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2685℃；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3475℃，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.
