西龙池电站水库渗流监测

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西龙池电站水库渗流监测 — 分布式光纤测温系统设计
牛栋1 张义2 冯金铭2 乔文娟
3
(1山西省水利水电工程建设监理公司, 2.清华大学水利水电工程系,
3山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司）

【摘 要】简述分布式光纤温度传感测量系统的基本原理和将其应用于西龙池电站上、下库沥
青混凝土面板渗流测量的设计，目前，上水库已开始蓄水，下水库面板正在施工。

【关键词】 渗流监测 分布式光纤 温度测量 沥青混凝土面板

1 工程概况
西龙池电站上水库由天然洼地开挖填筑而成，为沥青混凝土面板堆石坝，主坝最大坝
高50m，总库容485.1万m
3
，沥青面板施工已于2006年11月完成，并于2007年4月开

始蓄水。下水库大坝下覆软弱覆盖层，最大坝高97m。采用钢筋混凝土面板防渗，坝面和
库底采用沥青混凝土面板防渗，总库容494.2万m
3
。目前，钢筋混凝土面板已完成施工，

沥青混凝土面板施工已近尾声。

2 监测原理
2.1 光纤测温原理
分布式光纤温度传感系统（Distributed Fiber Optic Temperature Sensor System），简称
DTS，是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。它是一种分布
式的、连续的、功能型光纤温度传感器。在系统中，光纤既是传输媒体也是传感媒体，可
以对光纤所在的温度场进行实时测量，利用光时域反射技术(OTDR)可以对测量点进行精确
定位。当光纤跨越渗漏区时，较低的传导热传输可被效率更高的平流热传输所超越，渗漏
区光纤温度分布出现异常，对该不规则区域的温度偏差量进行现场测量，便可以对渗漏通
道进行定位判断，从而实现渗漏的监测。

2.2 渗流监测原理
DTS系统不能直接测量渗流参数，它是通过测量渗流发生处的温度变化来反演渗流参
数。DTS测量介质温度，一般有两种方法:梯度法和电热法。其理论依据都是热传导的能量
方程，方程如下：
2

2
wwv
cq
tttcxcxcρλυτρρρ∂∂∂

=−+

∂∂∂

式中：t一介质的温度；Cw一水的比热容；pw一水的密度；μ一渗流流速;λ一导热
系数；C一介质的比热容；P一介质的密度；qv一内热源的强度；τ一时间；x一距离。
当采用梯度法时，qv为零，同时，温度场为稳定温度场、，所以方程简化为
2

2
0
ww

c
tt

cxcxρλυρρ∂∂=−∂∂
当采用电热法时，qv即是外接电源所产生的热量。当光纤和周围的传热稳定之后，
这时光纤温度保持不变，温度场处于稳定状况，温度不再是时间的函数，于是这时候的方
程化为：
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图3 测温光缆横断面示意图

2
2
0
wwv

cq
tt

cxcxcρλυρρρ∂∂=−+∂∂
本工程中采用电热法进行渗流检测。

3 监测系统设计
3.1 测温光缆铺设
西龙池上水库及下水库各采用了3条光缆埋设于库内沥青混凝土面板的防渗层下方，
其位置如图1和图2所示。

图1 上水库测温光缆铺设示意图
图2 下水库测温光缆铺设示意图
如图1、2所示，西龙池上下水库中各采用三根
测温光缆(光缆1、光缆2、光缆3)监测水库库底、
坝体反弧段、加厚层以及库底廊道顶部等处的渗流
情况。
测温光缆的直径为15mm，为适应本工程中的
特殊要求，如耐高温、耐压等情况，测温光缆的内
部构造与普通光缆不同，其横断面结构如图3所示。
如图3所示，测温光缆的外层以及内部填充物
都采用了密度较大硬度较高的材料，再加上不锈钢
铠装层、内部的四根钢丝和导线以及光纤的不锈钢
套管就组成了耐高温并且能承受较大压力的结构。内部的两根导线通电加热内部的光纤，
即可使光纤处于比较高的温度下，而当库底的某处出现渗漏情况时，库水将使该处的光纤
降温，藉此就可判断出渗流的确切位置。
测温光缆一般布置在整平胶结层上，在一些反弧段有加厚层的区域布置在加厚层的顶
面上，如图4所示。测温光缆采用一种特别制造的形似拱桥的不锈钢夹子固定在整平胶结
层和加厚层上，夹子的侧视图和俯视图如图5所示。
如图4所示，中间隆起的半圆部分刚好能够将测温光缆压在里面。夹子的两端有长圆
形的孔，用来穿入固定螺栓，考虑到若螺栓过长，打孔时有可能会破坏整平胶结层下面的
防渗层，故采用长度仅有35mm的内爆螺栓，使得打孔深度不需过深，即可满足固定测温
光缆的要求。实际施工时，每隔5m用夹子将测温光缆固定在整平胶结层或者加厚层上，
在有拐弯的位置适当加密布置。
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图4 光缆位置示意图
图5 双面镀锌夹子结构示意图

3.2 通讯光缆铺设
通讯光缆采用6芯的普通光缆，通讯光缆都是布置在岸顶和坝顶预留的电缆沟内，施
工比较简单，它由每根测温光缆两端的渗流测量控制箱连向监测室。

3.3 加热装置
试验采用的是加热法测渗流，需要在缠绕测量光纤时同时缠绕加热导线来提供稳定的
热源。加热装置由可调节电压的直流加热电源和加热导线组成。
直流加热电源要求可以调节电压。渗流引起的温度变化不只取决于渗流流速，还与光
纤所处的环境温度有关，试验中需要找到温度变化和光纤温度本身的关系，光纤温度的调
节依靠加热电源的电压调节实现，因此要求电源的电压可调。加热导线选择普通的漆包线，
与光纤同时缠绕在一起，并一起从出线孔引出与加热电源相连。

4 软件系统
数据采集软件
数据采集软件是在DTS随机软件的基础上，根据本工程的特点进行修改、补充，从而
重新编写而成的,具有人工控制和自动控制两种数据采集方式。人工控制方式由人工通过中
央控制装置发出数据采集指令，完成规定的测量后将数据传送至中控室SQL服务器上存储;
自动控制方式按预先设定的数据采集时间间隔自动采集数据并将数据传送至中控室SQL
服务器上存储。
数据查询软件
采用WEB服务的方式进行数据发布，采用PHP+Apache服务器的方式建立WEB服务
器，数据查询软件连接到SQL服务器上，取其数据，将数据以表单和图形显示的方式直观
的显示在IE浏览器界面上，用户只需要连接到WEB服务器上即可进行全部数据的查询，
同时，该查询软件还具备一些数据分析、评估功能，可在一定程度上辅助分析数据。

5 结语
分布式光纤传感技术具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰，耐高压、长距离、能实
现实时快速分布式测温并定位等优点，具有传统渗漏监测技术无法比拟的优越性，有着广
阔的应用前景。
分布式光纤温度传感测量技术为沥青混凝土面板的渗流检测提供了一种新的方法。当
今，对该方法的研究已经逐渐成熟，随着该技术的研究发展与不断完善，必然会对大坝的
安全检测产生革命性影响。相信在不久的将来，该技术会在更大的范围内得到广泛引用。