分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在混凝土壩的研究與應(yīng)用

周柏兵，萬(wàn)永波，徐國(guó)龍，周克明

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.中水顧問(wèn)集團(tuán)成都勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

0 前言

傳統(tǒng)大壩壩體溫度測(cè)量一般使用電類溫度傳感器，此類傳感器對(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。鑒于此，人們不斷尋求新技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題，光纖傳感技術(shù)恰恰解決了這一問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)光纖傳感測(cè)量的技術(shù)有多種，經(jīng)過(guò)比較，在傳感器定位精度上，利用拉曼效應(yīng)分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)定位誤差最小，能實(shí)現(xiàn)真正的分布式溫度監(jiān)測(cè)。利用拉曼效應(yīng)分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種比較適合于水電大壩溫度監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。

1 分布式光纖傳感技術(shù)的類型

1.1 利用后向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)

瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時(shí)域反射（OTDR）結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量的空間定位。

1.2 利用布里淵效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)

光通過(guò)光纖時(shí)，光子和光纖中因自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射。溫度、應(yīng)變與自發(fā)布里淵散射光的功率分別存在正、反比例關(guān)系，并依據(jù)布里淵散射光的頻移與溫度和應(yīng)變的變化成正比的試驗(yàn)結(jié)果提出，通過(guò)求解功率與頻率變化的耦合方程可實(shí)現(xiàn)單根光纖上溫度與應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。

1.3 利用拉曼效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)

光通過(guò)光纖時(shí)，光子和光纖中的光聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生拉曼散射，波長(zhǎng)大于入射光的為斯托克斯光，波長(zhǎng)小于入射光的為反斯托克斯光。根據(jù)拉曼散射理論，在自然拉曼散射條件下，2束反射光的光強(qiáng)與溫度有關(guān)，而且只與溫度相關(guān)。

由于它在溫度測(cè)量上所能達(dá)到的測(cè)量精度、傳感長(zhǎng)度和空間分辨力高于其它傳感技術(shù)，目前得到廣泛的關(guān)注與研究[1]。

2 適用于溫控監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感技術(shù)的比選論證

本文選題思路旨在尋找適用于大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的測(cè)量大壩建筑物溫度、應(yīng)變等的新型光纖傳感技術(shù)。

當(dāng)激光入射到光纖中，它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些后向散射光波中除了有1條與入射光頻率相同的中心譜線之外，在其2側(cè)，還存在2條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側(cè)頻率斯托克斯線（stocks），高頻一側(cè)頻率為反斯托克斯線（Antistokes）。后向散射光光譜組成示意圖如圖1所示。

圖1 后向散射光光譜組成示意圖

2.1 瑞利散射（OTDR）

雖然瑞利散射是散射光譜中最強(qiáng)的組成部分，但由于瑞利散射光對(duì)溫度極不敏感，因此不能用于溫度傳感測(cè)量。通常只用來(lái)檢查光纖的完整性，也就是光纖通信上常用的 OTDR 測(cè)試儀。

2.2 布里淵散射（BOTDR）

對(duì)溫度和應(yīng)力敏感，并能產(chǎn)生1個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的信號(hào)。但布里淵與拉曼散射光在光譜中的頻率非常接近。所以對(duì)布里淵散射光的監(jiān)測(cè)非常困難，需要借助特殊的激光光源和過(guò)濾儀器，成本昂貴，且布里淵散射光受溫度和應(yīng)力雙重因素互相制約，因此也不適用于溫度傳感測(cè)量。

2.3 拉曼散射光（ROTDR）

拉曼散射光對(duì)溫度最為敏感，而且具有足夠的強(qiáng)度適用于溫度測(cè)量。拉曼散射信號(hào)被分裂成的2個(gè)“譜帶”（斯托克斯和反斯托克斯）所取代，其波長(zhǎng)較長(zhǎng)的斯托克斯譜帶對(duì)溫度的反應(yīng)遲鈍，而波長(zhǎng)較短的反斯托克斯譜帶，對(duì)溫度表現(xiàn)出很強(qiáng)的敏感度。這2種成分的光強(qiáng)度與溫度變化成比例[2]。

因此可見(jiàn)，適用于溫度單一參數(shù)監(jiān)測(cè)的分布式傳感技術(shù)為利用拉曼散射的技術(shù)，它具有良好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、溫度自補(bǔ)償、遠(yuǎn)程分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)光纖測(cè)量的溫度場(chǎng)進(jìn)行分布式的連續(xù)監(jiān)測(cè)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量空間分布溫度的一種新技術(shù)。

利用光時(shí)域反射原理（OTDR）、激光拉曼光譜原理，經(jīng)波分復(fù)用器、光電檢測(cè)器等對(duì)采集的溫度信息進(jìn)行放大并將溫度信息實(shí)時(shí)地計(jì)算出來(lái)，研究后研制成實(shí)用的 DTS（distributed temperature sensing）光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 DTS 光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

3.1 DTS 基本技術(shù)原理

DTS 分布式溫度傳感技術(shù)是以光時(shí)域反射原理為基礎(chǔ)，通過(guò)主機(jī)中的高功率的激光發(fā)射器向所連接的探測(cè)光纜發(fā)送激光脈沖，同時(shí)對(duì)后向散射光中的拉曼散射光（Raman）進(jìn)行采集、分析，從而解決分布式溫度傳感方案[3]。DTS 基本技術(shù)原理圖如圖2表示。

圖2 DTS 基本技術(shù)原理圖

3.2 拉曼散射測(cè)溫計(jì)算

當(dāng)頻率為 γ0的激光入射到光纖中，它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些后向散射光波中存在著（γ0-△γ）及（γ0+△γ）的2條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側(cè)頻率為 γ0-△γ、波長(zhǎng)為 λS的譜線為 Stocks，高頻一側(cè)頻率為（γ0+△γ）、波長(zhǎng)為 λa 的譜線為 Antistokes。根據(jù)拉曼散射理論，在自然拉曼散射條件下，2束反射光的光強(qiáng)與溫度有關(guān)[4]。

若入射光子數(shù)為 Ne,則斯托克斯拉曼光子數(shù) Ns為：

反斯托克斯光子數(shù) Nα為：

瑞利散射光子數(shù) NR為：

式中：kr、ks、kα分別為與瑞利散射、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射截面有關(guān)的系數(shù)，s 為光纖的背向散射因子；γ0、γs、γa分別為瑞利散射、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射光子頻率；αc、αs、αa分別為入射光、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射光頻率的光纖傳輸損耗；Rs（ T ）、Rα（ T ）分別為與光纖分子（SiO2）低能級(jí)和高能級(jí)上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，與局域光纖處的溫度有關(guān)，即：

為了消除系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、環(huán)境的干擾、光纖在測(cè)量過(guò)程中的彎曲及受壓等變化的影響，本系統(tǒng)采用斯托克斯光子數(shù)來(lái)解調(diào)反斯托克斯光子數(shù)，從而獲取溫度值：

式中：T 為絕對(duì)溫度；Фα（T）、Фs（T）分別為Antistokes 和 Stocks 反射光的光強(qiáng)；νa、νs分別為Antistokes 和 Stocks 反射光的光波頻率；h 為普朗克常數(shù)；k 為玻爾茲曼常數(shù)；△ν 為光纖分子振動(dòng)頻率，取 1.32×1013Hz。

因此，利用 OTDR 原理，可以將隨時(shí)間分布的溫度值對(duì)應(yīng)到整條光纖上的不同位置，即得到沿光纖分布各點(diǎn)的溫度值。

4 DTS 光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在碾壓混凝土壩的應(yīng)用

4.1 DTS 系統(tǒng)在碾壓混凝土壩的優(yōu)勢(shì)

4.1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段

一般采用分散型點(diǎn)式的銅電阻式溫度計(jì)（熱電偶）監(jiān)測(cè)。

存在的主要問(wèn)題如下：

1）施工干擾大，不利于大場(chǎng)面工作；

2）獲得信息偏少；

3）每支溫度計(jì)僅反映該點(diǎn)的溫度，不能形成準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)；

4）受電阻值的影響，如鉆孔時(shí)將電纜皮鉆破時(shí)或時(shí)間長(zhǎng)久后，電阻值受影響，從而影響溫度測(cè)量值及今后的自動(dòng)化測(cè)量。

4.1.2 DTS 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

DTS 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)如下：

1）施工干擾小，可用于后期的滲流監(jiān)測(cè)、分析；

2）可監(jiān)測(cè)溫度的變化及不同方向的溫度分布；

3）每25cm 長(zhǎng)度為1個(gè)溫度感應(yīng)單元，可不間斷、多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量；

4）壩體內(nèi)部布置光纜，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部溫度，并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的最高溫度，實(shí)時(shí)了解壩體混凝土溫度控制措施效果；

5）光纖具有抗拉、抗壓性能，可單、雙端測(cè)量[5]。

4.2 DTS 系統(tǒng)在樂(lè)昌峽水利樞紐的方案

樂(lè)昌峽水利樞紐工程采用碾壓混凝土重力壩，總庫(kù)容 3.74億 m3，電站裝機(jī)132MW。

碾壓混凝土大壩溫度控制對(duì)裂縫的預(yù)防起著舉足輕重的作用。樂(lè)昌峽水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)計(jì)文件中，用于溫度監(jiān)測(cè)的內(nèi)部觀測(cè)儀器都屬于點(diǎn)式儀器，只能監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部某個(gè)特定點(diǎn)處的溫度，不能進(jìn)行空間連續(xù)觀測(cè)，通過(guò)插值計(jì)算可得到混凝土壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)。

目前，分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛研究，并在電力、通信、水利等工程領(lǐng)域的應(yīng)用中取得一些成果。為了更好地掌握碾壓混凝土溫度變化情況，采用分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很有理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。目前樂(lè)昌峽水利樞紐籌建處正進(jìn)行分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。

4.2.1 測(cè)溫光纖布置和測(cè)溫結(jié)果

DTS 系統(tǒng)主要由分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)與專用測(cè)溫光纜組成。為了有效地實(shí)現(xiàn)光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)，光纜敷設(shè)的走向及位置確定是非常關(guān)鍵的，在確定光纜的敷設(shè)方案時(shí)，一定要能保證光纖測(cè)溫實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）反映澆筑層面混凝土的溫度變化過(guò)程；

2）反映的混凝土溫度應(yīng)盡量少受冷卻管降溫影響；

3）反映混凝土層面上下游、左中右的溫度變化；

4）反映混凝土層面中對(duì)稱性溫度場(chǎng)的變化。

T6-12溫度計(jì)和光纜溫度對(duì)比曲線如圖3所示，116高程 0+128～0+138斷面、0+070～0+085斷面的測(cè)溫光纖埋設(shè)圖和光纖測(cè)溫-溫度分布圖分別如圖4、5、6、7所示。

4.2.2 應(yīng)用研究和成果

為了解分布式光纖實(shí)測(cè)大壩混凝土溫度的真實(shí)性，選了一壩段的溫度計(jì)與相應(yīng)位置光纖測(cè)溫測(cè)值進(jìn)行比較。該溫度計(jì)與所在位置光纖的測(cè)值的分布情況和測(cè)溫光纖布置相對(duì)應(yīng)，從圖3可看出，溫度計(jì)與光纖測(cè)值比較接近，溫度值相吻合，2者溫度及變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可靠。

圖3 T6-12溫度計(jì)和光纜溫度對(duì)比曲線

圖4 116高程 0+128～0+138測(cè)溫光纖埋設(shè)圖

圖5 116高程 0+128～0+138光纖測(cè)溫-溫度分布圖

圖6 116高程 0+070～0+085測(cè)溫光纖埋設(shè)圖

圖7 116高程 0+070～0+085光纖測(cè)溫-溫度分布圖

同時(shí)從圖4、5、6、7可以看出分布式光纖能準(zhǔn)確檢測(cè)到碾壓混凝土壩的溫度分布規(guī)律，最大優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)空間溫度場(chǎng)分布測(cè)量，每采集1次數(shù)據(jù)（整條光纜）的時(shí)間較短，單位信息量大，自動(dòng)化程度高，可反映整個(gè)區(qū)域的溫度場(chǎng)。

實(shí)時(shí)光纖測(cè)溫結(jié)果對(duì)混凝土澆筑有著指導(dǎo)作用，混凝土澆筑后，溫度在沿上、下游方向及不同高程的空間分布上變化不大，局部較小變化主要受外界環(huán)境氣溫及上、下層澆筑混凝土溫度影響。儀器冷卻結(jié)束后到2期冷卻開(kāi)始這段時(shí)間里，混凝土內(nèi)部溫度呈明顯回升趨勢(shì)。2期冷卻結(jié)束后，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，混凝土內(nèi)部溫度呈現(xiàn)緩慢回升趨勢(shì)。

4.2.3 應(yīng)用總結(jié)

2010年4～7月對(duì)樂(lè)昌峽水利樞紐碾壓混凝土壩行了溫度監(jiān)測(cè)，獲得了以下信息：

1）檢測(cè)到了碾壓混凝土壩的溫度分布規(guī)律，對(duì)今后認(rèn)識(shí)混碾壓混凝土壩的運(yùn)行規(guī)律具有較大意義；

2）通過(guò)施工期監(jiān)測(cè)，在施工過(guò)程中對(duì)指導(dǎo)土建施工起到重要作用；

3）DTS 系統(tǒng)靈敏度高，性能可滿足工程要求，可廣泛應(yīng)用于壩體溫度場(chǎng)、壩前水溫、抗?jié)B體滲漏定位、接縫止水損壞定位等監(jiān)測(cè)；

4）DTS 系統(tǒng)可以精確量測(cè)光程沿線各點(diǎn)的溫度，信息密度大，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，施工埋設(shè)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，是一種理想的場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究和應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)，結(jié)果表明：分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)變測(cè)量能夠較準(zhǔn)確地測(cè)得被測(cè)量結(jié)構(gòu)上任何一點(diǎn)溫度，測(cè)量分辨率和精度滿足工程監(jiān)測(cè)要求，可以在工程監(jiān)測(cè)作為一種新型分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)加以推廣。

基于拉曼反射的分布式光纖傳感技術(shù)在安全監(jiān)測(cè)其他領(lǐng)域也可廣泛應(yīng)用，例如大壩滲漏和混凝土面板堆石壩脫空監(jiān)測(cè)等方面可以進(jìn)行研究和應(yīng)用[6]。

大壩安全監(jiān)測(cè)和分布式光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的可靠性得到了很大的提高，并逐漸取代人工觀測(cè)，2種技術(shù)的結(jié)合在目前顯得尤為重要。本課題經(jīng)過(guò) 2年多的研究和項(xiàng)目應(yīng)用，基本能滿足規(guī)范和使用要求，但在測(cè)量精度、方式等方面還可以深入做一些研究。

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