摘要:本文基于分布式光纖測溫的技術(shù)優(yōu)勢，對傳統(tǒng)的測溫光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并成功地應(yīng)用于景洪電站大壩混凝土溫度和滲流定位監(jiān)測，屬于國內(nèi)首創(chuàng)。在目前國內(nèi)沒有相應(yīng)規(guī)范參考的前提下，首創(chuàng)性地提出了對這一特殊結(jié)構(gòu)形式測溫光纜的溫度檢驗(yàn)方法，并介紹了該光纜的鋪設(shè)工藝和實(shí)測成果。改進(jìn)后的測溫光纜在碾壓混凝土中的埋設(shè)成活率為100%，光纖溫度分辨率為0.590，空間分辨率為0.5m。實(shí)測成果表明分布式光纖測溫系統(tǒng)能快捷、準(zhǔn)確地監(jiān)測大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的變化，為有效地評價(jià)大壩安全提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)健詞:水利工程管理;溫度;監(jiān)測;分布式光纖;測溫系統(tǒng);景洪電站
中圈分類號:TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
0 前言
分布 式 光 纖集傳感與傳輸于一體、一次獲取的信息量大、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與監(jiān)控等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于通信、國防軍工、工業(yè)、火災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。近年來，我國正在將分布式光纖逐步應(yīng)用于水利水電工程，用以大壩混凝土溫度監(jiān)測、滲流定位監(jiān)測、裂縫監(jiān)測等。但是，以前大多水利工程只是用以工程試驗(yàn)研究或小規(guī)模的使用，沒有形成大規(guī)模，且光纖的埋設(shè)成活率較低?；趯Ψ植际焦饫w測溫技術(shù)全面掌握和了解，我們對測溫光纜的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn)，并在瀾滄江流域景洪電站大壩混凝土內(nèi)大規(guī)模地布置了分布式測溫光纖，對大壩混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)控。本文將介紹分布式光纖及光纖測溫系統(tǒng)在景洪電站大壩混凝土溫度監(jiān)測中的應(yīng)用研究。
1 分布式光纖測溫原理及優(yōu)點(diǎn)
光在 光 纖 中傳輸時(shí)，與光纖中的分子、雜質(zhì)等相互作用，發(fā)生米氏散射、瑞利散射、布里淵散射和喇曼散射等。
其中喇曼散射是由于光纖中分子的熱運(yùn)動(dòng)與光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，它包含有Stokes(斯托克斯光)和Anti-Stokes(非斯托克斯光)，其中，Stokes光與溫度無關(guān)，而Anti-Stokes光的強(qiáng)度隨溫度的變化而變化，由斯托克斯光與非斯托克斯光光子數(shù)之比和溫度的定量關(guān)系，可得溫度值T;光子數(shù)以信號電平由測溫系統(tǒng)測得。
式中，To為基線的絕對溫度，h為普朗克常數(shù)(J"s) ;k 為玻爾茲曼常數(shù)(J/K);AX 為拉曼光頻率增量，na(T).na(T)分別為溫度為T時(shí)Stokes和Anti-Stokes光光子數(shù)(信號電平)，n,(To).na(To)為溫度為To時(shí)Stokes和Anti-Stokes光的光子數(shù)(信號電平)。
對測 量 點(diǎn) 的沿程空間精確定位是通過OTDR( OpticalT imeD omainR eflection)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，利用人射光和后向散射光之間的時(shí)間差△t‘和光纖內(nèi)的光速Ck，可以計(jì)算不同散射點(diǎn)的位置距人射端的距離X;，因而可以得到光纖份程兒半連續(xù)的溫度分4f，
為石間散射}Z_盯同。
分布式傳感型光纖測溫系統(tǒng)其主要優(yōu)點(diǎn)有:
1)信 息 量 大。由于光纖任一點(diǎn)都是“傳感器”，分布式光纖測溫系統(tǒng)能在整個(gè)連續(xù)光纖的長度(目前我國控制在2km內(nèi))上以距離的連續(xù)函數(shù)的形式傳感出被測參數(shù)隨光纖長度方向的變化，對其周圍的物理量進(jìn)行測定。
2) 自 動(dòng)化 程度高。分布式光纖測溫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以依據(jù)工程需要設(shè)置最高溫度、最低溫度、平均溫度及溫升(降)速率等物理量的報(bào)警級別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警預(yù)報(bào)和遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。
2 改進(jìn)后的測溫光纜結(jié)構(gòu)
光纖 的大 小形如人體的頭發(fā)絲，不能用來直接測試大壩混凝土溫度。在以往的光纖測溫實(shí)驗(yàn)或工程應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)光纖被折斷而導(dǎo)致光纖的成活率很低，實(shí)驗(yàn)表明普通的通訊光纜或裸纖在碾壓混凝土中的埋設(shè)成活率幾乎為零?；谶@一情況，我們對測溫光纜的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn)并提出了特殊的制作要求;1)光纜的抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度滿足碾壓混凝土施工要求;2)光纜保護(hù)層材料的導(dǎo)溫系數(shù)應(yīng)滿足本測試系統(tǒng)分辨要求。本工程采用特殊GYTS一4D型號的測溫光纜，這種光纜除了增加普通的光纖芯數(shù)外，還增加內(nèi)置鋼絲、銅絲(留作滲流定位監(jiān)測時(shí)使用)，外有金屬護(hù)套。這種結(jié)構(gòu)型式的光纜具有較高的抗壓、抗折強(qiáng)度(目前該工程的光纜埋設(shè)完好率為100%)，光纜安裝簡便，不受侵蝕、震動(dòng)及電磁場的影響。同時(shí)，這種光纜對溫度極其敏感，光纜的空間分辨率和溫控范圍均滿足大壩混凝土溫控要求，除對大壩混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)測外，還可用于大壩滲流定位監(jiān)測。
3 測溫光纜的溫度檢驗(yàn)
與常 規(guī) 監(jiān) 測儀器一樣，分布式光纖測溫系統(tǒng)在大壩混凝土溫度測試前，必須對測溫光纜的溫度常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，但是目前國內(nèi)沒有光纜的溫度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，我們只能依據(jù)測溫光纜的傳感溫度(DTS測試)與環(huán)境溫度(常規(guī)溫度計(jì)測試)成線性的關(guān)系這一原理進(jìn)行率定。由于光纜的長度一般達(dá)到數(shù)公里，在標(biāo)定過程中。我們只對其中的一段(一般50m或loom)進(jìn)行標(biāo)定。
光纜 的溫 度系數(shù)主要由光纜材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)決定，在標(biāo)定過程中，因?yàn)楣饫|的測溫系數(shù)是未知的，不能準(zhǔn)確測出光纜的溫度絕對值，只設(shè)置經(jīng)驗(yàn)參數(shù)測試不同標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的檢驗(yàn)溫度值，由于檢驗(yàn)溫度值與標(biāo)準(zhǔn)溫度呈正相關(guān)線性關(guān)系，這樣就測出給定參數(shù)條件下光纜的溫度系數(shù)k。在標(biāo)定過程中，我們考慮景洪電站大壩混凝土施工過程(或運(yùn)行過程)的溫度范圍，確定對測溫光纜的溫度檢驗(yàn)范圍，確保測溫光纜溫度檢驗(yàn)參數(shù)的精確性，在實(shí)際標(biāo)定過程中，我們在恒溫槽中分別對光纜加熱(或冷卻)至溫度IOT ,300C ,50cC ,70℃四級標(biāo)準(zhǔn)溫度，每級溫度穩(wěn)定時(shí)間超過30分鐘，溫度檢驗(yàn)時(shí)每級標(biāo)準(zhǔn)溫度對應(yīng)的測試檢驗(yàn)溫度的個(gè)數(shù)超過30個(gè)(每個(gè)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間約3分鐘)，取其算術(shù)平均值計(jì)算光纜的溫度檢驗(yàn)參數(shù)，如圖1。實(shí)測成果表明這一率定方式是成功的。
4 測溫光纜的鋪設(shè)
景洪 電 站 大壩混凝土溫度測溫光纜主要布置在碾壓混凝土層，但是在部分高程中，為了解碾壓混凝土和常態(tài)混凝土溫度變化差異，也布置了一定數(shù)量的光纖，布置過程中，同一層面中光纜布置間距為5m左右，從下往上，每層測溫光纜的層間距為5一6m不等。為有效檢驗(yàn)測溫光纜的精度和空間分辨率，在某一高程層面中心軸線上布置了一定數(shù)量的常規(guī)溫度計(jì)。典型層面光纜布置見圖30在水 工 混 凝土施工過程中，分布式光纖的埋設(shè)分兩種情況，一種是在混凝土澆筑過程中埋設(shè)，即埋設(shè)在混凝土熱升層，另外一種是在某層混凝土澆筑完畢，下倉混凝土開倉前埋設(shè)，即埋設(shè)在混凝土冷升層。在混凝土熱升層埋設(shè)光纜的步驟如下:
1)開 槽 : 在混凝土澆筑過程中，在設(shè)計(jì)高程的倉面上先沿光纖設(shè)計(jì)布設(shè)線路開挖一條光纜槽，光纜槽的深度約5一locmo
2)敷 設(shè) : 在光纜槽內(nèi)敷設(shè)光纜，將光纜敷設(shè)平順，在兩種混凝土之間或拐彎部位，適當(dāng)將光纜放松，拐彎半徑大于15倍光纜直徑(約15cm)o
3)定 位 :測量光纜布置平面位置，并記錄光纜刻度，繪制光纜平面布置草圖。
4) 回填 :剔除粗骨料，人工回填混凝土并整平。
在混 凝 土 冷升層埋設(shè)光纜的步驟如下:
1)鋪 設(shè) : 在設(shè)計(jì)高程的倉面上鋪設(shè)光纜，力求保持光纜鋪設(shè)平順，拐彎半徑大于15倍光纜直徑(約15cm)，每隔2米用水泥釘固定光纜。
2) 定 位 :測量光纜布置平面位置，并記錄光纜刻度，繪制光纜平面布置草圖。
3)覆 蓋 :在混凝土澆筑期間，讓混凝土自然覆蓋光纜。
5 實(shí)測成果及分析
5.1 分布式光纖實(shí)測溫度的真實(shí)性
為有 效 了解分布式光纖實(shí)測大壩混凝土溫度的真實(shí)性，在中心斷面部位將常規(guī)溫度計(jì)綁扎在測溫光纜上，同時(shí)對大壩混凝土溫度進(jìn)行測定。兩者成果對照見表10
從光 纖 與 溫度計(jì)實(shí)測大壩混凝土溫度可以看出:光纖和溫度計(jì)實(shí)測大壩混凝土溫度基本一致，兩者實(shí)測大壩混凝土溫度差在0.5℃以內(nèi)，考慮到測溫光纖的最小分辨率(0.5cC)和溫度計(jì)的最小分辨率(0.1cc )，測溫光纖實(shí)測混凝土溫度是相當(dāng)準(zhǔn)確的。其次，光纖和溫度計(jì)實(shí)測大壩混凝土溫度變化趨勢基本一致，呈良好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.997，光纖實(shí)測大壩混凝土溫度是真實(shí)可靠的。
5.2 分布式光纖實(shí)測大壩混凝土溫度特征統(tǒng)計(jì)
分布 式 光 纖測溫系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，有利于大壩混凝土溫控工作?，F(xiàn)將景洪電站12#壩段大壩混凝土澆筑期間光纖實(shí)測混凝土溫度特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。從表2可以看出:1)分布式光纖實(shí)測大壩部分層面混凝土最高溫度超過了設(shè)計(jì)允許最高溫度;2)各層面混凝土最高溫度大部分出現(xiàn)在其澆筑后的7天左右，混凝土溫升在8一巧℃之間。
本工程中，受天氣條件的影響(景洪電站地處熱帶雨林氣候)，混凝土開倉時(shí)壩區(qū)氣溫一般在30℃左右，混凝土人倉后溫升快，導(dǎo)致部分層面混凝土溫升過高。由于對大壩混凝土進(jìn)行了及時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)溫升超標(biāo)部位及時(shí)采取了溫控措施，如降低冷卻水水管的進(jìn)口水溫和增加冷卻水流量等。分布式光纖測溫系統(tǒng)在本工程的溫控中提供了科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)，并結(jié)合有效的溫控措施，本工程大壩混凝土沒有出現(xiàn)明顯的溫度裂縫。
5.3 分布式光纖實(shí)測混凝土溫度峰值說明
大壩 混 凝 土溫度受混凝土的人倉溫度、冷卻方式、養(yǎng)護(hù)方式、水灰比、混凝土標(biāo)號及類別、齡期、大壩約束邊界條件等因素的影響，在不同時(shí)期、不同部位分布式光纖實(shí)測大壩混凝土溫度變化規(guī)律不同，出現(xiàn)了一些有規(guī)律的溫度“峰值”。
圖 2(a)為 2004年12月1日(543高程混凝土澆筑后第7天)光纖實(shí)測大壩混凝土溫度分布曲線。圖中“A'，點(diǎn)為光纖上升牽引端，" E'’點(diǎn)為光纖垂直上升觀測端。從圖2(a)可見看出:分布式光纖實(shí)測三個(gè)層面大壩混凝土溫度均較明顯地出現(xiàn)了1一2個(gè)峰值，即溫度最高點(diǎn)，圖2(a)中“B，，、“C，，、“D，，三點(diǎn)對應(yīng)溫度分別為34.59T、 31.40 cC 、 31.04 cC ，對應(yīng)三個(gè)層面的坐標(biāo)(壩縱，壩橫)分別為:DO+38.2,0一024;DO + 3 8.0,0+ 0 24;DO + 0 2.2,0 一024。由此可見，受邊界條件影響和制約，這三個(gè)層面混凝土溫度的最高部位均處于中心斷面;其次，每個(gè)層面交界處光纜實(shí)測混凝土溫度出現(xiàn)陡增(或陡降)變幅為4.5℃左右，說明每個(gè)層面附近的混凝土溫度梯度較大。
圖 2( b) 為6月21日分布式光纖實(shí)測大壩549高程以上的混凝土溫度分布曲線。從圖2(b)可見:549高程以上各層面混凝土出現(xiàn)了很多有規(guī)律的溫度峰值，即“波峰”和“波谷”，“峰”“谷”之間的溫度差為7℃左右。
分析 其 原 因是:施工期，為有效控制混凝土溫升過大導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，每個(gè)層面均布置有冷卻水管通水冷卻。光纖的布置與冷卻水管呈平行狀，見圖3。現(xiàn)結(jié)合圖3和圖2(b)來解釋混凝土溫度峰值問題。以566高程為例，圖2(b)“波谷”即“1,2,3,4'，點(diǎn)對應(yīng)光纖刻度分別為253.5,285.5,315.5,345.0， 這四個(gè)部位均位于光纖與冷卻水管交叉部位的附近，很顯然“波谷”的出現(xiàn)是因冷卻水管在通水過程中導(dǎo)致其附近混凝土溫度下降引起，而此時(shí)549高程已經(jīng)停止通冷卻水，在該圖中這一峰值現(xiàn)象已經(jīng)不明顯;圖2(b)“波峰”即“工、n、班、W”點(diǎn)對應(yīng)光纖刻度分別為273.0,299.0,330,359，這四個(gè)點(diǎn)基本上均位于距離大壩下游側(cè)20一22m部位的一條直線上，即為該高程大壩混凝土溫度最高區(qū)域。該壩段566高程處大壩長度(壩軸線方向)為20m，壩寬40m，很顯然受邊界條件的影響，大壩中心部位混凝土溫度最高，即溫度“波峰”。
由此 可 見 :分布式光纖實(shí)測大壩混凝土溫度峰值真實(shí)反映了混凝土內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律，溫度曲線的峰值正常地反映了澆筑層混凝土溫度的變化情況。這說明分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用于大體積混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測是可取的。
6 結(jié)論
1)分 布 式 光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用于景洪電站大壩溫度監(jiān)測是成功的，測溫系統(tǒng)實(shí)測大壩混凝土溫度真實(shí)可靠。
2)光 纜 鋪 設(shè)的質(zhì)量和埋設(shè)成活率，是分布式光纖測溫工作成功與否的關(guān)鍵。改進(jìn)后的測溫光纜滿足本工程碾壓混凝土的強(qiáng)度要求，埋設(shè)成活率為100%。但是在安裝埋設(shè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制光纜的拐彎半徑，并準(zhǔn)確記錄光纜的埋設(shè)坐標(biāo)以及光纜與冷卻水管等其他構(gòu)件的相對距離等。
3)分 布 式 光纖測溫系統(tǒng)能夠在線實(shí)時(shí)地快速獲得壩體混凝土的溫度場分布，它是混凝土性能分析、施工管理的質(zhì)量、溫度控制等方面分析的重要科學(xué)依據(jù)。真實(shí)、及時(shí)了解混凝土澆筑層面溫度變化規(guī)律，是深人研究溫度變化與出現(xiàn)裂縫的關(guān)系，提高施工質(zhì)量的有效方法。
4) 分 布 式光纖測溫系統(tǒng)實(shí)測大壩混凝土溫度曲線能夠準(zhǔn)確地反映施工期不同標(biāo)號和性態(tài)的混凝土水化熱溫升情況，能真實(shí)地了解混凝土澆筑層面溫度的變化規(guī)律，為有效地評價(jià)大壩后續(xù)運(yùn)行期碾壓混凝土層間滲流情況(增加加熱裝置)提供了科學(xué)依據(jù)。
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