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分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)三峽大壩混凝土溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2007-04-24  來(lái)源:《水利學(xué)報(bào)》2003年第5期  作者:蔡德所 戴會(huì)超 蔡順德 何薪基
核心提示:分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)三峽大壩混凝土溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究

摘要:以光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)為手段,研究了三峽工程左廠14壩段澆筑過(guò)程中混凝土水化熱的釋放過(guò)程。結(jié)果表明,高程為140.56m的倉(cāng)面,混凝土澆筑后3d,壩塊內(nèi)部上游面溫度和中心點(diǎn)溫度達(dá)到最高值,分別為34.75℃和2685℃;壩塊內(nèi)部下游面溫度達(dá)到最高值是混凝土澆筑后5d,為30.4℃;22~28d,壩塊內(nèi)部溫度逐漸下降并趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:三峽工程;溫度;光纖傳感;監(jiān)測(cè)

  幾乎所有的混凝土壩施工期間都要采取措施進(jìn)行溫度控制,減小壩體內(nèi)溫度梯度,防止裂縫,確保大壩安全,及時(shí)和準(zhǔn)確地獲得大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)信息是大體積混凝土施工控制的關(guān)鍵。大壩運(yùn)行期間,溫度荷載是引起壩體變形和應(yīng)力變化的主要荷載之一,因此對(duì)壩體運(yùn)行期間溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)也是安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)壩體溫度測(cè)量一般使用點(diǎn)式溫度計(jì),以熱電偶式溫度計(jì)為例,這種溫度計(jì)本身具有較高的精度,但就工程實(shí)際應(yīng)用而言,尚有許多不足,一支溫度計(jì)只可測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的溫度,對(duì)工作的環(huán)境要求嚴(yán),抗干擾能力差,安裝復(fù)雜干擾施工,尤其是傳統(tǒng)的溫度計(jì)信息量太少,很難掌握整個(gè)壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化。作者經(jīng)過(guò)近三年的論證和準(zhǔn)備,率先引進(jìn)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),并在三峽工程左廠14壩段大體積常態(tài)混凝土中進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了常態(tài)大體積混凝土澆筑施工過(guò)程溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),本文介紹其中的部分成果。

1 光纖溫度傳感方法發(fā)展與應(yīng)用情況

  加拿大學(xué)者M(jìn)easures[1]等在加拿大Calgary一座兩跨碳纖維鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力橋梁上,埋設(shè)了5套4通道Bragg光柵光纖傳感系統(tǒng),在橋梁建造過(guò)程中和使用期內(nèi)檢測(cè)其內(nèi)部溫度和應(yīng)變。意大利學(xué)者Gusmeroli[2]等報(bào)道了他們將F-P光纖干涉?zhèn)鞲衅髀袢胍粋€(gè)5m長(zhǎng)的混凝土梁中檢測(cè)其熱膨脹。瑞士皇家技術(shù)學(xué)院Smart公司的產(chǎn)品采用Brillouin散射光的分布式溫度測(cè)量系統(tǒng),它不但需要從光纖的一端輸入脈沖激光光源,另一端輸入連續(xù)激光光源,而且需要采取措施來(lái)分離溫度效應(yīng)的機(jī)械應(yīng)變效應(yīng),所以其工程應(yīng)用不是最佳選擇。英國(guó)York Sensors Limited是國(guó)際上首家開發(fā)光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)并使之商品化的公司,已經(jīng)有20多年的歷史,并一直在該技術(shù)領(lǐng)域中保持國(guó)際領(lǐng)先地位。通過(guò)測(cè)量發(fā)射光和接收定點(diǎn)反射光的時(shí)間差及光在光纖中的傳播速度可精確地確定發(fā)生反射的位置(定位),利用反射光中Raman反射光的溫度依存性質(zhì),可以計(jì)算出發(fā)生反射的點(diǎn)的溫度值。德國(guó)GTC公司同慕尼黑科技大學(xué)[3]利用York Sensors Limited的產(chǎn)品,在土耳其Birecik混凝土壩、約旦Wala壩等工程都做了應(yīng)用性的研究工作。清華大學(xué)同慕尼黑科技大學(xué)在新疆石門子工程也做了較有意義的工作。成都電子科技大學(xué)光纖國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與龍羊峽、劉家峽水電廠等合作,成功地開發(fā)了大型水、火發(fā)電機(jī)組的光纖溫度傳感器等多項(xiàng)傳感技術(shù),但都屬點(diǎn)式測(cè)量。重慶大學(xué)光電子工程學(xué)院20世紀(jì)90年代初進(jìn)行過(guò)光纖分布式測(cè)溫技術(shù)的研究,取得了重要成果。天津大學(xué)[4]從傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料的物性系數(shù)出發(fā),在理論上證明了光纖溫度與Brillouin頻移量之間存在線性關(guān)系。中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電子技術(shù)研究所[5]研制了一種由分布式光纖溫度傳感器組成的新型在線自動(dòng)溫度檢測(cè)系統(tǒng),最近應(yīng)用于煤礦火災(zāi)報(bào)警。北京航空航天大學(xué)[6]從光學(xué)的角度出發(fā),分析了基于Raman反射的光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)的空間分辨力理論極限及影響因素。寧波振東光電子有限公司與秦山核電廠合作,將分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)用于電纜溫度監(jiān)控。

2 分布式光纖溫度傳感器的基本原理

  向光纖發(fā)射一束脈沖光,該脈沖光會(huì)以略低于真空中的光速的速度向前傳播,同時(shí)向四周發(fā)射散射光。散射光的一部分又會(huì)沿光纖返回到入射端,測(cè)量發(fā)入射光和反射光之間的時(shí)間差T,則發(fā)射散射光的位置距入射端的距離X為

  式中:C為光纖中的光速,C=C0/n,C0為真空的光速;n為光纖的折射率。

  反射回入射端的反射光中,有一種稱做Raman散射光。該Raman散射光含有兩種成份:Stokes和Anti tokes光。其中Stokes光與溫度無(wú)關(guān),而Anti-Stokes光的強(qiáng)度則隨溫度變化。Anti-Stokes與Stokes之比和溫度之間關(guān)系可用下式表示:

  式中:las為Anti-Stokes光;ls為Stokes光;a為溫度相關(guān)系數(shù);h為普郎克系數(shù)(J·s);c為真空中的光速(m/s);v為拉曼平移量(m-l);k為鮑爾次曼常數(shù)(J/k);t為絕對(duì)溫度值。

  根據(jù)式(2)及實(shí)測(cè)Stokes-Anti-Stokes光之比可計(jì)算出溫度值為:

  光纖測(cè)溫方式,直接測(cè)量的是Raman反射光中兩種成分之比,與絕對(duì)值無(wú)關(guān),因此既使光纖隨時(shí)間老化,沿程光損失增加,仍可消除光損失的影響,從而可一直保證測(cè)溫精度。

3 分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

  3.1 傳感光纜與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 左廠14壩段是三峽二期工程的最后一個(gè)大塊體澆筑壩段,曾是塔帶機(jī)的部位,塊體倉(cāng)面尺寸為32m×20m,倉(cāng)面高程140.56m,薄層澆筑層厚1.5m,并在底部布置有蛇形冷卻水管。倉(cāng)面混凝土標(biāo)號(hào)、骨料級(jí)配分區(qū)及設(shè)計(jì)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。傳感光纜選用50μm的多模單芯不銹鋼鎧裝光纜,直徑3mm,它既保證了檢測(cè)結(jié)果為純混凝土溫度值,又防止了混凝土澆筑過(guò)程對(duì)傳感光纜的損傷,壩體內(nèi)部共埋設(shè)傳感光纜81.1m。

  3.2 連接與檢測(cè) 連接與檢測(cè)由DTS Manager主控程序?qū)崿F(xiàn),包括PC與DTS的連接、系統(tǒng)參數(shù)裝載、命令發(fā)送、圖形顯示及存儲(chǔ)、區(qū)域顯示、報(bào)警顯示等。其中Zone Generator可產(chǎn)生一個(gè)批處理文件,通過(guò)命令文件可以設(shè)置關(guān)注區(qū)域、報(bào)警輿值。

  3.3 中間成果及分析 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的埋設(shè)于4月2日完成,隨即進(jìn)行了檢測(cè),為了掌握壩塊內(nèi)部混凝土水化熱實(shí)際的釋放過(guò)程,一周內(nèi)每天檢測(cè)3次,分別選擇在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行。混凝土澆筑后的3d(21:55),壩塊內(nèi)部上游面溫度達(dá)到最高值,傳感點(diǎn)號(hào)115,網(wǎng)絡(luò)定點(diǎn)位置118.975m,溫度峰值為34.75℃,此時(shí),實(shí)測(cè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)溫度分布曲線如圖2所示。其中:AB為光纖測(cè)溫系統(tǒng)機(jī)內(nèi)光纖段,BC為機(jī)外尾纖,CD為接線盒至進(jìn)壩口的不銹鋼鎧裝傳輸光纜,D點(diǎn)為傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)壩口,之后的不銹鋼鎧裝光纜既傳感又傳輸,隨時(shí)可得到80個(gè)點(diǎn)的溫度值。為驗(yàn)證檢測(cè)成果的準(zhǔn)確性,對(duì)進(jìn)壩口D點(diǎn)前的AB、BC、CD段用常規(guī)溫度計(jì)進(jìn)行了測(cè)量,誤差僅為0.1℃。由圖1知,從113點(diǎn)開始,倉(cāng)面底部沒(méi)有布置蛇形冷卻水管,115點(diǎn)的位置離冷卻水管最遠(yuǎn),距上游表面1.5m,這是造成圖2FG段(113點(diǎn)~115點(diǎn))在整個(gè)水化熱釋放過(guò)程中屬最高溫度分布區(qū)的重要原因之一。4d后,峰值溫度開始逐漸下降,4月30日后趨于穩(wěn)定,量值在2.4~25℃。


壩塊內(nèi)部下游面是第二個(gè)溫度高值區(qū)(DE段,即78點(diǎn)~88點(diǎn)),溫度達(dá)到最高值是混凝土澆筑后的第5d(10:21),峰值為30.4℃,網(wǎng)絡(luò)定點(diǎn)位置87.451m此時(shí),實(shí)測(cè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)溫度分布曲線如圖3所示。這一區(qū)域的倉(cāng)面底部同樣沒(méi)有布置蛇形冷卻水管,不過(guò)離冷卻水管的距離只有1m;2個(gè)溫度高值區(qū)的混凝土標(biāo)號(hào)均為250,其他區(qū)域?yàn)?50,這是造成2個(gè)溫度高值區(qū)的又一重要原因;DE段4級(jí)骨料級(jí)配,而FG段3級(jí)骨料級(jí)配,這也促成了FG段最高溫度分布區(qū)的形成。6d后,峰值溫度開始逐漸下降,4月22日后趨于穩(wěn)定,量值在23~25℃。

  將實(shí)測(cè)上游面115點(diǎn)的溫度過(guò)程線、下游面88點(diǎn)的溫度過(guò)程線和傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部中心100點(diǎn)的溫度過(guò)程線繪于圖4中,顯見上游面115點(diǎn)溫度過(guò)程線形成了外包絡(luò)線,一直處于最高;下游面88點(diǎn)溫度過(guò)程線處在中間,這是2個(gè)溫度高值區(qū),但二者下降較快,且速率幾乎一樣;網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部中心100點(diǎn)的溫度過(guò)程線在最下方,量值小,但下降速率要慢許多,有時(shí)略有回升。實(shí)際監(jiān)測(cè)到的壩塊內(nèi)部混凝土水化熱溫度曲線屬偏正態(tài)曲線,這與傳統(tǒng)的溫度計(jì)算理論及熱傳導(dǎo)理論成果是一致的。

4 結(jié) 論

  (1)本文提出的常態(tài)大體積混凝土分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大體積混凝土施工期和運(yùn)行期的溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè),是對(duì)大壩溫度監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)儀器、理論和方法的變革和創(chuàng)新。(2)所優(yōu)選的光纖分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)安裝方便,可快捷、準(zhǔn)確地檢測(cè)到壩體混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化,這對(duì)大壩的健康診斷和安全運(yùn)行十分有利。(3)設(shè)計(jì)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋了32m×20m的澆筑倉(cāng)面,且冷卻水管、混凝土標(biāo)號(hào)、骨料級(jí)配等對(duì)實(shí)際溫度場(chǎng)的影響都能在溫度分布曲線中較好的反應(yīng)。蛇形冷卻水管強(qiáng)迫降溫效果明顯;混凝土標(biāo)號(hào)越高,混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度越大;骨料級(jí)配大,對(duì)溫度的影響越小。(4)在混凝土水化熱變化的全過(guò)程中,整個(gè)倉(cāng)面的最高溫度發(fā)生在上游面115點(diǎn),峰值為3475℃,在設(shè)計(jì)允許值以內(nèi);28d后,溫度逐漸下降,并趨于穩(wěn)定,溫度值在24~25℃之間。

  致謝:本研究得到中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司張超然總工程師的指導(dǎo)和幫助,并得到三峽大學(xué)資助,主要研究人員還有張存吉、張強(qiáng)林、劉秋滿。

參 考 文 獻(xiàn):

  [1] Measures R M, Alavie T, Maakant R et al. Bragg grating fiber optic sensing for bridge and other structure.Second European Conference on Smart Structures and Materials, Glagow, Scotland, 12-14, October, 1994d, SPIE, 1994D: 162-167.

  [2] Gusmeroli V, Martinelli M, Barberis A. Thermal expansion messurements of a concrete structure by embedded fiber optic an effective example of simultaeous strail-temperature detection, Second European Conference on Smart Structures and Materials. Glagow, Scotland, 12-14, October, 1994d, SPIE, 1994D: 220-223.

  [3] M. Aufleger, Th. Strobl, J. Dornstadter. Fibre Optic Temperature Measurements for Dam Monitoring [C]. International Conference on Health Monitoring of Civil Infrastructure Systems, 24-26, October, 1994, Chongqing University Press, 121-128.

  [4] 胡曉東,胡小唐,劉文暉.基于布里淵放大的分布式光纖溫度傳感技術(shù)的研究 [J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),1999,(11): 678-681.

  [5] 張?jiān)谛鶎?,余向東,吳孝彪.分布式光纖傳感溫度報(bào)警系統(tǒng) [J].計(jì)量技術(shù),2000,(2):24-26.

  [6] 劉建勝,李錚,張其善.基于拉曼散射的光纖分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨力 [J].光學(xué)學(xué)報(bào),1999,(12):1673-1677.

 
 
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