基于分布式光纖監(jiān)測(cè)3 m厚混凝土澆筑倉(cāng)垂直向溫度分布可行性探討

黃耀英，周宜紅，江 凱，王利杰，周建兵，李金河

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽開(kāi)發(fā)集團(tuán)，湖北宜昌 443002）

0 引 言

傳統(tǒng)混凝土壩體溫度監(jiān)測(cè)一般采用點(diǎn)式溫度計(jì)，這種溫度計(jì)本身具有較高的精度，但監(jiān)測(cè)到的信息量太少，一支溫度計(jì)只能監(jiān)測(cè)到一個(gè)點(diǎn)的溫度，難以掌握整個(gè)壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化。分布式光纖具有在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，只要把分布式光纖埋設(shè)在混凝土澆筑倉(cāng)內(nèi)，即可快速、連續(xù)地監(jiān)測(cè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)沿程的溫度值，這樣可以直觀、方便地分析混凝土壩體內(nèi)部溫度變化的規(guī)律。目前，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在三峽[1-2]、百色[3]、小灣[4]、光照[5]、溪洛渡[6]等工程得到了較廣泛應(yīng)用。

施工期，混凝土大壩在脫離基礎(chǔ)約束區(qū)的澆筑倉(cāng)層厚一般為3 m，為了控制澆筑倉(cāng)內(nèi)的最高溫度，一般在3 m澆筑倉(cāng)內(nèi)布置兩層冷卻水管進(jìn)行通水冷卻。而溫度梯度過(guò)大是混凝土產(chǎn)生裂縫的重要原因，因此3 m厚澆筑倉(cāng)垂直向溫度分布狀態(tài)為工程單位所關(guān)注，為此，基于分布式光纖實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)3 m厚澆筑層混凝土垂直向溫度分布。

1 分布式光纖測(cè)溫基本原理

分布式光纖測(cè)溫的基本原理在文獻(xiàn)[1]中有較詳細(xì)的介紹，以下僅對(duì)空間分辨率進(jìn)行說(shuō)明。

空間分辨率是分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一，由于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)有別于傳統(tǒng)點(diǎn)式測(cè)溫技術(shù)，是連續(xù)分布式的測(cè)量模式，得到的光纖上每個(gè)點(diǎn)的溫度值并不等同于光纖上該絕對(duì)點(diǎn)的溫度，而是以該絕對(duì)點(diǎn)為中心左右一個(gè)區(qū)間內(nèi)光纖溫度的平均值，而該區(qū)間簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)等于（W·v）/2，其中W為激光脈沖寬度，v為激光在光纖中的速度。該區(qū)間也被定義為空間分辨率。一般工程上還將空間分辨率定義為溫度曲線中溫度階梯的斜坡寬度，該斜坡寬度被定義為該溫度梯度從10%～90%的空間距離。如圖1所示。

圖1 空間分辨率Fig.1 Spatial resolution of temperature measuring system

空間分辨率同時(shí)還受限于采樣間隔，一般而言，空間分辨率和采樣間隔相同，如圖2所示。當(dāng)空間分辨率與采樣間隔相同，假設(shè)同為1 m，理論上只有大小為1 m的熱點(diǎn)完全落在一個(gè)采樣間隔內(nèi)，才可能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，如熱點(diǎn)2。如果熱點(diǎn)的位置剛好如熱點(diǎn)1，那么熱點(diǎn)1的溫度將被兩個(gè)采樣間隔點(diǎn)所分割，也就是兩個(gè)相鄰點(diǎn)都測(cè)量到熱點(diǎn)，但溫度均不準(zhǔn)確。如果增加采樣頻率，縮短采樣間隔，如圖2的下部分所示，則能減小由于采樣間隔過(guò)大帶來(lái)的增加空間分辨率的可能。

圖2 采樣頻率和采樣間隔Fig.2 Sampling frequency and sampling space

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

在西南正在建設(shè)的某高拱壩典型壩段3 m厚澆筑倉(cāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖3所示。3 m厚澆筑倉(cāng)分6個(gè)坯層澆筑，布置兩層冷卻水管，第一層冷卻水管布置在第1坯層頂部，第二層冷卻水管布置在第4坯層頂部，在開(kāi)倉(cāng)前先布設(shè)好垂直向光纜，待澆筑倉(cāng)第3坯層澆筑完成時(shí)，進(jìn)行水平向雙股光纜埋設(shè)，光纜埋設(shè)流程和工藝見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

圖3 試驗(yàn)方案及光纜刻度Fig.3 Test scheme and calibration on the fiber

為了較準(zhǔn)確獲得布置兩層冷卻水管的3 m厚澆筑倉(cāng)垂直向溫度分布，試驗(yàn)采用AP Sensing的N4386B型分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。該款分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最低0.5m的空間分布率和0.15 m的采樣間隔。選用具備一定強(qiáng)度的鎧裝光纜，該光纜是一個(gè)內(nèi)部50/125 μm的多模光纖。

由于國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有測(cè)溫光纖的溫度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行試驗(yàn)前，選取距離150 m的兩處光纜分別放入水箱中，用比較光纖測(cè)溫與水箱水溫的方法對(duì)光纜進(jìn)行標(biāo)定。

圖3中給出了試驗(yàn)光纜測(cè)試點(diǎn)的刻度值。由埋設(shè)光纜的刻度可見(jiàn)，垂直方向的光纜刻度起點(diǎn)為229.20 m，終點(diǎn)為236.4 m，最底部為232.8 m；水平方向雙股光纜刻度起點(diǎn)為237.6 m，終點(diǎn)為271.35 m。根據(jù)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的曲線推測(cè)冷卻水管所處位置分別對(duì)應(yīng)的光纜刻度為230.70 m、235.05 m、232.20 m和233.55 m。

2.2 試驗(yàn)成果分析

典型測(cè)點(diǎn)溫度過(guò)程線見(jiàn)圖4，典型時(shí)刻光纖測(cè)溫分布見(jiàn)圖5。

由試驗(yàn)可見(jiàn)：

圖4 典型測(cè)點(diǎn)溫度過(guò)程線Fig.4 Graph of temperature of typical monitoring points

圖5 典型時(shí)刻光纖測(cè)溫分布圖Fig.5 Temperature distribution at typical moments

（1）由于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)置的空間分辨率為0.5 m，采樣間隔0.15 m，光纜垂直向埋設(shè)時(shí)，能捕捉到澆筑倉(cāng)內(nèi)水管的位置。由圖3和圖5可見(jiàn)，在3 m澆筑倉(cāng)的第1坯層和第4坯層布置了兩層水管，垂直向埋設(shè)的雙股光纜共4次通過(guò)水管附近，圖5中的A、B、C、D，距離水管近則溫度低，距離水管遠(yuǎn)則溫度高。圖5中光纜刻度為225～229 m的光纖在澆筑倉(cāng)外面，受環(huán)境氣溫的影響，溫度的變化幅度較大，中午溫度最高，晚上溫度低。圖5中E的光纜引出了倉(cāng)面，受環(huán)境氣溫影響，溫度變化幅度較大。圖5中F的光纖再次通過(guò)第4坯層水管到第3坯層，然后進(jìn)行水平向埋設(shè)，所以又出現(xiàn)了一個(gè)低溫點(diǎn)。

（2）由圖4可見(jiàn)，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫效果良好，由于水泥水化熱溫升，澆筑倉(cāng)內(nèi)部的溫度逐漸增高，靠近水管則溫度低，在水管之間則溫度高。由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，由于澆筑倉(cāng)分6個(gè)坯層逐層澆筑，第4坯層的光纜先暴露在大氣中，受環(huán)境氣溫影響，溫度較高，待第4坯層混凝土澆筑后，由于澆筑的是低溫混凝土，所以溫度有一個(gè)下降過(guò)程。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還表明，將分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)置的空間分辨率調(diào)整為1 m，采樣間隔1 m，光纜垂直向埋設(shè)時(shí)，基本不能捕捉到澆筑倉(cāng)內(nèi)水管的位置。

（4）由圖5可見(jiàn)，雖然分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的空間分辨率設(shè)置為0.5 m，采樣間隔設(shè)置為0.15 m，可以捕捉到3 m厚澆筑倉(cāng)的兩層冷卻水管的位置，但仍然難以合理反映3 m澆筑倉(cāng)的垂直向溫度分布。采用分布式光纖對(duì)3 m厚澆筑倉(cāng)的垂直向溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必須根據(jù)含冷卻水管的澆筑倉(cāng)的溫度分布狀態(tài)進(jìn)行光纖埋設(shè)的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)布置兩層冷卻水管的3 m厚混凝土澆筑倉(cāng)的垂直向溫度分布進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫效果良好，當(dāng)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的空間分辨率設(shè)置為0.5 m，采樣間隔設(shè)置為0.15 m，可以捕捉到3 m厚混凝土澆筑倉(cāng)的兩層冷卻水管的位置，但難以合理反映3 m厚澆筑倉(cāng)的垂直向溫度分布。

（2）分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)適用于溫度變化比較平緩方向的溫度監(jiān)測(cè)，如果需要采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫度變化比較激烈的區(qū)域，需要采取一些監(jiān)測(cè)技巧，如雙股光纖等間距螺旋上升布置[6]等。

[1]蔡德所.光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

[2]戴會(huì)超,蔡德所.溫度分布式及裂縫監(jiān)測(cè)的光纖傳感技術(shù)在三峽工程中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2003，29(12):59-61.

[3]鮑華,蔡德所,唐天國(guó),等.RCC壩溫度監(jiān)測(cè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與埋設(shè)工藝研究[J].水力發(fā)電，2006，32(2):26-29.

[4]湯榮平.分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在小灣拱壩溫度監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用[J].大壩與安全，2007，(6):43-46.

[5]蔣劍,郭法旺.分布式測(cè)溫光纖在光照大壩碾壓混凝土中的應(yīng)用探討[J].水力發(fā)電，2008，34(3):55-58.

[6]周建兵.基于分布式光纖測(cè)溫的混凝土壩溫控反饋分析[D].三峽大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.