏水外掠光纤，这时温度场主要由对流散热所控制，水流速愈大，电热温升愈小，由该异常温升的分布可确定渗漏的部位、范围。两种温升的差值是渗漏强度和流速的函数，经反演可概略定量识别渗漏强度和流速大小、判断渗漏的演化发展趋势。

主要文献:［7］SylvieDelepine-Lesilleetal.ValidationofCW-COTDRmethodfor25kmdistributedopticalfibersensing,Proc.ofSPIEVol.8794879438-1.［8］K.Kishidaetal.Studyofopticalfiberstrain-temperaturesensitivitiesusinghybridBrillouin-Rayleighsystem,PhotonicSensors,DOI:10.1007/s13320-013-0136-1.

（二）系统组成

如图1所示，系统组成主要包括：工控机/稳压电源—光学解调仪—光开关—传输光缆/电热电缆—光电复合缆—传输光缆（电脑外设、UPS等配件未示出）。

本技术方案中，有特色的传感噐件是光电复合缆。其构成要件为：（1）温度传感光纤—釆用高质量光纤，设3~5路，提供必要的备份和冗余度，并通过数据平均化处理，消除观测随机误差。（2）电热导线—用高规格铜或合金绞合线，设2~3股。

为有效保障系统具有高信噪比、保障识别集中渗漏的有效可靠性，电热导线设计选用的关键有二：（1）保证充分的电热功率输入，如为20~40W/m的量级，而非5~10W/m。（2）保证敷设部位当渗漏时，光纤温升达到15~30°C，而非5℃上下。

（三）系统组成的技术方案

大坝监测仪器由传感噐、量测仪两部分组成，在光纤监测系统，前者即光电复合缆，把温度量转化为光学量；后者即光解调仪。本发明提供的高信噪比的强加热光纤测渗漏系统的方案为：●优选方案A—高精密光解调仪（PPP-BOTDA/TW-COTDR）+强加热光电复合缆；本方案为测量主机与传感噐两大子系统的“强强联合”，共同保证全系统的性能优异。●优选方案B—拉曼型DTS解调仪+强加热光电复合缆；本方案为“重点突破（强化传感器的温度变幅），整体提升”，保证全系统具有高信噪比，性能优良。

方案的工程应用，应因地制宜。方案A属于高端技术，光解调仪较贵，“一机多能”的多功能化优势突出（可与水库淤积、以至大坝内部变形等等的分布式光纤传感监测项目，共用一机），适用于高坝特高坝-大型工程。方案B的光解调仪相对经济；其功能限于温度量测，可与水库淤积等光纤传感监测共用，但不能用于监测应变-变形；适用于中高坝-高坝工程。

（四）布置方式

（1）面板坝周边缝-垂直缝渗漏的光缆布置：光电复合缆布置在周边缝、垂直缝的正下方（如图2~4），当缝面漏水时直接浸淋光缆而生成温度异常。对高坝可并排布设两条，有备份更安全。（2）面板潜在损坏区域渗漏的光缆布置：宜从邻近的周边缝-垂向缝渗漏光缆中引出1路或两路，布设在该区域面板下，光路力求与潜在裂缝方向正交、并达到一定密度（如图4），实现对大坝面板关键部位裂缝和挤压-脱空漏水（如三板溪坝面板施工缝的损坏等等）的有效监控。

有益效果

（1）在光电复合缆中，大幅度增加电热功率、提供充足加热能量，无渗漏状态下的光纤温升得以达到15~30℃以上，集中渗漏生成的温度异变信号得以大幅度强化。

（2）由强加热光电复合缆与高精度布里渊型/布里渊-瑞利合成型光解调仪或者拉曼型光解调仪组成的分布式光纤测渗漏系统，其SNR比已用的拉曼型低加热光纤测渗系统，提高1个数量级；尤其可滿足“温升异常需比测温误差高1个数量级”的规定，能从根本上保障观测数据和渗漏诊断的有效可靠性。

（3）比之于准分布式电热FBG串，光电复合缆制造工艺成熟、自动化水平高、质量稳定性好，现场敷设保护和存活率有保证;电热FBG串制作的手工操作多、接头多、各只FBG的加热温升特性的离散性大，现场敷设保护工作量多。比之于FBG的准分布式监测，分布式光纤监测系统对渗漏信号的捕捉能力更强、监测连续性好、范围更大，尤其可兼顾面板的挤压损伤高风险区域的裂缝漏水（FBG无能为力）。

（4）常规的测压管、渗压计等点式监测，对砼面板堆石坝接缝失效渗漏和面板破损漏水的捕捉能力和覆盖能力低，易致漏测漏报。分布式光纤测漏可实现对渗漏的有效时空覆盖和在线实时遥测和预警，切实提升面板坝安全管理效能。

附图说明

图1为砼面板坝加热法分布式光纤渗漏监测系统的组成示意图

图2为砼面板坝光纤渗漏监测系统的布置方式示意简图

图3为面板堆石坝横剖视示意简图（图2之B-B剖视图)

图4为坝趾周边缝及其监测光纤布置（图2之A-A剖视图)

图5为坝趾周边缝渗漏监测光纤的布设形式（图4之D-D剖视图)

图6为垂直缝及缝两侧面板破损区渗漏监测光纤的布设形式（图3之C-C剖视图)

图7为垂直缝及缝两侧面板破损区渗漏监测光纤的敷设槽（图6之E-E剖面）

附图中部件、部位及数字编号：

1为传输光缆，2为光电复合缆，3为供电电缆，4为回路电缆，5为光开关，6为砼面板，7为周边缝，8为垂直缝，9为趾板，10为沥青（水泥）垫层，11为水平施工缝，12为光纤监测的周边缝，13为光纤监测的垂直缝，14为光纤监测的面板破损区，15为光纤敷设槽，16为波浪形光电复合缆，17为直线光电复合缆，18为双波浪形光电复合缆，19为填充砂砾料。

具体实施方式

（一）在面板周边缝-垂直缝下面铺设的沥青（水泥）砂浆垫层中，沿缝面下口预留光电复合缆敷设槽，大约宽15~25cm、深8~15cm，槽底敷设光缆（两光缆彼此离开约1~3cm）。光缆铺设安装定位并经OTDR检验后，用砂砾料填充敷设槽，人工夯实整平。构造细节：铺在砂浆垫层顶面的PVC垫片，可以延伸至埋设槽底面，但切勿遮盖光缆，也勿遮盖填充砂砾料;当敷设槽邻近后续进行砼浇筑作业时，切勿让混凝土料或水泥浆进入敷设槽、避免光缆和砂砾填充料被遮盖/污染。

类同，凡面板下布设测漏光纤的部位，沿光纤线路走向，用挖槽法先铺筑水泥（沥青）砂浆垫层，并留出光缆敷设槽，光缆沿该槽敷设定位。

（二）全坝光纤渗漏监测系统集成组网，用1台光解调仪观测。观测作业为分区进行，借助与光解调仪配套设置的光开关自动可控实施。对选定观测区，给电加热约10~30min光纤温升趋于稳定，即可主机自动采集数据、耗时1~5min（顺此易见，全系统的用电额度和能耗均有限）。

本发明属于4项国家自然科学基金成果。

Claims (3)

1.一种混凝土面板堆石坝渗漏监测的分布式光纤传感技术方案，其技术特征是：面板坝周边缝-垂直缝-面板损坏渗漏的监测采用强化加热法分布式光纤温度传感测渗系统，实现对面板坝渗漏高风险区域的大范围覆盖和在线遥测-预警。

2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：分布式光纤传感釆用高精度布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA/布里渊-瑞利合成系统或拉曼型光解调仪DTS，传感光纤釆用光电复合缆，内含数路传感光纤和数路电热导线，观测时输入充足的升温能量，非渗漏区温升约15~30℃左右，大幅度强化渗漏生成的温度变异信号;系统信噪比（SNR）高，可达10~20以上;观测数据和渗漏诊断预警的可靠性高。

3.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：面板堆石坝周边缝-垂直缝渗漏的监测，光电复合缆沿周边缝-垂直缝底下，布设在沥青（水泥）砂浆垫层的浅槽中，并中途延伸布置到邻近的面板损坏高风险区（包括水平施工缝）的面板底下；埋设槽用砂砾料填充整平。全坝光纤测渗集成化组网，采用1台光学解调仪一并观测，形成对周边缝、垂直缝以及面板的潜在损坏关键部位漏水的大范围覆盖和在线遥测，及时有效观测和识别渗漏的出现、分布部位并概略定量诊断识别渗漏强度及其演化发展趋势。