分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究

分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究

　　摘要：以光纤分布式测温系统为手段，研究了三峡工程左厂14坝段浇筑过程中混凝土水化热的释放过程。结果表明，高程为140.56m的仓面，混凝土浇筑后3d，坝块内部上游面温度和中心点温度达到最高值，分别为34.75℃和26??85℃；坝块内部下游面温度达到最高值是混凝土浇筑后5d，为30.4℃；22～28d，坝块内部温度逐渐下降并趋于稳定。
　　关键词：三峡工程；温度；光纤传感；监测
　　几乎所有的混凝土坝施工期间都要采取措施进行温度控制，减小坝体内温度梯度，防止裂缝，确保大坝安全，及时和准确地获得大坝混凝土结构内部的温度场信息是大体积混凝土施工控制的关键。大坝运行期间，温度荷载是引起坝体变形和应力变化的主要荷载之一，因此对坝体运行期间温度场的监测也是安全监测的重要内容之一。传统坝体温度测量一般使用点式温度计，以热电偶式温度计为例，这种温度计本身具有较高的精度，但就工程实际应用而言，尚有许多不足，一支温度计只可测量一个点的温度，对工作的环境要求严，抗干扰能力差，安装复杂干扰施工，尤其是传统的温度计信息量太少，很难掌握整个坝体内部温度场的变化。作者经过近三年的论证和准备，率先引进了分布式光纤测温系统，并在三峡工程左厂14坝段大体积常态混凝土中进行了分布式光纤温度传感监测技术现场试验研究，实现了常态大体积混凝土浇筑施工过程温度场的实时监测，本文介绍其中的部分成果。
1 光纤温度传感方法发展与应用情况
　
　　加拿大学者Measures[1]等在加拿大Calgary一座两跨碳纤维钢筋混凝土预应力桥梁上，埋设了5套4通道Bragg光栅光纤传感系统，在桥梁建造过程中和使用期内检测其内部温度和应变。意大利学者Gusmeroli[2]等报道了他们将F-P光纤干涉传感器埋入一个5m长的混凝土梁中检测其热膨胀。瑞士皇家技术学院Smart公司的产品采用Brillouin散射光的分布式温度测量系统，它不但需要从光纤的一端输入脉冲激光光源，另一端输入连续激光光源，而且需要采取措施来分离温度效应的机械应变效应，所以其工程应用不是最佳选择。英国York Sensors Limited是国际上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公司，已经有20多年的历史，并一直在该技术领域中保持国际领先地位。通过测量发射光和接收定点反射光的时间差及光在光纤中的传播速度可精确地确定发生反射的位置(定位)，利用反射光中Raman反射光的温度依存性质，可以计算出发生反射的点的温度值。德国GTC公司同慕尼黑科技大学[3]利用York Sensors Limited的产品，在土耳其Birecik混凝土坝、约旦Wala坝等工程都做了应用性的研究工作。清华大学同慕尼黑科技大学在新疆石门子工程也做了较有意义的工作。成都电子科技大学光纤国家实验室与龙羊峡、刘家峡水电厂等合作，成功地开发了大型水、火发电机组的光纤温度传感器等多项传感技术，但都属点式测量。重庆大学光电子工程学院20世纪90年代初进行过光纤分布式测温技术的研究，取得了重要成果。天津大学[4]从传感器的结构特点和材料的物性系数出发，在理论上证明了光纤温度与Brillouin频移量之间存在线性关系。中国计量学院光电子技术研究所[5]研制了一种由分布式光纤温度传感器组成的新型在线自动温度检测系统，最近应用于煤矿火灾报警。北京航空航天大学[6]从光学的角度出发，分析了基于Raman反射的光纤分布式测温系统的空间分辨力理论极限及影响因素。宁波振东光电子有限公司与秦山核电厂合作，将分布式光纤测温系统用于电缆温度监控。
2 分布式光纤温度传感器的基本原理
　　向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会以略低于真空中的光速的速度向前传播，同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端，测量发入射光和反射光之间的时间差T，则发射散射光的位置距入射端的距离X为

式中：C为光纤中的光速，C=C0/n，C0为真空的光速；n为光纤的折射率。??
　　反射回入射端的反射光中，有一种称做Raman散射光。该Raman散射光含有两种成份：Stokes和Anti tokes光。其中Stokes光与温度无关，而Anti-Stokes光的强度则随温度变化。Anti-Stokes与Stokes之比和温度之间关系可用下式表示：

式中：las为Anti-Stokes光；ls为Stokes光；a为温度相关系数；h为普郎克系数(J·s)；c为真空中的光速(m/s)；v为拉曼平移量(m-l)；k为鲍尔次曼常数(J/k)；t为绝对温度值。
　　根据式(2)及实测Stokes-Anti-Stokes光之比可计算出温度值为：

　　光纤测温方式，直接测量的是Raman反射光中两种成分之比，与绝对值无关，因此既使光纤随时间老化，沿程光损失增加，仍可消除光损失的影响，从而可一直保证测温精度。
3 分布式光纤传感监测混凝土结构温度场
　　3.1 传感光缆与网络设计 左厂14坝段是三峡二期工程的最后一个大块体浇筑坝段，曾是塔带机的部位，块体仓面尺寸为32m×20m，仓面高程140.56m，薄层浇筑层厚1.5m，并在底部布置有蛇形冷却水管。仓面混凝土标号、骨料级配分区及设计的光纤传感网络如图1所示。传感光缆选用50μm的多模单芯不锈钢铠装光缆，直径3mm，它既保证了检测结果为纯混凝土温度值，又防止了混凝土浇筑过程对传感光缆的损伤，坝体内部共埋设传感光缆81.1m。

　　3.2 连接与检测 连接与检测由DTS Manager主控程序实现，包括PC与DTS的连接、系统参数装载、命令发送、图形显示及存储、区域显示、报警显示等。其中Zone Generator可产生一个批处理文件，通过命令文件可以设置关注区域、报警舆值。
　　3.3 中间成果及分析 光纤传感网络的埋设于4月2日完成，随即进行了检测，为了掌握坝块内部混凝土水化热实际的释放过程，一周内每天检测3次，分别选择在不同的环境温度下进行。混凝土浇筑后的3d(21:55)，坝块内部上游面温度达到最高值，传感点号115，网络定点位置118.975m，温度峰值为34.75℃，此时，实测光纤传感网络温度分布曲线如图2所示。其中：AB为光纤测温系统机内光纤段，BC为机外尾纤，CD为接线盒至进坝口的不锈钢铠装传输光缆，D点为传感网络进坝口，之后的不锈钢铠装光缆既传感又传输，随时可得到80个点的温度值。为验证检测成果的准确性，对进坝口D点前的AB、BC、CD段用常规温度计进行了测量，误差仅为0.1℃。由图1知，从113点开始，仓面底部没有布置蛇形冷却水管，115点的位置离冷却水管最远，距上游表面1.5m，这是造成图2FG段(113点～115点)在整个水化热释放过程中属最高温度分布区的重要原因之一。4d后，峰值温度开始逐渐下降，4月30日后趋于稳定，量值在2.4～25℃。

　　坝块内部下游面是第二个温度高值区(DE段，即78点～88点)，温度达到最高值是混凝土浇筑后的第5d(10:21)，峰值为30.4℃，网络定点位置87.451m此时，实测光纤传感网络温度分布曲线如图3所示。这一区域的仓面底部同样没有布置蛇形冷却水管，不过离冷却水管的距离只有1m；2个温度高值区的混凝土标号均为250，其他区域为150，这是造成2个温度高值区的又一重要原因；DE段4级骨料级配，而FG段3级骨料级配，这也促成了FG段最高温度分布区的形成。6d后，峰值温度开始逐渐下降，4月22日后趋于稳定，量值在23～25℃。
　　将实测上游面115点的温度过程线、下游面88点的温度过程线和传感网络内部中心100点的温度过程线绘于图4中，显见上游面115点温度过程线形成了外包络线，一直处于最高；下游面88点温度过程线处在中间，这是2个温度高值区，但二者下降较快，且速率几乎一样；网络内部中心100点的温度过程线在最下方，量值小，但下降速率要慢许多，有时略有回升。实际监测到的坝块内部混凝土水化热温度曲线属偏正态曲线，这与传统的温度计算理论及热传导理论成果是一致的。
4 结 论
　　(1)本文提出的常态大体积混凝土分布式光纤传感监测技术可实现大体积混凝土施工期和运行期的温度场监测，是对大坝温度监测传统仪器、理论和方法的变革和创新。(2)所优选的光纤分布式温度测量系统安装方便，可快捷、准确地检测到坝体混凝土结构内部温度场的变化，这对大坝的健康诊断和安全运行十分有利。(3)设计的光纤传感网络基本覆盖了32m×20m的浇筑仓面，且冷却水管、混凝土标号、骨料级配等对实际温度场的影响都能在温度分布曲线中较好的反应。蛇形冷却水管强迫降温效果明显；混凝土标号越高，混凝土水化热产生的温度越大；骨料级配大，对温度的影响越小。(4)在混凝土水化热变化的全过程中，整个仓面的最高温度发生在上游面115点，峰值为34??75℃，在设计允许值以内；28d后，温度逐渐下降，并趋于稳定，温度值在24～25℃之间。
　　致谢：本研究得到中国长江三峡工程开发总公司张超然总工程师的指导和帮助，并得到三峡大学资助，主要研究人员还有张存吉、张强林、刘秋满。
参 考 文 献：
　　[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] 胡晓东，胡小唐，刘文晖.基于布里渊放大的分布式光纤温度传感技术的研究 [J].天津大学学报，1999，(11): 678-681.
　　[5] 张在宣，郭宁，余向东，吴孝彪.分布式光纤传感温度报警系统 [J].计量技术，2000，(2)：24-26.
　　6] 刘建胜，李铮，张其善.基于拉曼散射的光纤分布式温度测量系统的空间分辨力 [J].光学学报，1999，(12)：1673-1677.
　　作者简介：蔡德所（1952-），男，湖北武汉人，教授，主要研究方向为水电工程安全监测的光纤传感技术及岩土工程静动力数值模拟。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2c59dffaaef8941ea76e0567.html