基于DTS的萬家口子高碾壓混凝土拱壩溫度場監(jiān)測技術(shù)

楊 麗，解凌飛，劉 杰

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院 湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，武漢 430064)

0 引言

溫度荷載是對高碾壓混凝土拱壩施工期應(yīng)力狀態(tài)影響最大的荷載，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得高碾壓混凝土拱壩施工期內(nèi)部的溫度場分布是大壩安全監(jiān)測至關(guān)重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的點(diǎn)式溫度計(jì)只可測量單個(gè)點(diǎn)的溫度，安裝復(fù)雜，抗干擾能力較差，且監(jiān)測信息靠人工管理，分散儲(chǔ)存，信息分析要經(jīng)過數(shù)據(jù)搜集、向上報(bào)告、專家討論、向下傳達(dá)這樣一個(gè)復(fù)雜過程，分析周期長，難以發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用。

分布式光纖測溫技術(shù)相比傳統(tǒng)熱電偶式溫度計(jì)有著明顯的優(yōu)勢，其測溫精度高，監(jiān)測范圍廣，能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集[1]，可以方便快捷地掌握整個(gè)壩體內(nèi)部溫度場的變化。分布式光纖測溫技術(shù)的迅猛發(fā)展[2，3]，已成為一種監(jiān)測大體積混凝土內(nèi)部溫度非常有效的手段。

本文結(jié)合云南萬家口子高碾壓混凝土拱壩，從理論上和實(shí)際工程兩方面入手，總結(jié)適合高碾壓混凝土拱壩的光纖溫度傳感現(xiàn)狀和理論，介紹了高碾壓混凝土拱壩光纖測溫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及埋設(shè)的工藝要求及方法，通過比較分析分布式光纖測溫與常規(guī)溫度計(jì)測量的成果，論證了光纖測溫技術(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，為大壩混凝土溫控措施提供了合理化建議。

1 分布式光纖測溫理論

1.1 分布式光纖溫度傳感基本原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)DTS（Distributed Temperature System）原理如圖1所示。由DTS向光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光向前傳播的同時(shí)向四周發(fā)射散射光。散射光的一部分又會(huì)沿光纖返回到入射端，其中有一種稱作Raman 散射光，它含有Stokes 和反Stokes光兩種成分，二者與溫度的關(guān)系可用式（1）表示[4]。

圖1 光纖測溫原理圖

式中：las為反Stokes 光；ls為Stokes 光；a為與溫度相關(guān)的系數(shù)；h為普朗克系數(shù)，J·s；c為真空中的光速，m/s；v為Raman平移量，m-1；k為鮑爾次曼常數(shù)，J/k；t為絕對溫度。

由式（1）和實(shí)測Stokes 與反Stokes 光之比可計(jì)算出溫度值t為：

1.2 DTS率定和信號調(diào)解

1.2.1 DTS率定

DTS 率定主要包含時(shí)間分辨率、空間分辨率和溫度分辨率。時(shí)間分辨率主要是決定分布式傳感系統(tǒng)的測量時(shí)間，空間分辨率決定分布式傳感系統(tǒng)的捕捉敏感度，而溫度分辨率則是決定分布式傳感系統(tǒng)對溫度變化捕捉的靈敏度。

目前，DTS 率定的做法一般是在相同溫度條件下，將常規(guī)溫度計(jì)監(jiān)測和光纖傳感器溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較分析（見圖2）。將長度各為50 m左右的光纖首段和尾段置于恒溫水箱中，保持恒溫30 min以上，同時(shí)使用傳統(tǒng)高精度溫度計(jì)測量水箱溫度，經(jīng)對比分析，調(diào)整DTS中的斜率、長度、增益和偏移等參數(shù)，使首尾兩段DTS測得的溫度與傳統(tǒng)溫度計(jì)測得的溫度基本保持一致，即完成對DTS率定。

圖2 傳感光纖的率定

1.2.2 DTS的信號調(diào)解

本文分布式光纖溫度傳感器的溫度信號采用Stokes-Raman 散射光功率曲線的解調(diào)方法[5～10]，該方法能夠有效避免光纖損耗、光源不穩(wěn)定性等對溫度測量結(jié)果的影響，原理如下。

對任意溫度T，分別測得某一段光纖的反Stokes和Stokes散射光功率曲線：

將二者的散射光功率曲線相比：

當(dāng)溫度T=T0時(shí)，分別測得某一段光纖的反Stokes和Stokes散射光功率曲線：

再將二者散射光功率曲線相比：

將式（5）和式（8）相比得：

由式（9）即可求出溫度值T的分布曲線：

式中：P、Γ分別為單位長度光纖上后向散射光的光功率和散射系數(shù)；v為光在光纖中的傳輸速度；E0為泵浦光脈沖的能量；a0、aAS、aS分別為單位長度光纖上后向瑞利、后向反Stokes、后向Stokes 散射光的損耗系數(shù)。

2 萬家口子拱壩DTS現(xiàn)場監(jiān)測研究

2.1 工程概況

萬家口子水電站位于云南省宣威市清水河上，是北盤江干流的第四個(gè)梯級電站。工程設(shè)計(jì)總裝機(jī)180 MW，正常高水位1450 m，總庫容2.793億m3。擋水建筑物為拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，碾壓混凝土拱壩壩頂高程1 452.50 m，壩底建基高程為1 285.00 m，最大設(shè)計(jì)壩高167.50 m，為目前世界上在建最高的碾壓混凝土拱壩。通過分布式光纖測溫技術(shù)可有效地保證大體積混凝土的施工質(zhì)量，制定溫控方案和實(shí)施溫控措施，全面準(zhǔn)確地把握和預(yù)測大體積混凝土施工過程的溫度場分布和發(fā)展規(guī)律，特別是施工期的現(xiàn)場溫度監(jiān)測和控制是非常關(guān)鍵和必要的。

2.2 DTS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

考慮到分布式光纖溫度傳感器的特點(diǎn)和監(jiān)測目標(biāo)，萬家口子高碾壓混凝土拱壩光纖布置在拱冠梁4#壩段和河床6#壩段，布置方向基本平行于上下游壩面，光纖邊界距橫縫及下游壩面3 m，距上游壩面為2～3 m，管線間隔按5～7 m布置，光纖向下游彎折半徑控制在2.53 m。光纖一般鋪設(shè)的豎向間距為6 m，4#壩段埋設(shè)共18 層（高程為1 287.0～1 405.0 m），6#壩段埋設(shè)共18 層（高程為1 363.0～1 441.0 m），一些特殊結(jié)構(gòu)部位需要跨過，如生態(tài)放水管、導(dǎo)流底孔和廊道等。實(shí)際的豎向光纖布設(shè)間距還需根據(jù)施工的平倉面高程進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)。4#壩拱冠梁壩段光纖總長約5645 m，6#壩段光纖總長約2959 m，光纖總長合計(jì)約8604 m。平層碾壓的壩面采用“己”字型布置；而斜層碾壓的壩面，則采用M或W型光纖布置形式，這樣既能有效監(jiān)測壩體內(nèi)部溫度沿線變化過程，又能適應(yīng)復(fù)雜施工工藝要求。4#壩段1 298.0 m高程以下為平層碾壓布置，1 298.0 m高程以上為斜層碾壓布置，光纖布置圖見圖3～圖5。

圖3 萬家口子RCC拱壩光纖測溫段上游布置圖

圖4 DTS傳感網(wǎng)絡(luò)立面布置圖

圖5 4#壩段典型DTS傳感網(wǎng)絡(luò)平面布置圖

2.3 工藝要求及測控流程

碾壓混凝土的施工運(yùn)輸機(jī)械多、碾壓設(shè)備多、管線多，工作性質(zhì)粗放，而光纖材料本身精細(xì)、敏感性強(qiáng)、易折斷。光纖埋設(shè)是一個(gè)嚴(yán)密、精細(xì)的工作，二者反差巨大，因此，在光纖埋設(shè)工藝方面的研究顯得尤為重要，如何實(shí)現(xiàn)光纖的100%成活率，需要對光纖的埋設(shè)工藝進(jìn)行認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場研究，這是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)工程實(shí)際，總結(jié)提出了開（鉤）槽法、貼附法和架設(shè)法3種施工工藝。

（1）開（鉤）槽法。開槽法是在混凝土凝固之后，再根據(jù)光纖布設(shè)要求及現(xiàn)場情況進(jìn)行開槽鋪設(shè)光纖；而鉤槽法則是在混凝土初凝時(shí)間以內(nèi)，便依據(jù)光纖布設(shè)要求及現(xiàn)場情況進(jìn)行鉤槽埋設(shè)光纖，兩者的區(qū)別在于埋設(shè)光纖在混凝土初凝期的前后。將開槽的深度設(shè)置為15～20 cm，寬10～15 cm可以避免倉面沖毛、打毛對光纖的損傷。在開槽施工的時(shí)候，需要保證槽底部相對平整，需剔除大礫石塊。而鉤槽法施工則在混凝土初凝期之前，混凝土通過重型碾壓器械碾壓后混凝土中的水分析出，混凝土表層富有彈性，因此，在鉤槽法施工時(shí)盡量保持光纖松弛，設(shè)法減小光纖受到混凝土固化的影響。

（2）貼附法。貼附法用于光纖從特殊的結(jié)構(gòu)物表面穿過，如廊道或從已布置的鋼筋網(wǎng)下面穿過等。采用貼附法施工時(shí)，需要將光纖貼附，以避免光纖外露；一般采用樹脂進(jìn)行粘貼，為了保證光纖全部埋入結(jié)構(gòu)物中，還需要使用扎絲進(jìn)行固定，如遇到從上部穿過已布置的對象，還需要用鋼筋架橋牽引，并用PVC管進(jìn)行保護(hù)。

（3）支架法。支架法一般是在光纖鋪設(shè)特定部位需要超越已平倉面使用，在超越平倉面需要用鋼筋做好牽引支架，將光纖架設(shè)過渡。支架法需注意的是需要用兩根直徑為12 mm 鋼筋將光纖包合起來，鋼筋腳支架為間距為1.5 m左右，離地面大約為0.5 m為好。

為確保光纖良好的通信狀態(tài)，埋設(shè)前應(yīng)采用激光源對光纖進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)保持光纖鋪設(shè)平順，避免外力損傷和折斷光纖。要嚴(yán)格控制光纖與冷卻水管距離在0.5 m 以上，施工中振搗棒與光纖的距離保持在0.5 m 以上。在埋設(shè)廊道部分光纖時(shí)，上游行距須間隔布置，以免與帷幕鉆孔及排水孔沖突。光纖埋設(shè)后注意保護(hù)，灌漿及排水孔鉆孔施工時(shí)應(yīng)避免碰撞，要將各層實(shí)際光纖平面放樣及其空間位置關(guān)系提供給壩體排水及灌漿施工單位。本工程引進(jìn)先進(jìn)OTDR 檢測儀，在光纖傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)埋設(shè)的過程中，可以通過專用儀器光時(shí)域發(fā)射儀（OTDR）進(jìn)行跟蹤檢測，確保全程埋設(shè)質(zhì)量；當(dāng)埋設(shè)過程中發(fā)生光纖折斷時(shí)，立刻便可探知光纖折斷的具體位置，再用專用的光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接。

在現(xiàn)場溫度監(jiān)測過程中，進(jìn)行儀器連接和初步校核后即可進(jìn)行溫度測量，DTS測控流程如圖6所示。

2.4 監(jiān)測成果及分析

2.4.1 與常規(guī)溫度計(jì)測量比較分析

圖6 DTS溫度監(jiān)測流程圖

表1 常規(guī)溫度計(jì)與分布式光纖測量氣溫和水溫對比 ℃

2011 年4 月4 日～9 月20 日，對4#壩大氣環(huán)境溫度和水箱水體溫度進(jìn)行了常規(guī)溫度計(jì)測量和分布式光纖測量，并做了對比分析，從表1 可以看出，兩種方法的測量結(jié)果基本一致，誤差小于0.3℃，說明分布式光纖溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.4.2 碾壓混凝土壩體水化熱過程分析

本文分別選取基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)、基礎(chǔ)弱約束區(qū)中1 289.5 m 和1 298.0 m 高程實(shí)測溫度過程來研究碾壓混凝土壩體水化熱過程。一般約定，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)取底板長邊的0.1～0.2倍，基礎(chǔ)弱約束區(qū)取底板長邊的0.2～0.4倍，0.4倍長邊以上為非約束區(qū)。拱壩底寬36 m，建基面按1 285.0 m 高程算起，1 289.5 m 高程屬于基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)，1 298.0 m高程屬于基礎(chǔ)弱約束區(qū)。參考圖5 監(jiān)測光纜的平面布置圖選取特征點(diǎn)，平層碾壓的1 289.5 m 和1 298.0 m 高程分別為F、FOE、E、D、DOC、C、B、BOA、A 共9 點(diǎn)，其中FOE分別為F、E兩點(diǎn)間中心點(diǎn)，以此類推。

（1）基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)水化熱過程。處于基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)4#壩1 289.5 m高程的壩體，2011年4月1日收倉，下一倉面澆筑時(shí)間為4月7日，下一倉平倉時(shí)間為4月10日。4月7日以前監(jiān)測的4#壩1 289.5 m高程壩體溫度均屬于壩體的表層溫度；4 月7 日～22日，4#壩1 289.5 m 高程壩體達(dá)到最高溫度27.5℃，發(fā)生在二級配的BOA 點(diǎn)。溫升過程時(shí)間為14d，主要是受到1 289.5 m 高程殘余水化熱、絕熱溫升和1 289.5～1 291.9 m 高程水化熱的影響。至5 月18 日，4#壩1 289.5 m 各特征點(diǎn)溫度處于相對穩(wěn)定。從2011年4月1日收倉，至5月30日，已經(jīng)監(jiān)測了2個(gè)月，溫度逐漸穩(wěn)定在23.0～26.0℃左右，后隨氣溫變化而變化。圖7 和圖8 分別為2011 年4 月7 日和4月22 日1 289.5 m 高程光纖沿路徑溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)曲線。圖9為1 289.5 m高程各特征點(diǎn)溫度過程線。

圖7 4#壩1 289.5 m高程4月7日溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)曲線

圖8 4#壩1 289.5 m高程4月22日溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)曲線

圖9 4#壩1 289.5 m高程壩體特征點(diǎn)溫度過程線

（2）基礎(chǔ)弱約束區(qū)水化熱過程。處于基礎(chǔ)弱約束區(qū)的4#壩1 298.0 m 高程壩體，在5 月5 日20：00分3 個(gè)倉面開始澆筑，底孔澆筑采用變態(tài)混凝土澆筑方案，其余兩個(gè)倉面采用碾壓混凝土澆筑方案，澆筑至5月12日上午10：00，4#壩1 300.0 m高程收倉。澆筑期間，5月10日晚23：00開始出現(xiàn)了大雨天氣，且持續(xù)至5 月11 日上午09：00。另外，5 月15～18日，每日壩體氣溫變化很也大，晚上氣溫為21.8～29.0℃，白天溫度高達(dá)40.0℃。根據(jù)5 月16～18 日的監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)顯示，4#壩1 298.0 m高程壩體溫度最高發(fā)生在光纖位置AB、DC、EF的中心附近，變態(tài)混凝土澆筑區(qū)（底孔位置）。5月16日，變態(tài)混凝土部分最高溫度為42.0℃，5 月17 日最高溫度為42.6℃，至5月18日，變態(tài)混凝土部分溫度最高達(dá)到43.3℃；碾壓混凝土部分壩體溫度大部分在31.5～32.5℃范圍之間，比基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)高3℃左右。碾壓混凝土光纖位置B點(diǎn)溫度較高，為35.0℃，但整體碾壓混凝土部分壩體的溫差在5℃以內(nèi)，屬于正常范圍。5月11日，變態(tài)混凝土入倉溫度為25.9℃，對比碾壓混凝土料4 月10 日的測量溫度為14.0℃，變態(tài)混凝土入倉溫度高11.9℃。6月12～20日的監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)顯示，4#壩1 298.0 m 高程壩體溫度最高發(fā)生在光纖位置AB、DC的中心附近，該位置基本處于變態(tài)混凝土澆筑區(qū)（底孔位置以及生態(tài)放水管位置）。由于壩體的上、下游壩面充水，光纖位置EF 中心點(diǎn)（離下游壩面拱冠梁3 m 位置處，見圖5）在監(jiān)測日期6 月12日溫度下降較大。4#壩1 298.0 m 高程壩體常規(guī)碾壓區(qū)溫度基本維持在27.0℃左右，并緩慢下降；變態(tài)混凝土澆筑區(qū)已經(jīng)全部下降至33.0℃以下。圖10、圖11分別為2011年5月4日和5月18日1 298.0 m高程光纖沿路徑溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)曲線，圖12為1 298.0 m高程各特征點(diǎn)溫度過程線。

圖10 4#壩1 298.0 m高程5月4日溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)曲線

圖11 4#壩1 298.0 m高程5月18日溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)曲線

圖12 4#壩1 298.0 m高程壩體特征點(diǎn)溫度過程線

2.4.3 碾壓混凝土壩體級配對溫升的影響分析

4#壩1 298.0 m 高程碾壓區(qū)混凝土不同級配間特征點(diǎn)溫度過程線，取光纖位置A、D、E 3 個(gè)點(diǎn)，其中A 點(diǎn)處于二級配區(qū)，D 和E 點(diǎn)均處于三級配區(qū)。相對E點(diǎn)，A點(diǎn)和D點(diǎn)離生態(tài)放水管位置較遠(yuǎn)，受變態(tài)混凝土溫升影響較小，故A 點(diǎn)和D 點(diǎn)能夠較好地反映二級配和三級配間溫升差別，兩者溫差一般為2～3℃之間。碾壓混凝土級配配合比參數(shù)見表2，二級配所用水泥含量高于三級配，水化熱熱量較大。另外，E點(diǎn)離變態(tài)混凝土澆筑區(qū)很近，E點(diǎn)和D點(diǎn)在5月10日～25日期間能夠較好地反應(yīng)同級配間變態(tài)混凝土溫升對壩體的影響，溫差一般為1～2℃之間（見圖13）。

2.4.4 冷卻水管的降溫作用分析

表2 碾壓混凝土級配配合比參數(shù)

圖13 4#壩1 298.0 m高程壩體碾壓區(qū)不同級配間特征點(diǎn)溫度過程線

為了對比冷卻水管對壩體溫度影響，特選取1 298.0 m 高程D 和E 兩個(gè)最具代表性的點(diǎn)，其中D點(diǎn)和E點(diǎn)屬于同高程、碾壓三級配混凝土區(qū)，平面距離相差12 m，D 點(diǎn)和E 點(diǎn)都屬于4#壩體距離橫縫3 m 位置，其中E 點(diǎn)靠近壩體下游1 m，正好這個(gè)部位有個(gè)主冷卻水管，距離為2 m，而D點(diǎn)相距較遠(yuǎn)為14 m。澆筑層隨著自身水化熱升高，至5 月25 日達(dá)到最大值，5 月18 日～6 月12 日期間采用12°C 冷卻水通水冷卻，5月18日～6月12日區(qū)間D點(diǎn)和E點(diǎn)溫度變化反映出碾壓混凝土內(nèi)部溫度下降迅速，最大降溫達(dá)6.2°C，能夠較好地反應(yīng)同級配間冷卻水管對壩體的降溫作用。

3 結(jié)語

隨著分布式光纖溫度傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)成為大壩混凝土溫度監(jiān)測的新型技術(shù)，在連續(xù)測量分層光纖沿程隨時(shí)間變化的溫度值方面，直觀準(zhǔn)確地掌握混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律有著獨(dú)特的優(yōu)勢和精度。高碾壓混凝土拱壩的網(wǎng)絡(luò)布置和工藝要求具有自身特點(diǎn)，本文結(jié)合光纖的技術(shù)要求和工程特點(diǎn)，總結(jié)光纖網(wǎng)絡(luò)布置原則、鋪設(shè)方法和工藝要求以及保護(hù)措施等，確保能及時(shí)準(zhǔn)確的獲知混凝土內(nèi)部溫度變化。