基于光纖測溫傳感器的壩前水庫和升船機塔柱監測資料分析

劉勇軍，丁琦華，耿 峻

（1.中國長江三峽集團有限公司流域樞紐運行管理中心，湖北省宜昌市 443133；2.中國長江三峽集團有限公司湖北能源集團股份有限公司，湖北省武漢市 430077）

0 引言

三峽升船機是三峽水利樞紐的永久通航設施之一，為齒輪齒條爬升式垂直升船機，設計最大過船噸位為3000t級客貨輪，年單向通過能力350萬t，最大垂直升降高度113m，上、下游通航水位變幅分別為30m和11.8m，具有工程規模大、升降高度高、提升重量重、上下游水位變幅大及下游水位變化快等特點，是目前世界上規模最大、技術難度最高的通航建筑物。升船機由上游引航道、上閘首、船廂室、下閘首和下游引航道組成，主體結構主要由船廂室混凝土底板、四個混凝土承重塔柱、剪力墻、連接梁和頂部機房等組成。

三峽升船機每個承重塔柱的底板為實體混凝土，板底高程為48.0m，板頂高程為63.0m，63.0m至194.5m高程范圍內為具有4個豎井的“雙日字”空心箱體結構[1]。因此，三峽升船機塔柱為混凝土高聳薄壁結構，塔柱變形與應力應變等受溫度變化影響較大，需對三峽升船機塔柱溫度的分布及變化進行系統觀測。同時為了解三峽大壩庫水溫度及其變化規律，對蓄水后的壩前庫水溫度進行系統觀測。

1 光纖溫度傳感器種類及其原理

光纖溫度傳感器種類繁多，主要有分布式、光柵式、輻射式、半導體吸收式、光纖熱色、光纖液體、光纖熒光、外差干涉、光纖偏振、干涉型、利用熱雙金屬片構成等多種類型[2]。因其種類繁多，光纖溫度傳感器在水利水電[3，4]、建筑、隧洞、邊坡、橋梁、航空、電力、交通等眾多領域均有應用。光纖溫度傳感器采用的原理、結構、式樣最多，其潛在的優點[5，6]是測量精度高、抗電磁干擾、安全防爆、可繞性好。

壩前庫水溫度監測分布式光纖測溫系統采用定制的2芯多模雙護套鎧裝光纜，使用美國SensorTran公司生產的DTS5100-M10光纖解調儀進行數據采集。升船機塔柱光纖光柵溫度傳感器及壩前18個光柵光纖溫度傳感器規格和型號為BGK-FBG-4700型光纖光柵溫度計，雙護套單模單芯鎧裝光纜連接，使用BGK-FBG-8210調制解調器進行數據采集。下面結合本文應用簡要介紹分布式光纖和光纖光柵溫度傳感器的原理。

1.1 分布式光纖測溫原理

分布式光纖集傳感測溫與信號傳輸于一體，采用特定頻率的光照射光纖內的玻璃芯，隨著光在玻璃芯內傳輸會產生瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等類型的輻射散射[7]。其中拉曼散射式的分布式光纖測溫具有較成熟的產品。

分布式光纖測溫原理[8-11]主要利用OTDR技術（光時域反射技術）和拉曼散射溫度效應。OTDR技術是利用反射光功率與返回時間的關系檢驗出光纖線路沿線的損耗及故障，以探測出光纖沿線位置的溫度、應變的變化。拉曼散射是入射光光子與光纖中分子發生碰撞作用發生能量交換而產生的，碰撞造成入射光反射，反射光強度與反射點的溫度有關，反射點溫度越高，發射光強度越大。分布式光纖系統能連續、實時測量溫度，具有實時在線、測溫精度高、安全和抗電磁干擾等優點。

1.2 光纖光柵測溫原理

光纖由芯層和包層組成，主要成分為SiO2，在芯層特殊摻雜下使芯層折射率n大于包層折射率n2大，通過光反射使光在芯層傳播。光纖沿線芯層有著大小不同的折射率n1，從而形成光柵。入射光在具有特定折射率的光柵處反射特定波長（布拉格波長）的光。若光柵處溫度改變，受熱脹冷縮影響，光柵處反射光波長也會變化，通過測量反射光波長可知光柵處溫度變化。光纖光柵分布式傳感器系統原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖光柵傳感器原理圖Figure 1 Schematic diagram of distributed fiber Bragg grating sensor

光纖光柵傳感系統中串接有多個光柵，各光柵常數不同，入射光在光柵處反射不同波長的光，反射光經分路器進入光纖光柵解調儀，解調儀信號探測處理器可探測到反射光波長及變化，經過處理，能得到各光柵處的實際溫度。

光纖光柵傳感器除了具有普通光纖傳感器的許多優點外，還有一些明顯優于光纖傳感器的地方，其中最重要的就是它的信號為波長調制。這一傳感機制的好處[12]在于：①測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；②避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要；③能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個布拉格光柵進行分布式測量。另外，光纖光柵很容易埋入材料中對其內部的應變和溫度等進行高分辨率和大范圍地測量。

2 光纖傳感器埋設實施

2.1 壩前水庫溫度監測布置

為了解三峽大壩庫水溫度及其變化規律，在大壩澆筑施工期間，在壩體內部靠近上游面雖埋設有點式溫度計用來測量庫水溫度，但點式溫度計數量不多，只能測量庫水相應高程局部溫度，難以取得空間上連續的溫度分布資料。且因埋設點位于壩體內，所測溫度受壩體混凝土溫度影響，與實際庫水溫度存在誤差。

根據三峽工程質量專家組的意見，對蓄水后的壩前庫水溫度進行系統觀測。結合庫水溫度觀測的實際現狀，在左廠14-2號壩段壩前布設一條從庫底到壩頂的測溫線，采取分布式光纖和光柵光纖共兩套測溫光纜進行觀測。

分布式光纖測溫系統采用2芯多模雙護套鎧裝光纜，從44.05m高程到176.55m高程，每0.5m一個測點，共計270個測點。光纖光柵溫度傳感器測點布置上密下疏，即從正常蓄水位175m到防洪限制水位以下10m處即高程135m，每5m布置一個測點，從高程135m至庫底淤積層44.05m高程每10m布置一個測點，共計18個溫度測點。光纖光柵溫度計傳感器光纜采用1芯單模雙護套鎧裝光纜連接，按回路布置。兩套光纜系于同一根受力鋼纜上，儀器詳細布置見圖2。

圖2 14-2號壩段壩前庫水溫測溫光纖布置示意圖Figure 2 Layout of optical fiber for temperature measurement of reservoir water temperature in front of No.14-2# dam section

2.2 升船機塔柱溫度監測布置

升船機船廂室段塔柱為鋼筋混凝土高聳薄壁結構，壁厚為1.0m。為監測塔柱的溫度及其變化情況，考慮到各塔柱在溫度下的差異，在3號塔柱和4號塔柱選擇一個監測斷面，在該斷面筒體內、外側墻按20m左右間距從62m高程至186m高程范圍內共埋設7層溫度測點，每個層面在墻壁的內外表面及中間處各埋設1個測點。兩個塔柱共布設84個測點，測點布置高程分別為3號塔柱：62.0m、84.0m、104.0m、125.0m、144.0m、169.0m、186.0m；4號塔柱：62.0m、79.0m、94.0m、114.0m、134.0m、156.0m、176.0m。

3 安全監測結果分析

3.1 壩前光纖庫水溫安全監測主要成果

（1）壩前庫水溫度分布。

2009～2014年共計觀測154測次，各高程庫水溫度溫差＜0.5℃有130測次；溫差0.5～1.0℃有12測次，溫差＞1.0℃有12測次，溫差最大值2.7℃（庫水溫度溫差：同一次觀測，60.05～140.05m各高程庫水溫度的最大值減去最小值）。監測成果顯示，庫水最高溫度為26.8℃，最低溫度10.2℃，在水面以下至庫底淤積層以上范圍內，水溫基本一致，未見明顯的溫度梯度。

從圖3可知，高程53.0～145.0m均位于水下，高程145.0m上部曲線轉折處，位于水面以上為氣溫；高程53.0m以下曲線轉折處，為庫底淤積層，淤積層高程逐年有所上升，2009年9月庫底淤積層高程約42m，2014年9月，淤積層高程約52.5m。結合圖3和圖4可知，庫水溫度受季節影響較大，庫水溫度全年無明顯分層現象。

圖3 9月庫水溫度—高程分布圖Figure 3 Distribution of reservoir water temperature with elevation in September

圖4 1月庫水溫度—高程分布圖Figure 4 Distribution of reservoir water temperature with elevation in January

（2）與壩體上游面常規溫度計對比。

從庫底到壩頂的分布式光纖測溫線布置在左廠14-2號壩段壩前，左廠14號壩段壩體內部靠近上游面埋設有常規溫度計，二者部位接近。

從圖5可知，62.0～144.0m高程各測點測值溫度—時間過程線基本重疊，反映同時間各高程庫水溫度基本一致。90.05m高程為分布式光纖處的測值，與62.0～144.0m高程各測點測值溫度基本一致。

圖5 左廠14號壩段壩面溫度—時間過程線Figure 5 Time history plot of dam surface temperature of No.14 dam section of left powerhouse

162.0m、173.5m高程2個測點，部分時段位于水面以上，受氣溫影響，與62.0 ～144.0m高程各測點測值有所差別。47.0m高程1個測點，2012年下半年之后，測點測值變幅小于其他測點。表明2012年7月之后，該測點位于庫底淤積層以下。

3.2 升船機塔柱安全監測主要成果

（1）入倉溫度及水化熱最高溫度。

2009年12月9日開始，至2012年2月5日止，完成了升船機塔柱84支光纖光柵溫度計的安裝埋設工作。儀器埋設時間有低氣溫的1～3月，也有高溫季節的7～9月。

監測成果顯示，混凝土入倉溫度4.7（2012年2月5日）～22.8℃（2011年7月27日），低溫季節混凝土入倉溫度控制較好，高溫季節澆筑的混凝土入倉溫度偏高；混凝土覆蓋后，由于水化熱溫升，儀器埋設部位的混凝土最高溫度28.8（2012年2月5日）～57.3℃（2011年7月27日）；混凝土覆蓋后28～75h，達到峰值溫度，低溫季節澆筑的混凝土水化熱溫升最高溫度低，高溫季節澆筑的混凝土最高溫度高。水化熱溫升15.3～37.5℃。典型水化熱溫升過程線見圖6。

圖6 典型水化熱溫升過程線Figure 6 Time history plot of temperature rise of typical hydration heat

從圖6可知，混凝土覆蓋后，由于水化熱溫升，儀器測值明顯升高，達到峰值溫度后開始明顯下降。由于塔柱為薄壁結構，混凝土厚度僅1m，每層的3支溫度計按照“中間1支、兩邊各1支”的布設方式埋設。埋設在同一塔柱同一側墻內的3支儀器中，中間的溫度計測值較兩邊的溫度測值略高，且越接近峰值時溫差越明顯。塔柱兩側臨空，受氣溫影響，混凝土溫度下降較快。

（2）塔柱混凝土溫度變化范圍。

儀器埋設初期受水化熱作用達到最高溫度后，塔柱混凝土溫度主要受氣溫影響，統計塔柱混凝土溫度特征值不包括水化熱最高溫度。塔柱各部位混凝土實測最高溫度27.9～40.8℃，最低溫度0.3～6.5℃。最高溫度出現在高溫季節，最低溫度出現在低溫季節，塔柱混凝土溫度受氣溫影響明顯。三峽壩區8時氣溫-3.4（2011年1月8日）～30.2℃（2013年6月19日），由于常規觀測頻次為1次/旬，且基本為上午10時左右進行觀測，因此塔柱混凝土最高溫度與壩區8時氣溫最高溫度出現的時間并不完全相同。從圖7可知，塔柱混凝土溫度與壩區8時氣溫變化規律基本一致。

圖7 塔柱混凝土溫度典型過程線Figure 7 Time history plot of temperature in tower column concrete

（3）塔柱混凝土溫度分布。

從圖8可知，塔柱內墻2012年溫度分布圖看，2012年1月9日，3號塔柱、4號塔柱內墻130m以上高程的溫度基本相同，下部溫度較上部溫度高。2012年5月5日，3號塔柱、4號塔柱內墻150m以上高程的溫度基本相同，3號塔柱下部溫度較上部溫度高，比4號塔柱溫度高。2012年8月22日，4號塔柱內墻100m以下高程的溫度比上部高，且內側比中間及外側溫度高，也比3號塔柱溫度高。塔柱下部空氣流通較上部緩，有保溫效應。升溫階段，3號塔柱溫升較4號塔柱快。

圖8 2012年塔柱內墻溫度—高程分布圖Figure 8 Temperature distribution of inner wall of tower column with elevation in 2012

從圖9可知，2012年1月9日，3號塔柱外墻各高程溫度基本相同、4號塔柱外墻溫度比3號塔略低。130m以上高程的溫度基本相同，下部溫度較上部溫度高。2012年5月5日，3號塔柱外墻溫度高于4號塔柱。2012年8月22日，3號塔柱130m以下高程溫度比4號塔柱130m以下高程溫度高，130m以上高程溫度接近。

圖9 2012年塔柱外墻溫度—高程分布圖Figure 9 Temperature distribution of external wall of tower column with elevation in 2012

（4）與同部位埋設溫度計相比。

3號塔柱在84m、144m和186m三個高程共埋設有18支點式溫度計，每層6支溫度計分別與對應高程的光纖光柵溫度測點位置一致。現選取186m高程的光纖光柵測點（T40SCJTZ03、T41SCJTZ03、T42SCJTZ03）與同位置埋設的點式溫度計測點（T58SCJTZ03、T59SCJTZ03、T60SCJTZ03）從埋設至進入運行期間的數據比較，見圖10。

從圖10可知，塔柱從澆筑混凝土水化熱階段進入運行期間，光纖光柵和埋設點式溫度計之間的溫度數據及規律基本一致，說明了光纖光柵監測技術在混凝土溫度監測中的適用性和可靠性。但受施工和光纖自身脆弱性影響，光纖在施工埋設安裝容易被損壞，應注意土建施工中對光纜的保護。

圖10 同部位光纖光柵與埋設點式溫度計溫度對比Figure 10 Temperature comparison between FBG and embedded point thermometer

4 結論

（1）受三峽大壩發電泄水及壩前水庫狹窄河道地形影響，三峽大壩壩前庫水基本為動水，庫水溫度分層現象不明顯。

（2）在壩體內部靠近上游面埋設有點式溫度計用來測量庫水溫度，測值基本反映庫水溫度變化，但由于點式溫度計數量不多，只能測量庫水相應高程局部溫度，難以取得空間上連續的溫度分布資料。光纖溫度傳感器為解決在不同高程空間上的庫水溫度連續監測和水庫壩前淤積監測提供了新方法。

（3）混凝土覆蓋后28～75h，達到峰值溫度，水化熱溫升15.3～37.5℃，混凝土最高溫57.3℃。中間部位的溫度較兩側略高。

（4）埋設后，塔柱混凝土最高溫度40.8℃，最低溫度0.3℃。最高溫度出現在高溫季節，最低溫度出現在低溫季節，塔柱混凝土溫度受氣溫影響明顯。升溫階段，3號塔柱因受陽光照射，溫度較塔柱內側及4號塔柱高，陽光照射對塔柱溫度影響明顯。

（5）本工程光纖光柵監測技術的成功應用，說明了光纖光柵監測技術在混凝土溫度監測中的適用性和可靠性，但同時應重視土建施工中對光纜的保護等重要環節，為該類型監測儀器的應用積累了寶貴的工程經驗。