摘要:运用光纤测距技术，将光纤埋设在大坝混凝土面板内部，定期测量光纤长度，当面板发生破损时，光纤在破损处产生新的断点，通过测量断点距离的变化，则可以及时发现破损现象，并计算出破损位置。
关键词:光纤;混凝土面板;破损检测
天生桥一级大坝混凝土面板L3/L4接缝在2003－2015年间频繁出现局部挤压破损情况，大坝混凝土面板L8/L9接缝在2005－2015年同样间断发生局部挤压破损，由于坝体沉降变形及温度膨胀等因素的影响，导致面板出现反复破损现象。目前大坝面板破损检查的手段基本是采用水下机器人检查结合人工面板水上检查方式进行。特殊情况下采取潜水员水下检查。但以上几种检查方式的频率一般为每年1～2次，检查间隔周期较长。在两次检查周期之间如果面板发生破损则不易被及时发现和处理，这种情况给大坝安全运行造成了一定的安全隐患。同时使用水下机器人检查面板时，一般情况下检查至水下10m左右后，面板表面开始出现较厚的浮渣覆盖在面板上，水下机器人摄像头不能看到面板运行情况。所以即使有裂缝或者破损发生，由于面板被浮渣覆盖，机器人也不易发现问题，导致检查效果受到制约，不能全面了解面板的运行状况。采用潜水员进行检查的方式，潜水员可以通过手触摸被浮渣覆盖的面板表面，发现面板破损情况，但通过潜水员水下检查效率比较低，而且费用比较高，同时这种检查方式风险比较高，特别是水深超过30m时，水下作业的风险更大，检查深度受到制约且安全问题比较突出。为了克服以上技术困难，我们开始探索采用怎样一种方法可以在面板浮渣较厚的情况下能发现水下面板裂缝或破损，同时希望能够及时发现水下面板裂缝和破损情况，以便及时维护，为避免安全隐患创造有利条件。经过分析研究和现场试验，我们提供一种比较理想的技术可以克服以上困难，采用光纤测量面板破损技术可以实现面板破损检测目的［1］。运用光纤测距技术，将光纤埋设在大坝混凝土面板内部，定期测量光纤长度变化情况，当面板发生破损时，光纤在破损处产生新的断点，利用光时域仪测量断点距离变化则可以及时发现破损现象并计算出破损位置［2］。同时光纤测量技术在面板破损检测中的运用能有效避免深水潜水检查的安全隐患，增加面板测量频率，光纤经济成本较低，安装工艺简单，可有效解决水下面板破损监测问题。
1光纤测量面板破损技术
光纤测量大坝混凝土面板破损的原理是将光纤埋设在大坝面板内部，当面板混凝土发生破损时，光纤因破损发生位移拉断光纤，光纤产生新的断点，采用光时域测距仪测量从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离，其计算公式为(1)式(1)中:c为光在真空中的速度;t为信号发射后到接收到信号(双程)的总时间(两值相乘除以2后就是单程的距离)。因为光在玻璃中要比在真空中的速度慢，所以为了精确地测量距离，被测的光纤必须要指明折射率(IOＲ)。IOＲ由光纤生产商来标明。光纤测量面板破损主要通过测量光纤长度的变化，及时发现破损情况，并可以通过换算，计算出面板破损的位置，这种方法的优点如下。1)克服面板水下部分浮渣较厚，面板发生破损不易被发现的难题。2)光纤可埋设至水下较深深度，对深水区域进行破损测量，克服潜水员深水面板检查的高风险问题。3)测量方便简易，可以通过增加测量频次，缩短面板检查周期，及时掌握面板破损情况，避免安全隐患。4)光纤布设灵活，测量范围广。光纤测量技术在混凝土面板的运用，进步之处在于由常规的布点测量扩展至布线测量，通过优化布设方法，可以使测量范围由线到面，实现面板全面监测。5)光纤埋设槽尺寸较小，一般为宽0．4cm，深5cm，面板平均深度为60cm，钢筋保护层在15～20cm以下，所以不会对面板结构和稳定性造成影响，安全可靠。6)经济合理，光纤成本较低，安装埋设工艺简单，相对于潜水检查光纤测量装置不但可以避免风险，且运行成本较低。
2安装埋设方法
以天生桥一级电站混凝土面板堆石坝为例，安装埋设方法如下。1)天生桥一级死水位为731m高程，在上游库水位到达较低高程时由潜水员下潜作业，用高压水泵冲洗L3/L4面板接缝左右各1m，将面板表面浮渣清理干净。2)潜水员下潜至710m高程，710m高程为历年检查发现面板挤压破损的最低位置，在L3/L4面板接缝左右各50cm处开设光纤槽，光纤槽尺寸为宽0．4cm，深5cm，光纤槽长度为710m高程至780m高程，如图1所示。潜水员将光纤埋设在光纤槽内，用环氧砂浆回填。在栈桥设置集线箱，光纤另一端从710m高程引出经面板表面接至集线箱内以便测量。这种埋设方法的原理在于:如果光纤任意一点发生破损断点，光纤可由另一端继续测量从而可以实现此条检测线路的多次测量，提高光纤测量使用率，如图2、图3所示。3)光纤的选型应根据工程实际，重点关注所选光纤的拉应力应等于或小于所埋设的大坝混凝土面板拉应力，这样才能保证在混凝土面板发生破损的时候光纤同步被拉断。4)工程施工分水上和水下两部分。①水上部分。首先对面板混凝土进行凿除和表面修整，然后水上部分回填C25混凝土，用钢丝刷对面板凹坑进行清理，水上部分可用钢丝刷或者电动刷将凹坑部分混凝土表面清理干净，底部用水泥∶903乳胶=1∶0．5(重量比)的903聚合物水泥浆对待处理的凹坑混凝土基面进行打底(主要目的是回填混凝土与面板混凝土的粘结能力)。回填C25混凝土，具体混凝土级配为W325水泥∶W细沙∶W石子∶W水=1∶1．73∶4．05∶0．55，混凝土终凝后进行洒水养护，养护时间为一周;接缝混凝土表面达到干燥后，涂刷SＲ底胶。②水下部分。对面板混凝土进行凿除和表面修整，用钢丝刷对面板凹坑进行清理，用钢丝刷将凹坑部分混凝土表面清理干净，采用水下不分散聚合物混凝土(PBM)进行回填，用环氧涂料进行封边。配料:根据现场的气温情况，调整PBM聚合物混凝土的流动度，使其在水下能达到自密实、自流平的效果。基本材料配比如表1。安装时应注意在底部整平1～2cm，避免光纤折断。5)光时域仪的品牌有中国41所、中电34所、天津德力、日本安立、日本横河、美国信维、加拿大EXFO，美国JDSU等可根据工程情况对比选择。
3光纤选型
测量光纤采用直径为2．8、2．0、0．9mm的光纤试验，2．8、2．0mm为GJFJV单芯光缆，使用单根900μm阻燃紧套光纤作为光传输介质，外敷一层芳纶作为受力加强单元，最外挤制一层聚氯乙烯(PVC)护套而成，如图4所示。0．9mm为GJFJV单芯光缆使用单根900μm阻燃紧套光纤作为光传输介质，裸纤外层只有一层聚氯乙烯(PVC)护套。通过如下方法进行光纤测量选型试验。1)制作混凝土试块模型1，长50cm、宽30cm、高50cm，混凝土强度等级为C25，分别在4个角距离混凝土试块距离边缘5cm处埋设4条规格为2．8、2．0、0．9、0．9mm的光纤;混凝土试块内预设角钢和套管螺栓，待混凝土试块经过28d养护后，用扳手拧动螺栓，使混凝土试块产生拉应力，直至混凝土试块被拉裂为止，试验结果为2．8mm光纤未被拉断，2．0mm光纤在开合度超过6cm左右时才被拉断，0．9mm光纤在开合度超过0．5cm时被拉断。2)制作混凝土试块模型2，长40cm、宽15cm、高15cm，混凝土强度等级为C25，在距离混凝土试块距离边缘5cm处开设光纤槽，光纤槽尺寸为宽0．4cm，深5cm，埋设2条规格为2．0mm、0．9mm的光纤，用环氧砂浆回填，混凝土试块内预设角钢和套管螺栓，待混凝土试块经过28d养护后，用扳手拧动螺栓，使混凝土试块产生拉应力，直至混凝土试块被拉裂为止，试验结果为2．0mm光纤未被拉断，0．9mm光纤在开合度超过0．5cm时被拉断;试验采用的光时域仪为AQ1200OTDＲ光时域反射仪，量程为0．5～200km，精度1m［3］。所以试验时增加了一条1．5km的测试裸纤，采用FC接头。
4结语
光纤自1870年英国物理学家丁达尔发明以来，在通讯、医学、艺术、传感器等诸多方面得到了广泛的运用，光纤测量技术在混凝土面板的运用主要是利用了光纤最基本的原理，通过光时域测距仪测量从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离，通过光纤长度的变化，及时发现面板破损情况，并可以通过换算，计算出面板破损的位置。面板光纤选型主要注意抗拉性能要小于等于面板混凝土的抗拉性能，通过试验得出埋设光纤应选用0．9mmGJFJV单芯单模光纤。本光纤测量方法已申请专利，专利号为CN201120527126．6，这种方式的优点在于可以克服水下检查的诸多困难，缩短检查周期和检查费用，及时发现面板破损情况，同时通过合理的布设，可以将面板观测线条化，甚至网格化以达到更全面掌握混凝土面板运行的目的，为大坝混凝土面板检测提供一种操作简便、费用较低的观测方法。
参考文献:
［1］郭利超，马朝霞，周云锋，等．通信光缆监测管理一体化平台设计与实现［J］．计算机测量与控制，2012，20(8):2213－2216
［2］秦双华．OTDＲ测试原理与常见测试曲线简析［J］．有线电视技术，2012(3):110－113
［3］肖思宁．农业期刊利用电子地图减小光缆故障点定位相对误差［J］．硅谷，2011(20):152－152
作者：罗井伦 许鑫 张晓光 单位：天生桥一级水电开发有限公司水力发电厂
