DTS在万家口子水电站大坝温度场监测中的应用

(广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

碾压式混凝土坝浇筑具有施工质量容易控制、施工机械化程度高、施工工艺便于流水作业、施工工期短等优点，越来越受到工程人士的青睐。 但由于大型碾压混凝土坝在施工和运行过程中不可避免地受到温度负荷影响，使得大坝混凝土易产生温度裂缝，对大坝的防渗、耐久性及安全均产生隐患，可能造成不必要的人身和财产损失。因此，在施工期间的温控监测和施工完成后的运营期间，温度场监测是大坝安全监测的重要任务。目前监测大坝温度通常使用埋地温度计。虽然这种方法在单点温度测量中具有相当高的精度，但是很难在复杂多变的实际工程环境中运用。

分布式光纤测温系统(DTS)具有线形连续测量光纤沿程温度值的优点，而且可以精确空间定位发生点，设置预警值，及时、具体地关注坝体内部混凝土温度场的实时变化[1]。DTS的这些优点在云南万家口子水电站大坝温度场的监测过程中得到了充分的发挥。

1 DTS基本原理

DTS克服了传统大体积坝体混凝土浇筑后温度监测信息缺乏、监测设备安装方法复杂等缺点，充分利用了DTS在空间精确定位方面的优势。为有效防止大坝建设和运营过程中的温度裂缝提供了技术指导。

1.1 DTS测距原理

当光脉冲沿着光纤传输时，该光脉冲在以接近光速传播的同时向光纤周围发出散射光。该散射光的一部分将返回到入射端，并通过测量，得到相应的入射光和反射光之间的时间差T。距离发射散射光的位置的距离X可以通过以下公式计算：

(1)

其中C——光纤中的光速，C=C0/n；

C0——真空的光速；

n——光纤的折射率。

1.2 DTS测温原理

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。由于瑞利散射受温度变化的影响较小，因此可以忽略不计。 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,该光与温度变化无关，但是 Anti—Stokes散射中的 Anti—Stokes光则随温度的变化而变化，其关系可用下式表示：

(2)

式中las——Anti—Stokes光；

ls——Stokes光；

a——温度相关系数；

h——普郎克系数，J·s；

c——真空中的光速，m/s；

v——拉曼平移量，m-1；

k——鲍尔次曼常数，J/k；

t——绝对温度值。

通过实测的Anti—Stokes与Stokes光之比，代入上式(2)，可得温度值t为：

(3)

从上面的公式(3)可以看出，在其他的量为常数时，温度值仅与反斯托克斯光与斯托克斯光的比值有关，并且与绝对值无关。因此，光纤测量的精度不随光纤时间的老化和沿路径的光学损耗的增加而改变。

2 分布式测温光纤的铺设工艺

为监测大坝内部温度场变化，在万家口子水电站4号坝段1315m高程处，嵌入133m单芯不锈钢铠装多模光纤电缆(纤芯50μm，直径5mm)，可连续监测大坝130多个温度点的温度值。其中，冷却水管布置在光纤下方0.5m的混凝土层中。光纤布置如图1所示[3]。

图1 4号坝1315米处测温光缆布置

3 分布式光纤传感监测的温度场变化分析

4号坝段1315m高程光纤于5月7日埋设完成。 为了及时了解RCC混凝土的温度场变化，进行了DTS监测。

a.为了确保测量的准确性，监测过程中，分别进行常规温度计测量和分布式光纤测量。经对比分析，两种测量方式所得到的测量结果十分接近，误差不超过±0.2℃，说明采用分布式光纤测量监测的结果是可靠的[4]。

b.为了具体掌握坝内混凝土水化热的实际释放过程[4]，经过一系列连续分布式光纤监测后，坝体上游表面混凝土的最高温度发生在浇筑混凝土后的第14天。即在5月21日，感应点数209，网络定点位置为211.6m，温度峰值为35.3℃。分布式光纤坝上游表面209点光纤传感网络的温度分布曲线如图2所示。 其中I点为传感网络的进坝口，A和I之间的光缆为4号坝段1315m高程坝内埋设光纤。根据4号坝段冷却水管的布置图，已知在坝上游表面附近的筒仓表面的底部没有设置蛇形冷却水管。这是在DE段、HI段和图2中的A点附近的整个水化放热过程中产生温度峰值的重要原因之一。第15天后，大坝内混凝土水化热的峰值温度开始逐渐降低，直至混凝土温度稳定。

日期: 5—21，时间: 19∶26∶58，气温:25.8℃(温度计测量)，天气: 晴，水箱温度:24.2℃(温度计测量),24.1℃(光纤测量)。

图2 上游表面达到209点最高温度时测光纤温度分布

c.第二个温度高值区为4号坝段1315m高程坝体内部下游面的BC段、FG段。坝体下游侧混凝土的最高温度发生在混凝土浇筑后的第16天，发生在5月23日。传感点185号，网络定点位置为186.9 m，温度峰值为33.4℃，分布式光纤测量大坝下游表面185点光纤传感网络的温度分布曲线如图3所示。在坝下游表面附近5m范围内也没有蛇形冷却水管; 在大坝的上下两面，DE段的具体标志和两个混凝土水化热温度高值区域的FG段均为250。 在其他区段是150。两个高温区出现的另一个重要原因是4号坝段1315 m高程的上游表面是次级骨料级配，下游表面是三级骨料级配，这也导致 DE段形成坝中混凝土水化热的最高温度峰值。第17天后，大坝内混凝土水化热的峰值温度开始逐渐降低，直至混凝土温度稳定。

日期: 5—23，时间: 19∶18∶13，气温:19.6℃(温度计测量)， 天气: 阴，水箱温度:20.55℃(温度计测量),20.5℃(光纤测量)。

图3 下游表面达到185点的最高温度时测光纤温度分布

d.为了更加直观地描述4号坝段1315 m高坝内混凝土水化热温度场的变化趋势，分别绘制坝的上游表面 A，D，E和H的四个特征点的温度处理线。坝下游面四个特征点的温度过程线B，C，F，G，具体的温度变化趋势如图4和5所示。

图4 4号坝1315米高程二级配碾压混凝土区光纤A、D、E、H点温度变化线

图5 4号坝1315米高程三级配碾压混凝土区光纤B、C、F、G点温度变化线

从各特征点的温度线可以看出，在5月7—10日的四天期间，混凝土温度的上升速度较快。这是因为混凝土在初凝过程中，水化反应剧烈，释放了大量的水化热。混凝土温度的上升速度从5月17—21日逐渐减缓，混凝土温度的上升速度甚至更慢。原因是在5月7—21日期间，混凝土水化热基本达到最高值。5月22日之后，冷却水管带走的热量大于混凝土后期水化热产生的热量，使混凝土的温度开始下降。另外，从5月7日—6月3日的CD段的特征点C和D的温度线，除了D温度在5月12日之前略有增加外，其余温度一直处于缓慢下降阶段，这表明CD段附近的位置受到大坝冷却水管冷却的影响。表明大坝中的冷却水管对大坝的温度下降影响明显，并且还影响了大坝其他位置的温度变化。

就 AB、CD、EF和 GH段而言，二级级配区点 A，D，E和H附近的温度高于三级级配区AB，CD，EF和GH部分其他位置。其中AB段两者温差在1℃左右，CD段两者温差在2.5℃左右，EF段两者温差在1.5℃左右，GH段两者温差在2℃左右。

4 结 论

a.万家口子水电站大坝温度场监测分布式光纤传感技术克服了传统点温计测量的不足。能够实现实时连续监测温度值，光纤测量的精度不随光纤埋设时间的长短而变化，也不会沿路径的光学损耗发生变化。同时，它可以准确定位空间发生的点的位置。

b.为了确保测量的准确性，监测过程中分别进行常规温度计测量和分布式光纤测量。经对比分析，两种测量方式所得到的测量结果十分接近，误差不超过±0.2℃，说明采用分布式光纤测量监测的结果是可靠的。

c.万家口子水电站4号坝段1315m高程坝体内部上游面混凝土温度达到最高值发生在混凝土浇筑后的第14天，温度峰值为35.3℃，在设计允许范围之内；随后温度逐渐降低直至稳定。

d.不同混凝土级配对实测光纤温度场监测数据的结果表明，该坝段高程处混凝土的骨料级配与浇筑后产生的混凝土水化热的温度成反比。