分布式光纤在超大型混凝土水池渗漏监测中的应用

康业渊，张 娜，查彦宇，王永辉

（1.中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100025；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

温度作为一种天然示踪剂，在渗漏监测中具有独特的优势[1]，近年来国内外许多工程实例证实了温度资料对水工建筑物渗漏监测的重要性[2]。借助先进并成熟的分布式光纤温度传感技术进行水工建筑物渗漏监测引起了学术界和工程界的高度关注[3]。分布式光纤温度传感技术以光纤为媒质、以光信号为载体，故其不受电磁干扰，精度高、灵敏度高[4]；能够准确实时测出光纤沿线任意一点的温度值，通过光纤传感网络合理优化布设，可以实现温度分布式监测。同时，分布式光纤温度传感系统（DTS）测温所用光纤为普通通信光缆，既作为传感器又作为传输介质，其结构简单，价格便宜，不仅方便施工而且可维护性强、可靠性高，施工时成活率大大高于其它裸光纤。

分布式光纤温度传感系统渗漏监测是一个新课题。一般而言，分布式光纤温度传感系统监测渗漏有两种方法：梯度法和电热法[5，6]。梯度法是利用光纤系统直接测量介质内实际温度，不对光缆进行加热，依靠渗漏区和非渗漏区的温度差异来判别渗流发生的位置，温差越大，温度梯度就越大，越容易判别渗漏位置。因此，该方法应用的前提是水温和量测位置介质温度有一定差别。为克服前面所述各种不利因素的影响，提高分布式光纤温度传感系统监测渗漏的应用范围，可以采用电热脉冲法，通过对光纤保护层的金属铠或特制光纤中的电导体通电，对光纤进行加热。其周围环境温度增加与环境的热量和导热系数直接相关，如有渗漏发生，较低的传导传输可被效率更高的平流热传输所超越，因此加热过程中可以看到渗漏区的明显温度分布异常。

在我国，该方法首次采用是在长调水电站大坝周边缝渗流监测工程中[7]。该坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高73.7 m，坝长275.2 m，面板厚0.3～0.52 m，上游坝坡1∶1.4，正常蓄水位为505.0 m，死水位为486.0 m。2001 年10 月，在垫层下部沿周边缝埋设了一条800 余米的传感光缆，实施对周边缝渗漏的检测。为便于对两种检测方法进行比较，采用了带有金属铠的光缆。当水库水位达到480 m高程时，采用梯度法和电热法对光纤沿程的温度进行测量，对渗漏进行监测。结果表明两种方法都获得了成功，对渗流发生位置的判断非常准确。

综上所述，基于分布式光纤温度传感技术在堤防及水库大坝渗漏监测在国内外均有相关研究和应用实例，但是该技术在大型水池渗漏监测方面的研究几乎为零，可借鉴的光纤布设工艺及施工经验更是很少。本文通过工程实例详细阐述大型水池渗漏监测的分布式光纤布设工艺及施工方法，旨在指导基于分布式光纤传感技术的大型水池渗漏监测系统的分布式光纤布设及施工。

1 工程概况

为应对卡塔尔日益增长的用水需求，卡塔尔水电总公司计划在在全国范围内修建战略水池，以保证水池的总储水量可以满足7 d 的用水需求，修建的战略大型水池通过管道串联在一起，并与海水淡化厂以及现有的管网连接，建成后形成一套完整的供水系统。

卡塔尔大型供水项目某标段项目主要内容包括5座500 000 m3的蓄水池、2个回水池、1座加压泵站、1座加氯间、1座主备用发电机房、3座远程发电机房、1 座调压系统、1 座水质检验中心以及5 座水质测站。本项目单个水池净空尺寸为305 m×150 m×11.2 m，为目前全球最大单体钢筋混凝土水池。综合考虑当地炎热气候、混凝土浇筑能力、工期、成本等因素，优化设计确定水池结构底板分缝分块尺寸为长7.200 m，宽6.225 m。底板分缝处是薄弱环节，一旦防水失效，极易发生渗漏，通过在5 座水池底板分缝下均布设有分布式光纤，组成水池群渗漏监测系统，采用分布式光纤感温技术实现水池渗漏实时监测。

2 分布式光纤布设工艺

大型水池或大型水池群的分布式光纤渗漏监测系统的技术特征是：根据大型水池底板分缝分块，在分缝处下部设置排水盲沟，排水盲沟内布设感温光缆，形成渗漏监测的分布式光纤网络，实现对大型水池渗漏的实时、在线、分布式监控，具体布设工艺见图1。

图1 分布式光纤布设断面图

感温光缆布设在底板分缝下的排水盲沟内，位于带孔陶瓷管或UPVC管上部，一旦发生渗漏，渗水将通过无砂混凝土垂直掠过感温光纤，汇集于上部带孔陶瓷管或UPVC管并排出。上部带孔陶瓷管或UPVC 管与排水盲沟底部、底板、顶板坡度一致，汇集渗水及时排出，安装陶瓷管或UPVC管时，下部放置特制混凝土垫块。上部带孔陶瓷管或UPVC 管、感温光缆分段铺设完成后，采用无砂混凝土分段浇筑排水盲沟，采用无砂混凝土具有以下优点：①空隙大，渗透性强；②具有较高的强度，对基础承载能力影响较小；③凝固后对感温光缆及陶瓷管或UP⁃VC管固定效果较好；④便于分段施工，无需凿毛处理。

3 分布式光纤布设施工方法

大型水池渗漏监测的分布式光纤的施工流程是：底板分缝分块→排水盲沟开挖→浇筑混凝土垫层→铺设防水膜→安装UPVC排水管→布设感温光缆→检验光缆性能→标定光纤位置→浇筑无砂混凝土→开始底板施工。施工方法包括如下具体步骤：

（1）水池底板分缝分块。即根据水池大小、地质情况、当地气温、施工工艺等条件综合考虑、优化分缝分块方案，在条件允许的情况下，尽可能“分大块、少设缝”，因为分缝处为渗漏易发区域。根据确定的底板分缝分块（长7.200 m，宽6.225 m），设计排水盲沟，每条分缝下部均设置排水盲沟，且排水盲沟设置一定坡度，该坡度最好与底板及顶板坡度相同，一般为2‰左右。

（2）开挖排水盲沟，根据底板分缝分块方案，在所有分缝（包括施工缝、伸缩缝）下部开挖排水盲沟，用于排出少量渗水，布设感温光纤，排水盲沟需设置一定的坡度，便于渗水排出。根据排水盲沟设计高程开挖排水盲沟，排水盲沟开挖深90 cm，宽70 cm，根据地质情况采用不同开挖设备，可以采用破碎锤和反铲式挖掘机组合开挖，采用链条式挖沟机的效率更高、超挖较少。

（3）浇筑垫层混凝土，在水池底板基础及排水盲沟开挖完成后，清理松散土体，进行白蚁防治，立模时排水盲沟阴角和阳角处均需设置塑料倒角条，根据地质情况及设计要求浇筑7 cm 左右厚的垫层素混凝土，人工收面，确保垫层混凝土表面光滑，所有转角处均需光滑连接，不能出现直角，否则容易造成防水膜破损。

（4）铺设防水膜，对垫层混凝土表面进行检查，需修补的进行缺陷修补，采用角磨机打磨光滑，清扫，经检验合格后方可进行防水膜铺设，铺设完成后需覆盖保护，避免在太阳光下暴晒。

（5）在排水盲沟底部安装上部带孔（下部无孔）的陶瓷管或UPVC 管，直径10 cm，渗水可以通过上部孔洞进入陶瓷管或UPVC 管，陶瓷管或UPVC 管与排水盲沟底部坡度一致（2‰），经陶瓷管或UPVC管排出，陶瓷管或UPVC 管下部放置带凹槽的混凝土垫块，每隔2～3 m 放置一个垫块，保证陶瓷管或UPVC 管与排水盲沟坡度一致，根据设计的水流流向图，在排水盲沟纵横交叉处安装三通或四通接头，安装时注意对排水盲沟内防水膜的保护，如有破损及时修补。

（6）布设感温光缆，在陶瓷管或UPVC 管上部一定距离布设感温光缆，光缆布设顺直，转角处注意转角半径（不小于25倍的光缆外径），避免光缆弯折受损，感温光缆分段布置并固定，避免摊铺过长，长时间暴露在施工现场而破损。随着排水盲沟内无砂混凝土的分段浇筑，光缆可以采用与排水盲沟等宽的方木和扎丝进行分段固定，确保在排水盲沟内的水平和高程位置与设计图纸一致。

（7）检验光纤及通电加热导体是否完好，每铺设固定一段光缆之后，将光缆一端连接DTS 系统，检验光纤是否受损，光纤保护层的金属铠或特制光纤中的电导体通电加热，检验金属铠或特制光纤中的电导体是否通路，如发现异常，及时处理。

（8）标定光纤位置，每铺设固定一段光缆之后，连通DTS系统，检验光纤及通电加热导体完好无损后，通过最简单的浇开水法或其他外部热源对光缆进行局部加热，一一标定光缆长度上所对应的水池底板施工缝或伸缩缝的位置。

（9）浇筑无砂混凝土，无砂混凝土空隙大、强度高，既能顺畅排出渗水，又不影响基础强度，更能很好地固定感温光缆及陶瓷管或UPVC 管，根据分段布设的陶瓷管或UPVC 管及感温光缆，分段进行排水盲沟的无砂混凝土回填浇筑，浇筑时不能采用天泵，可以采用塔吊和吊罐进行浇筑，无需振捣，只需压实即可，浇筑后不能立即进行洒水养护，需先覆盖养护，待无砂混凝土初凝后再进行洒水养护，浇筑过程及实物图见图2。

（10）在浇筑的无砂混凝土上铺设止水带，安装钢筋，进行后续底板混凝土施工。

图2 无砂混凝土及感温光纤实物图

4 结语

本文结合工程实例，首次提出了一种应用于超大型钢筋混凝土水池渗漏监测分布式光纤布设工艺及施工方法。在大型水池底板分块分缝下部布设排水盲沟，沟内布设上部带孔的陶瓷管或UPVC管及分布式感温光纤，布设完成后采用无砂混凝土浇筑回填排水盲沟。布设上部带孔的陶瓷管或UP⁃VC管，可以汇集渗水并排出，渗水垂直掠过布设在陶瓷管或UPVC 管上方的分布式感温光缆，便于分布式光纤灵敏感知渗漏。该大型水池渗漏监测分布式光纤布设工艺及施工方法，具有施工方便、光纤成活率高、分布式实时监控、渗漏灵敏感知等特点，对于超大型钢筋混凝土水池或大型水池群的渗漏监测分布式光纤系统设计施工具有参考价值。