0.   引言

堆石体内部变形监测是评价面板堆石坝变形稳定特性及安全性最为基础和重要的内容指标。传统堆石坝内部变形监测技术采用水管式沉降计测量堆石体沉降变形，采用引张线水平位移计测量堆石体内部水平位移^[1-2]。近年来高面板堆石坝已从100，200 m级^[1]发展到300 m级，随着面板堆石坝坝高的不断增加，传统的水管式沉降计和引张线水平位移计在高面板堆石坝内部变形监测方面的不足越来越显现，导致监测数据出现明显偏差，尤其是引张线水平位移计监测高面板堆石坝内部水平位移的测量结果出现明显失真^[2]。水管式沉降计在安装和调试工作中存在整体坡降法埋设管路沟槽施工难度大和测量管路充水容易、排水难等特点，尤其对于200 m级以上高坝，水管式沉降计管路沟槽坡降越来越难控制，如控制不当，当测头内水杯和测读管中的气体未充分排除时使得水管式沉降计在高面板堆石坝内部变形监测中产生的较大误差，但在严格其管路槽沟坡降按要求设施情况下水管式沉降计基本可以满足堆石体内部沉降监测工作需要；传统引张线水平位移计使用的铟钢丝引张线规格、材料、减少摩阻力的导向结构、配重等是基于100 m级堆石坝的最长300 m长引张线的模型试验和工程应用后定型，其在200 m级堆石坝中应用成果的测量精度和合理性待验证，尤其目前常用引张线水平位移计的导向结构较前期试验提出的结构型式进行了过多简化，导致在其工程应用中测量结果出现明显失真。为解决高面板堆石坝内部变形监测技术难题，近些年，诸如并（串）联式电测水平位移计、阵列式位移计、管道测量机器人^[3]等新型监测技术不断涌现，这类技术用于高面板堆石坝内部变形监测大多为模型试验成果，在实际工程中的成功应用案例较少。

分布式光纤具有分布式、适应性强、耐久性好和测量便捷等特点，光纤本身既是传感介质，又是传输通道，且直径小、重量轻，便于安装，易于植入监测对象且组网配置灵活。利用其自身应力应变与被测结构物的对应关系，得到被测参量在光纤长度方向的连续分布信息，能够有效克服传统点式电测监测方式的各种弊端。目前，分布式光纤传感技术逐渐应用于边坡、隧道、轨道及基坑等工程^[4-5]，取得了较好的监测成果。

根据研究现状和团队前期成果，在100 m级面板堆石坝应用研究和系统模型试验研究基础上，完善相关监测技术，提出了基于分布式光纤传感技术且适用于高面板堆石坝的内部沉降和水平位移测量的监测技术^[6-8]。通过在200 m级面板堆石坝中开展应用研究，对比3种不同光纤安装方式的监测应用可行性，结合数值计算结果和传统监测手段进行技术验证。

1.   工程概况与监测设计

依托某抽水蓄能电站上库面板堆石坝，最大坝高182 m，为典型200 m级高面板堆石坝，堆石坝内部变形监测设计包括最大坝高主断面（0+330）在内的3个监测断面，其中主监测断面分别在EL154.9 m、EL178.1 m、EL208.9 m、EL231.7 m、EL247.0 m 5个高程设计布置水管式沉降计和引张线水平位移计以分层监测坝体内部变形，如图 1。

图  1  分布式光纤监测仪器布置图

Figure  1.  Layout of monitoring instruments

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基于分布式光纤传感技术的堆石坝内部变形监测系统设计布置于该面板堆石坝主监测断面EL178.1m高程，对应于该高程设计布置的水管式沉降计和引张线水平位移计监测点位，如图 1。

2.   监测系统埋设安装

基于分布式光纤传感技术的堆石坝内部变形监测系统与水管式沉降计和引张线水平位移计同步施工埋设安装。基于分布式传感光纤技术的堆石坝内部沉降监测系统采用45a型工字钢作为变形测量辅助结构，实现测量辅助结构与面板堆石坝的堆石体内部变形协同。传感光纤粘贴于45a型工字钢上、下翼缘内表面进行保护，如图 2（a）。基于分布式传感光纤技术的堆石坝内部水平位移监测系统的传感光纤采用6分镀锌钢管进行保护，钢管接头处用具备锚固导向作用的定制接头连接，如图 2（b），以测量计算堆石体内部分布式水平位移。45a型工字钢辅助结构及6分钢管保护与水平位移测量结构的传感光纤安装与埋设如图 3。

图  2  传感光纤安装固定方法

Figure  2.  Installing method for optical fiber

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图  3  传感光纤在辅助与保护结构中安装照片

Figure  3.  Photo of optical fiber installation in auxiliary and protection structures

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为验证在仪器保护沙层中直接埋设传感光纤的保护可靠性及其直接测量堆石体水平位移的技术可行性，将一组相互平行的传感光纤直接布置于水管式沉降计埋设沟槽的保护沙层内，安装时先在保护沙层中开槽，槽深约10 cm，将传感光纤张紧拉直布置在槽底后回填细沙保护并压实，安装照片如图 4。另外还通过45a型工字钢上、下对称表面应变平均值沿光纤布设方向累计微变形求得了水平位移，并与布设在6分管和沙中光纤所得水平位移进行对比以探讨其用于水平位移测量的可行性。

图  4  传感光纤在保护砂层中安装照片

Figure  4.  Photo of optical fiber installed in protective sand layer

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2020年11月中旬大坝填筑至安装高程，按设计要求的水管式沉降计管路安装坡度放坡、开挖埋设沟，沟内分层回填垫层料和沙层，平整压实后埋设水管式沉降计管路系统和直埋于沙层的传感光纤；然后按设计要求分层回填保护沙层、细料层并分层压实。大坝填筑到引张线水平位移计安装高程后，开挖仪器安装及管路保护沟槽，沟内分层回填垫层料和沙层并按设计要求找平压实后，安装引张线水平位移计铟钢丝及其保护钢管、伸缩接头和锚固板等，同时安装基于分布式光纤传感技术的坝体内部变形监测系统，包括内部沉降和水平位移监测系统。其中在坝体内部沉降监测系统传感光纤的埋设过程中，首先将45a型工字钢吊装至安装沟内并逐段对齐摆放，分别在工字钢腹板和翼板采用钢板帮护方式将所有工字钢焊接连成一个整体，如图 3，然后对粘贴传感光纤的45a型工字钢上、下翼缘内表面打磨平整，采用环氧树脂将相互平行的一组传感光纤粘贴安装于45a型工字钢上、下翼缘内表面，如图 3。基于分布式光纤传感技术的坝体内部水平位移监测系统光纤用6分镀锌钢管保护，镀锌钢管通过带传感光纤锚固专用结构的伸缩接头连接，每节镀锌钢管内用于应变测量的传感光纤在进行预拉后，采用自锁紧装置并辅以专用胶锚固于伸缩接头结构，如图 3。在仪器安装埋设沟槽内引张线水平位移计、基于分布式光纤传感技术的坝体内部变形监测系统安装完成后，按设计要求分层回填保护砂层、细料层并分层压实（如图 4）。

本应用工程坝体内部变形监测系统选用的应变传感光纤为带铠装结构的V0传感光纤，其应变测量量程可达1%（即为10000 µε）。该高程监测仪器自2020年11月中旬开始实施安装，为减少仪器安装对大坝填筑施工影响，采用分段开槽方式进行该监测断面的仪器安装。根据水管式沉降计安装管路坡度要求，管路沟上、下游两端高程相差近4 m，填筑历时超过30 d，本监测断面EL178.1m高程所有监测仪器安装完成历时50余天。测量用光线解调仪为瑞士OMNISENS公司产的Vision Dual型光纤解调仪，其应变测量最小空间分辨率0.1 m，准确度为±10×10^-6，应变测量范围（-20000×10^-6~20000×10^-6）。根据高土石坝内部最大沉降和水平位移量值及其沿断面分布规律，基于分布式应变传感光纤的高土石坝内部变形监测系统中传感光纤和解调仪的量程范围用于高土石坝坝体内部位移监测具有较大富余度。

3.   变形计算方法

3.1   坝体内部沉降计算方法

用于沉降监测并铺设于工字钢的分布式传感光纤的变形计算方法基于《材料力学》受弯结构变形理论，结合团队前期试验和应用研究成果^[6-10]，采用能够合理反映受弯受力变形特性的拟合计算方法对变形方向对称表面的应变值进行拟合，通过积分得到沿光纤布设方向的挠度分布^[9]，实现堆石体内部变形测量计算。具体变形计算表达式为

式中：${y_D}(x)$为沿着光纤布设方向的挠度分布函数；${\varepsilon _1}(x)$和${\varepsilon _2}(x)$分别为测量方向两条平行光纤测量应变值的拟合函数，例如图 2（b）中用于沉降变形监测的工字钢上、下翼缘光纤测量值的拟合函数；Y为测量方向上两条光纤的距离，例如在沉降测量中工字钢上、下翼缘距离；C₁和C₂是可以通过挠度曲线边界条件确定的两个参数，在本工程中通过45a工字钢两端的对应变形测量值确定。

3.2   坝体内部水平位移计算方法

通过分布式光纤测量所得的应变求得沿着布设方向的累计微变形，进而可以求得以最小空间分辨率为整数倍位置处的水平位移，公式如下：

式中：$S(x)$为坝体的水平位移分布函数；${\varepsilon _i}$为第i微段的应变测量值；$\Delta x$为测量的空间分辨率。

4.   监测成果分析

EL178.1 m高程监测仪器安装完成后，将传感光纤引至下游观测房处开始测量，观测至今已近一年，传感光纤保持完好、测量正常，采用上述安装保护技术及方法合理可靠。

4.1   坝体内部水平位移监测成果分析

工程中EL178.1 m高程堆石体内部变形监测仪器安装完成后，0+330 m主监测断面填筑过程如图 5。为研究应用工程中3种安装方式对其堆石体内部水平位移监测结果的影响，分别对比分析2021年2月19日和2021年7月15日3种安装方式监测结果，如图 6，结果显示3种安装方式测得堆石体内部水平位移量值和沿断面分布一致性良好；3种安装方式测得总测量长度309.5 m（0+178 m~0-131.5 m）上的共1218个测点位置水平位移监测结果的两两比对误差特征值见表 1。

图  5  大坝填筑过程曲线

Figure  5.  Process curve of dam filling

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图  6  3种安装方式测得水平位移沿断面分布

Figure  6.  Horizontal displacements along section measured by three installation methods

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表  1  3种安装方式测量结果误差特征值表

Table  1.  Characteristic values error of measured results by three installation methods

日期	比对对象	最大绝对差值/mm	平均差值/mm
2月19日	工字钢-钢管	0.8	0.48
	工字钢-沙层	0.7	0.05
7月15日	工字钢-钢管	1.5	0.59
	工字钢-沙层	0.9	0.18

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从表 1所示对比误差特征值统计结果可以看出，总长度309.5 m的断面范围内，2021年2月19日和7月15日3种安装方式的两组典型监测成果测得1218个测点位置的坝体内部水平位移的误差水平为毫米级，最大绝对差值1.5 mm，最大平均差值为0.59 mm，表明3种安装方式均可行。

在实际工程应用中，可以根据工程特点选择相应的光纤布设方式对坝体进行内部变形监测。当在同一段面需要同时测量沉降和水平位移时，建议可以选择工字钢作为变形测量辅助结构铺设光纤。当埋设条件良好且不容易造成光纤受损时，可以选用开槽并将光纤埋设于保护沙层中进行水平位移监测，这样既可以满足测量要求，也可以减少辅助结构成本。

上述对比分析验证了本应用工程中3种传感光纤安装方式用于堆石坝内部水平位移监测具有很好的一致性，由于粘贴在45a型工字钢上、下缘内表面传感光纤布置延伸到库盆，为本应用工程中最大监测断面长度的传感光纤安装方式，以其监测成果分析堆石坝体内部水平位移发展变化规律，绘制EL178.1 m高程、0+330 m主监测断面的堆石坝体内部水平位移沿断面分布及其发展规律如图 7。

图  7  水平位移沿断面分布监测结果

Figure  7.  Monitoring results of horizontal displacement along section

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测得EL178.1 m高程、0+330 m主监测断面坝体及库盆填筑体水平位移均为向下游方向，坝体水平位移沿断面分布规律与面板堆石坝施工期上、下游坝体分别向上、下游方向位移的一般性分布规律不符^{[1-2, 11-14]}。分析其原因为库盆回填堆石体延续至库区上游山体，使得坝体向上游水平位移受到一定约束；加之本应用工程坝基面向下游倾斜，使得大坝填筑体在上部填筑荷载作用下更容易发生向下游方向水平位移。引张线水平位移计在本工程实际应用中，其监测结果的规律性和合理性待论证，因此在本文中对比分析了分布式光纤传感技术的坝体内部水平位移监测结果与数值计算结果，可以看出分布式光纤传感技术测得应用工程大坝与库盆堆石填筑体的水平位移沿断面分布规律与大坝三维有限元数值计算结果^[15]基本吻合，如图 8。应用工程坝顶高程为EL272.4 m，至2022年1月6日，大坝填筑至高程EL231.4 m，仪器安装高程为EL178.1 m，上覆填筑厚度约53 m，还有41 m左右厚度的大坝坝体待填筑，此时测得EL178.1 m高程、0+330 m主监测断面坝体最大水平位移为123.7 mm，约为数值计算得竣工期大坝最大水平位移量值一半，表明水平位移监测结果在量值上较为合理。

图  8  大坝填筑竣工期水平位移计算结果

Figure  8.  Calculated results of horizontal displacement along section at completion period of filling

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基于分布式传感光纤技术的坝体内部变形监测系统测得库盆堆石填筑体水平位移在0-178 m桩号处出现拐点，且大坝坝体上游面0-136 m桩号至库盆0-178 m桩号的库盆堆石体是水平位移递增速率最大区域，同时在大坝轴线位置也形成一段约60 m（桩号0-20 m至0+40 m）长的水平位移递增速率较大区。经分析，上述水平位移沿断面的分布发展规律是前者受库盆回填堆石体延续至库区的上游山体对大坝填筑体的约束所致，后者位于坝轴线位置，为承受上部填筑荷载的主要区域。

4.2   坝体内部沉降监测成果分析

根据粘贴在45a型工字钢上、下缘内表面传感光纤测得其应变差值，采用基于分布式光纤传感技术的坝体内部沉降监测系统的沉降计算理论^{[7, 9-10]}可计算得到监测断面堆石体内部沉降变化过程规律，由此绘制EL178.1 m高程、0+330 m主监测断面的堆石体内部沉降沿断面分布与发展规律及其与水管式沉降计监测成果的对比结果，如图 9。

图  9  沉降变形沿断面分布监测结果

Figure  9.  Monitoring results of settlement along section

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图 9所示，EL178.1 m高程、0+330 m主监测断面堆石坝体内部最大沉降发生在库盆填筑体，测得当前大坝库盆填筑体最大沉降825 mm；大坝坝体主堆石区沉降较小，主堆石区最大沉降209 mm；下游次堆石区较大，次堆石区最大沉降340 mm；大坝坝体沉降总体较小，大坝填筑堆石材料抗压性能高且填筑质量较好。

对比堆石坝体内部沉降监测结果和三维有限元数值计算结果^[15]，如图 10，两者沿断面分布规律和考虑荷载水平的量值都比较吻合，基于分布式传感光纤技术的坝体内部变形监测系统的沉降监测结果量值基本合理，与传统的水管式沉降计监测结果比对，两者对应点位的监测结果误差为厘米级，如表 2，13个对应点位中平均误差小于10 mm，说明基于分布式传感光纤技术的坝体内部变形监测系统可以满足高面板堆石坝内部沉降监测精度需要。

图  10  大坝填筑竣工期沉降计算结果

Figure  10.  Calculated results of settlement along section at completion period of filling

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表  2  两种监测技术测量结果比对误差分析表

Table  2.  Error analysis of measured results by two monitoring technologies

桩号	基于分布式传感光纤技术的坝体内部沉降监测系统测值-水管式沉降计测值/mm
	2021-02-03	2021-03-04	2021-05-17	2021-06-16	2021-07-15	2021-09-06	2021-10-22	2022-01-06
0-228 m	-0.32	-0.81	-1.19	0.06	0.11	0.11	0.36	0.11
0-198 m	-0.26	-0.46	-0.55	1.28	8.19	-17.88	9.30	-18.90
0-168 m	-1.64	-2.91	-18.19	-13.16	1.66	-17.98	-1.45	-0.25
0-136 m	2.56	2.98	11.82	10.69	10.41	0.47	-7.58	0.47
0-108 m	-3.47	-2.24	18.32	16.63	19.46	15.61	-0.13	13.14
0-78 m	6.74	7.74	5.83	-5.72	9.47	-4.33	15.68	9.46
0-40 m	-5.03	-4.96	4.35	-2.85	-14.13	-14.92	7.68	6.42
0 m	6.28	5.37	-8.53	-1.29	-5.52	-18.14	1.12	0.03
0+30 m	-4.25	-4.21	-9.50	13.08	-18.78	-0.39	-0.39	-0.39
0+70 m	2.81	2.21	-0.22	4.64	-7.23	-19.80	-3.31	-0.50
0+100 m	-0.77	-1.04	-12.70	-6.39	10.49	-18.38	10.21	3.74
0+132 m	0.25	-0.93	-12.10	-8.82	5.31	0.30	0.30	0.30
0+178 m	0.09	0.85	-0.80	-2.49	-1.80	-1.80	-1.80	-1.80

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4.3   分布式光纤传感技术的优点和局限性

综合分布式光纤传感技术的特点，基于分布式光纤传感技术的高面板堆石坝内部变形监测应用具有以下优点和局限性：

（1）根据分布式光纤特点，基于分布式光纤传感技术的高面板堆石坝内部变形监测方法具有可以满足高面板堆石坝内部长距离的分布式变形监测需求的优点。

（2）根据分布式光纤变形计算原理，在变形计算中需要测得光纤两端对应的变形测量值，因此在安装和测量过程中需要考虑边界条件的获得。

（3）根据上文研究，需要对光纤的铺设进行保护处理，防止埋设环境对光纤测量的影响。

5.   结论与建议

（1）通过对比分析不同光纤布设方式（分别安装于45a型工字钢、6分镀锌钢管和保护沙层中）测量水平位移的可行性，3种布设方式实测结果最大平均差值均小于1.0 mm，说明3种方式测得堆石体内部水平位移量值和沿断面分布一致性良好。

（2）根据应用实测成果，安装测量高程、主监测断面坝体及库盆填筑体水平位移均为向下游方向，原因在于库盆回填堆石体延续至库区上游山体，致使坝体向上游水平位移受到一定约束；加之本工程坝基面向下游倾斜，大坝填筑体在上部填筑荷载作用下更容易发生向下游方向水平位移。

（3）光纤监测系统测得堆石体内部沉降沿断面分布发展规律与水管式沉降计监测成果的较为一致，满足高面板堆石坝内部沉降监测精度需要；主监测断面堆石坝体内部最大沉降发生在库盆填筑体，坝体沉降总体较小，大坝填筑堆石材料抗压性能高、填筑质量较好。

（4）通过应用工程实际验证，基于分布式传感光纤技术的高面板堆石坝内部变形监测系统监测应用效果较为理想，能够为200 m级及以上高面板堆石坝内部变形监测提供实测依据和技术支撑。

（5）在实际工程中可以根据大坝的工程特点选择3种不同的光纤布设方式对坝体进行内部变形监测。当在同一段面需要同时测量沉降和水平位移时，建议可以选择工字钢作为变形测量辅助结构铺设光纤。当埋设条件良好且不容易造成光纤受损时，可以选用开槽并将光纤埋设于保护沙层中进行水平位移监测。