DTS在萬家口子水電站大壩溫度場監測中的應用

(廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

碾壓式混凝土壩澆筑具有施工質量容易控制、施工機械化程度高、施工工藝便于流水作業、施工工期短等優點，越來越受到工程人士的青睞。 但由于大型碾壓混凝土壩在施工和運行過程中不可避免地受到溫度負荷影響，使得大壩混凝土易產生溫度裂縫，對大壩的防滲、耐久性及安全均產生隱患，可能造成不必要的人身和財產損失。因此，在施工期間的溫控監測和施工完成后的運營期間，溫度場監測是大壩安全監測的重要任務。目前監測大壩溫度通常使用埋地溫度計。雖然這種方法在單點溫度測量中具有相當高的精度，但是很難在復雜多變的實際工程環境中運用。

分布式光纖測溫系統(DTS)具有線形連續測量光纖沿程溫度值的優點，而且可以精確空間定位發生點，設置預警值，及時、具體地關注壩體內部混凝土溫度場的實時變化[1]。DTS的這些優點在云南萬家口子水電站大壩溫度場的監測過程中得到了充分的發揮。

1 DTS基本原理

DTS克服了傳統大體積壩體混凝土澆筑后溫度監測信息缺乏、監測設備安裝方法復雜等缺點，充分利用了DTS在空間精確定位方面的優勢。為有效防止大壩建設和運營過程中的溫度裂縫提供了技術指導。

1.1 DTS測距原理

當光脈沖沿著光纖傳輸時，該光脈沖在以接近光速傳播的同時向光纖周圍發出散射光。該散射光的一部分將返回到入射端，并通過測量，得到相應的入射光和反射光之間的時間差T。距離發射散射光的位置的距離X可以通過以下公式計算：

(1)

其中C——光纖中的光速，C=C0/n；

C0——真空的光速；

n——光纖的折射率。

1.2 DTS測溫原理

反射回到入射端的反射光，主要包括瑞利(Rayleigh)散射光和拉曼(Raman)散射光。由于瑞利散射受溫度變化的影響較小，因此可以忽略不計。 而拉曼(Raman) 散射包含斯托克斯(Stokes)散射和反斯托克斯(Anti—Stokes)散射，在斯托克斯(Stokes) 散射中,該光與溫度變化無關，但是 Anti—Stokes散射中的 Anti—Stokes光則隨溫度的變化而變化，其關系可用下式表示：

(2)

式中las——Anti—Stokes光；

ls——Stokes光；

a——溫度相關系數；

h——普郎克系數，J·s；

c——真空中的光速，m/s；

v——拉曼平移量，m-1；

k——鮑爾次曼常數，J/k；

t——絕對溫度值。

通過實測的Anti—Stokes與Stokes光之比，代入上式(2)，可得溫度值t為：

(3)

從上面的公式(3)可以看出，在其他的量為常數時，溫度值僅與反斯托克斯光與斯托克斯光的比值有關，并且與絕對值無關。因此，光纖測量的精度不隨光纖時間的老化和沿路徑的光學損耗的增加而改變。

2 分布式測溫光纖的鋪設工藝

為監測大壩內部溫度場變化，在萬家口子水電站4號壩段1315m高程處，嵌入133m單芯不銹鋼鎧裝多模光纖電纜(纖芯50μm，直徑5mm)，可連續監測大壩130多個溫度點的溫度值。其中，冷卻水管布置在光纖下方0.5m的混凝土層中。光纖布置如圖1所示[3]。

圖1 4號壩1315米處測溫光纜布置

3 分布式光纖傳感監測的溫度場變化分析

4號壩段1315m高程光纖于5月7日埋設完成。 為了及時了解RCC混凝土的溫度場變化，進行了DTS監測。

a.為了確保測量的準確性，監測過程中，分別進行常規溫度計測量和分布式光纖測量。經對比分析，兩種測量方式所得到的測量結果十分接近，誤差不超過±0.2℃，說明采用分布式光纖測量監測的結果是可靠的[4]。

b.為了具體掌握壩內混凝土水化熱的實際釋放過程[4]，經過一系列連續分布式光纖監測后，壩體上游表面混凝土的最高溫度發生在澆筑混凝土后的第14天。即在5月21日，感應點數209，網絡定點位置為211.6m，溫度峰值為35.3℃。分布式光纖壩上游表面209點光纖傳感網絡的溫度分布曲線如圖2所示。 其中I點為傳感網絡的進壩口，A和I之間的光纜為4號壩段1315m高程壩內埋設光纖。根據4號壩段冷卻水管的布置圖，已知在壩上游表面附近的筒倉表面的底部沒有設置蛇形冷卻水管。這是在DE段、HI段和圖2中的A點附近的整個水化放熱過程中產生溫度峰值的重要原因之一。第15天后，大壩內混凝土水化熱的峰值溫度開始逐漸降低，直至混凝土溫度穩定。

日期: 5—21，時間: 19∶26∶58，氣溫:25.8℃(溫度計測量)，天氣: 晴，水箱溫度:24.2℃(溫度計測量),24.1℃(光纖測量)。

圖2 上游表面達到209點最高溫度時測光纖溫度分布

c.第二個溫度高值區為4號壩段1315m高程壩體內部下游面的BC段、FG段。壩體下游側混凝土的最高溫度發生在混凝土澆筑后的第16天，發生在5月23日。傳感點185號，網絡定點位置為186.9 m，溫度峰值為33.4℃，分布式光纖測量大壩下游表面185點光纖傳感網絡的溫度分布曲線如圖3所示。在壩下游表面附近5m范圍內也沒有蛇形冷卻水管; 在大壩的上下兩面，DE段的具體標志和兩個混凝土水化熱溫度高值區域的FG段均為250。 在其他區段是150。兩個高溫區出現的另一個重要原因是4號壩段1315 m高程的上游表面是次級骨料級配，下游表面是三級骨料級配，這也導致 DE段形成壩中混凝土水化熱的最高溫度峰值。第17天后，大壩內混凝土水化熱的峰值溫度開始逐漸降低，直至混凝土溫度穩定。

日期: 5—23，時間: 19∶18∶13，氣溫:19.6℃(溫度計測量)， 天氣: 陰，水箱溫度:20.55℃(溫度計測量),20.5℃(光纖測量)。

圖3 下游表面達到185點的最高溫度時測光纖溫度分布

d.為了更加直觀地描述4號壩段1315 m高壩內混凝土水化熱溫度場的變化趨勢，分別繪制壩的上游表面 A，D，E和H的四個特征點的溫度處理線。壩下游面四個特征點的溫度過程線B，C，F，G，具體的溫度變化趨勢如圖4和5所示。

圖4 4號壩1315米高程二級配碾壓混凝土區光纖A、D、E、H點溫度變化線

圖5 4號壩1315米高程三級配碾壓混凝土區光纖B、C、F、G點溫度變化線

從各特征點的溫度線可以看出，在5月7—10日的四天期間，混凝土溫度的上升速度較快。這是因為混凝土在初凝過程中，水化反應劇烈，釋放了大量的水化熱。混凝土溫度的上升速度從5月17—21日逐漸減緩，混凝土溫度的上升速度甚至更慢。原因是在5月7—21日期間，混凝土水化熱基本達到最高值。5月22日之后，冷卻水管帶走的熱量大于混凝土后期水化熱產生的熱量，使混凝土的溫度開始下降。另外，從5月7日—6月3日的CD段的特征點C和D的溫度線，除了D溫度在5月12日之前略有增加外，其余溫度一直處于緩慢下降階段，這表明CD段附近的位置受到大壩冷卻水管冷卻的影響。表明大壩中的冷卻水管對大壩的溫度下降影響明顯，并且還影響了大壩其他位置的溫度變化。

就 AB、CD、EF和 GH段而言，二級級配區點 A，D，E和H附近的溫度高于三級級配區AB，CD，EF和GH部分其他位置。其中AB段兩者溫差在1℃左右，CD段兩者溫差在2.5℃左右，EF段兩者溫差在1.5℃左右，GH段兩者溫差在2℃左右。

4 結 論

a.萬家口子水電站大壩溫度場監測分布式光纖傳感技術克服了傳統點溫計測量的不足。能夠實現實時連續監測溫度值，光纖測量的精度不隨光纖埋設時間的長短而變化，也不會沿路徑的光學損耗發生變化。同時，它可以準確定位空間發生的點的位置。

b.為了確保測量的準確性，監測過程中分別進行常規溫度計測量和分布式光纖測量。經對比分析，兩種測量方式所得到的測量結果十分接近，誤差不超過±0.2℃，說明采用分布式光纖測量監測的結果是可靠的。

c.萬家口子水電站4號壩段1315m高程壩體內部上游面混凝土溫度達到最高值發生在混凝土澆筑后的第14天，溫度峰值為35.3℃，在設計允許范圍之內；隨后溫度逐漸降低直至穩定。

d.不同混凝土級配對實測光纖溫度場監測數據的結果表明，該壩段高程處混凝土的骨料級配與澆筑后產生的混凝土水化熱的溫度成反比。