白山水電站拱壩安全光纖監測系統應用研究

閆 磊，夏秀龍，劉金紅

（松花江水力發電有限公司吉林白山發電廠，吉林 樺甸 132400）

0 引言

大壩安全監測是了解大壩運行安全的重要手段，也是進行大壩安全評價的重要依據。傳統的大壩安全監測儀器一般使用電類傳感器，此類傳感器對工作環境條件要求高、抗干擾能力差、安裝復雜。 另外，傳統的監測很少能做到實時監控，監測結果一般都是分散的點數據，所以往往會漏測很多重要的數據信息。 鑒于此，人們不斷尋求新技術來解決這些問題。

1978 年， 加拿大通信研究中心的K.O.Hill 及其合作者首次從接錯光纖中觀察到了光子誘導光柵［1］。隨著光纖技術的發展，光纖傳感器逐漸得到發展和應用。與傳統傳感器相比，光纖傳感器具有測量精度高、靈敏度高、安裝方便、使用壽命長等優點。筆者試以白山水電站為例，探討光纖傳感器在水電站安全監測中的運用，以期為光纖傳感器的廣泛使用提供參考。

1 工程概況

白山水電站位于第二松花江干流上游， 地處吉林省樺甸市白山鎮境內，是一座以發電為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的工程。 該電站總裝機容量為1 800 MW（其中，常規機組容量為1 500 MW，抽水蓄能機組容量為300 MW）， 多年平均發電量為20.37 億kWh，在東北電力系統中擔負調峰、調頻和事故備用等任務，是該系統中的大型骨干電站。

白山水電站水庫總庫容為59.21 億m3（校核洪水位），調節庫容為29.43 億m3，是一座不完全多年調節水庫。該水庫按500 年一遇洪水設計，設計水位為418.30 m；按5 000 年一遇洪水校核，校核水位為420.08 m； 保壩洪水位為423.45 m， 正常蓄水位為413.00 m，死水位為380.00 m。

白山水電站工程樞紐主要由攔河大壩、 河床壩段泄洪建筑物、 右岸全地下式廠房、 左岸地面式廠房、左岸全地下式廠房和開關站等組成。攔河大壩為三圓心混凝土重力拱壩（由三段圓弧組成，中部小圓弧半徑為320 m，兩側大圓弧半徑為770 m），壩頂高程為423.5 m， 壩頂弧長為676.5 m， 最大壩高為149.5 m，壩頂寬為9.0 m，底寬為63.7 m，厚高比為0.426。 壩上共設置4 個堰頂溢流孔和3 個深泄水孔，以作泄洪之用。目前，該電站已在發電、防洪等方面取得了顯著的經濟和社會效益。

2 光纖傳感器的優勢和工作原理

2.1 光纖傳感器的優勢

與傳統的電阻式、 振弦式、 電磁式等傳感器相比，光纖傳感器在使用條件、性能等方面具有以下優勢：

（1）較高的靈敏度。光纖傳感器能監測出外界條件發生的細微變化。

（2）安裝埋設方便。光纖傳感器可以根據安裝位置的布置，制成任意形狀，方便安裝埋設［2］。

（3）具有較好的絕緣性和化學穩定性。光纖是一種具有高絕緣性、化學性能穩定的物質，適用于幾乎所有的惡劣環境。

（4）具有良好的安全性。由于光纖傳感器的敏感元件是無電源的，所以在測量過程中，不存在觸電或放電等安全隱患。

（5）具有良好的抗電磁干擾性。因為電磁輻射的頻率與光波的頻率不一樣， 所以電磁輻射幾乎影響不到光在光纖中的傳播，或影響甚微。

（6）可進行分布式測量。光纖傳感器的測量距離較長，并且能夠測出該段距離上任意點上的信息，從而實現可分布式測量。

（7）具有較長的使用壽命。因為光纖的主要材料是石英玻璃，還有高分子材料的外包層，從而使光纖的使用壽命較長［3］。

（8） 具有較大的傳輸容量。 用光纖當母線測量時，通過復制技術，可具有更大的傳輸容量［4］。

（9）光纖傳感器可以實現動、靜兩用量測。

（10）測量精度高。 光纖傳感器測量精度普遍比傳統傳感器高一個數量級［5］。

2.2 光纖傳感器的分類

光纖傳感器按照光纖在傳感器中的感化作用可分功能型傳感器和非功能型傳感器。 功能型傳感器又稱為傳感型傳感器， 是將被測物理量轉化為光的參數，實現監測。非功能型傳感器又稱為傳光型傳感器，其光纖僅起光波傳輸的作用，需加傳感元件才能實現監測。 白山水電站采用傳感型光纖傳感器對大壩進行安全監測。

2.3 光纖傳感器的工作原理

傳感型光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光束經過光纖送入調制器， 在調制器內與外界被測參數相互作用，使光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的光信號，再經由光纖送入光電器件，經解調器解調后，獲得被測參數。 它也可用公式（1）解釋。

式中：E 為強度；E0為光波的振幅；ω 為頻率；t為時間；φ 為初相角。

3 白山水電站光纖監測系統的應用

3.1 白山水電站測點布置原則

白山水電站拱壩監測布置根據工程規模、等級，并結合工程實際及上、下游影響進行；相關監測項目應配合布置，突出重點，兼顧全面，并考慮與數值計算和模型試驗的比較及驗證，關鍵部位測點宜進行冗余設置。

3.2 白山水電站研究測點選取

本文選取典型斷面布置觀測點做原型試驗，研究光纖傳感器在白山水電站拱壩安全監測中的可行性和檢測結果的準確性。 白山水電站拱壩在418 廊道、375 廊道、340 廊道、312 廊道共布設17 組39 個雙向測斜傳感器。 通過現場勘查，并根據《白山現場考察報告》， 確定選擇白山水電站拱壩17 號壩段的418 廊道、375 廊道、340 廊道、312 廊道的4 支雙向傾斜傳感器做原型試驗研究， 儀器編號及安裝位置如表1 所示，測點布置圖如圖1 所示。

表1 雙向傾斜傳感器安裝匯總表Tab.1 Summary of bidirectional inclination sensor installment

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout of monitoring points

3.3 監測結果分析

2017 年汛期，白山水電站拱壩雙向傾斜傳感器監測值如表2 所示， 光纖傳感器監測數據過程線如圖2～圖4 所示。

表2 雙向傾斜傳感器監測值Tab.1 Monitoring values of bidirectional inclination sensor

圖2 白山水庫上游水位過程線Fig.2 Upstream water level process line of Baishan Reservoir

圖3 傾斜傳感器X 方向（上下游）過程線Fig.3 X direction (upstream and downstream) process line of inclination sensor

圖4 傾斜傳感器Y 方向（左右岸）過程線Fig.4 Y direction (upstream and downstream) process line of inclination sensor

由圖2 可知，白山水電站上游水位逐漸在升高，符合汛期水庫水位的變化規律。

由表2 可知，大壩在X 方向（上下游方向）的最大傾斜為60.8″，并呈現出壩底傾斜大，壩頂傾斜小，傾斜角隨著壩高的增加而變小的情形， 符合大壩一般變形規律；大壩在Y 方向（左右岸方向）的最大傾斜為52.8″，并呈現出中間傾斜大，兩頭傾斜小的情形，符合大壩一般變形規律。

由圖3 和圖4 可知，大壩傾斜變形在X 方向（上下游方向）和Y 方向（左右岸方向）的變化規律與水位變化趨勢相同，均隨水位的增高而增大；大壩傾斜變形在X 方向（上下游方向）和Y 方向（左右岸方向）的變化還與溫度成正相關， 也隨溫度的升高而增大；X 方向（上下游方向）從初始位置向下游方向，傾斜角隨水位的增高逐漸增大，增量約在16～37″，Y 向（左右岸方向）增量約在16～40″，可以明顯地看出：傾斜角隨水位上升而發生變化，而且變化明顯，靈敏度較高。

4 結語

通過光纖傳感器在白山水電站安全監測系統中的運用，可以發現，與傳統的電阻式、振弦式等傳感器相比，光纖傳感器測值準確性好，發生不可信測值的概率低， 大大減小了監測分析時數據處理的工作量；靈敏度極高，比傳統傳感器高一個數量級；使用壽命長，正常情況下可以和工程使用壽命一樣。