摘要：以光纖分布式測溫系統(tǒng)為手段，研究了三峽工程左廠14壩段澆筑過程中混凝土水化熱的釋放過程。結(jié)果表明，高程為140.56m的倉面，混凝土澆筑后3d，壩塊內(nèi)部上游面溫度和中心點溫度達到最高值，分別為34.75℃和2685℃；壩塊內(nèi)部下游面溫度達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
幾乎所有的混凝土壩施工期間都要采取措施進行溫度控制，減小壩體內(nèi)溫度梯度，防止裂縫，確保大壩安全，及時和準確地獲得大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場信息是大體積混凝土施工控制的關(guān)鍵。大壩運行期間，溫度荷載是引起壩體變形和應力變化的主要荷載之一，因此對壩體運行期間溫度場的監(jiān)測也是安全監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)壩體溫度測量一般使用點式溫度計，以熱電偶式溫度計為例，這種溫度計本身具有較高的精度，但就工程實際應用而言，尚有許多不足，一支溫度計只可測量一個點的溫度，對工作的環(huán)境要求嚴，抗干擾能力差，安裝復雜干擾施工，尤其是傳統(tǒng)的溫度計信息量太少，很難掌握整個壩體內(nèi)部溫度場的變化。作者經(jīng)過近三年的論證和準備，率先引進了分布式光纖測溫系統(tǒng)，并在三峽工程左廠14壩段大體積常態(tài)混凝土中進行了分布式光纖溫度傳感監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)場試驗研究，實現(xiàn)了常態(tài)大體積混凝土澆筑施工過程溫度場的實時監(jiān)測，本文介紹其中的部分成果。
1 光纖溫度傳感方法發(fā)展與應用情況
加拿大學者Measures[1]等在加拿大Calgary一座兩跨碳纖維鋼筋混凝土預應力橋梁上，埋設了5套4通道Bragg光柵光纖傳感系統(tǒng)，在橋梁建造過程中和使用期內(nèi)檢測其內(nèi)部溫度和應變。意大利學者Gusmeroli[2]等報道了他們將F-P光纖干涉?zhèn)鞲衅髀袢胍粋€5m長的混凝土梁中檢測其熱膨脹。瑞士皇家技術(shù)學院Smart公司的產(chǎn)品采用Brillouin散射光的分布式溫度測量系統(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分離溫度效應的機械應變效應，所以其工程應用不是最佳選擇。英國York Sensors Limited是國際上首家開發(fā)光纖分布式測溫系統(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)領域中保持國際領先地位。通過測量發(fā)射光和接收定點反射光的時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)，可以計算出發(fā)生反射的點的溫度值。德國GTC公司同慕尼黑科技大學[3]利用York Sensors Limited的產(chǎn)品，在土耳其Birecik混凝土壩、約旦Wala壩等工程都做了應用性的研究工作。清華大學同慕尼黑科技大學在新疆石門子工程也做了較有意義的工作。成都電子科技大學光纖國家實驗室與龍羊峽、劉家峽水電廠等合作，成功地開發(fā)了大型水、火發(fā)電機組的光纖溫度傳感器等多項傳感技術(shù)，但都屬點式測量。重慶大學光電子工程學院20世紀90年代初進行過光纖分布式測溫技術(shù)的研究，取得了重要成果。天津大學[4]從傳感器的結(jié)構(gòu)特點和材料的物性系數(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。中國計量學院光電子技術(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溫度檢測系統(tǒng)，最近應用于煤礦火災報警。北京航空航天大學[6]從光學的角度出發(fā)，分析了基于Raman反射的光纖分布式測溫系統(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，該脈沖光會以略低于真空中的光速的速度向前傳播，同時向四周發(fā)射散射光。散射光的一部分又會沿光纖返回到入射端，測量發(fā)入射光和反射光之間的時間差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光與溫度無關(guān)，而Anti-Stokes光的強度則隨溫度變化。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為絕對溫度值。
根據(jù)式(2)及實測Stokes-Anti-Stokes光之比可計算出溫度值為：
光纖測溫方式，直接測量的是Raman反射光中兩種成分之比，與絕對值無關(guān)，因此既使光纖隨時間老化，沿程光損失增加，仍可消除光損失的影響，從而可一直保證測溫精度。
3 分布式光纖傳感監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)溫度場
3.1 傳感光纜與網(wǎng)絡設計 左廠14壩段是三峽二期工程的最后一個大塊體澆筑壩段，曾是塔帶機的部位，塊體倉面尺寸為32m×20m，倉面高程140.56m，薄層澆筑層厚1.5m，并在底部布置有蛇形冷卻水管。倉面混凝土標號、骨料級配分區(qū)及設計的光纖傳感網(wǎng)絡如圖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，它既保證了檢測結(jié)果為純混凝土溫度值，又防止了混凝土澆筑過程對傳感光纜的損傷，壩體內(nèi)部共埋設傳感光纜81.1m。
3.2 連接與檢測 連接與檢測由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、區(qū)域顯示、報警顯示等。其中Zone Generator可產(chǎn)生一個批處理文件，通過命令文件可以設置關(guān)注區(qū)域、報警輿值。
3.3 中間成果及分析 光纖傳感網(wǎng)絡的埋設于4月2日完成，隨即進行了檢測，為了掌握壩塊內(nèi)部混凝土水化熱實際的釋放過程，一周內(nèi)每天檢測3次，分別選擇在不同的環(huán)境溫度下進行。混凝土澆筑后的3d(21:55)，壩塊內(nèi)部上游面溫度達到最高值，傳感點號115，網(wǎng)絡定點位置118.975m，溫度峰值為34.75℃，此時，實測光纖傳感網(wǎng)絡溫度分布曲線如圖2所示。其中：AB為光纖測溫系統(tǒng)機內(nèi)光纖段，BC為機外尾纖，CD為接線盒至進壩口的不銹鋼鎧裝傳輸光纜，D點為傳感網(wǎng)絡進壩口，之后的不銹鋼鎧裝光纜既傳感又傳輸，隨時可得到80個點的溫度值。為驗證檢測成果的準確性，對進壩口D點前的AB、BC、CD段用常規(guī)溫度計進行了測量，誤差僅為0.1℃。由圖1知，從113點開始，倉面底部沒有布置蛇形冷卻水管，115點的位置離冷卻水管最遠，距上游表面1.5m，這是造成圖2FG段(113點～115點)在整個水化熱釋放過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)部下游面是第二個溫度高值區(qū)(DE段，即78點～88點)，溫度達到最高值是混凝土澆筑后的第5d(10:21)，峰值為30.4℃，網(wǎng)絡定點位置87.451m此時，實測光纖傳感網(wǎng)絡溫度分布曲線如圖3所示。這一區(qū)域的倉面底部同樣沒有布置蛇形冷卻水管，不過離冷卻水管的距離只有1m；2個溫度高值區(qū)的混凝土標號均為250，其他區(qū)域為150，這是造成2個溫度高值區(qū)的又一重要原因；DE段4級骨料級配，而FG段3級骨料級配，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℃。
將實測上游面115點的溫度過程線、下游面88點的溫度過程線和傳感網(wǎng)絡內(nèi)部中心100點的溫度過程線繪于圖4中，顯見上游面115點溫度過程線形成了外包絡線，一直處于最高；下游面88點溫度過程線處在中間，這是2個溫度高值區(qū)，但二者下降較快，且速率幾乎一樣；網(wǎng)絡內(nèi)部中心100點的溫度過程線在最下方，量值小，但下降速率要慢許多，有時略有回升。實際監(jiān)測到的壩塊內(nèi)部混凝土水化熱溫度曲線屬偏正態(tài)曲線，這與傳統(tǒng)的溫度計算理論及熱傳導理論成果是一致的。
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)測技術(shù)可實現(xiàn)大體積混凝土施工期和運行期的溫度場監(jiān)測，是對大壩溫度監(jiān)測傳統(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量系統(tǒng)安裝方便，可快捷、準確地檢測到壩體混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的變化，這對大壩的健康診斷和安全運行十分有利。(3)設計的光纖傳感網(wǎng)絡基本覆蓋了32m×20m的澆筑倉面，且冷卻水管、混凝土標號、骨料級配等對實際溫度場的影響都能在溫度分布曲線中較好的反應。蛇形冷卻水管強迫降溫效果明顯；混凝土標號越高，混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度越大；骨料級配大，對溫度的影響越小。(4)在混凝土水化熱變化的全過程中，整個倉面的最高溫度發(fā)生在上游面115點，峰值為3475℃，在設計允許值以內(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：本研究得到中國長江三峽工程開發(fā)總公司張超然總工程師的指導和幫助，并得到三峽大學資助，主要研究人員還有張存吉、張強林、劉秋滿。
參 考 文 獻：
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[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].天津大學學報，1999，(11): 678-681.
[5] 張在宣，郭寧，余向東，吳孝彪.分布式光纖傳感溫度報警系統(tǒng) [J].計量技術(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量系統(tǒng)的空間分辨力 [J].光學學報，1999，(12)：1673-1677.
