基于分布式温度测量的大坝监测系统应用

杨瑞琦

(南昌市城市防洪事务中心，江西 南昌 330038)

大坝等大型混凝土结构由于其质量较大，通常在温度变化方面表现出非常缓慢的行为，为了观察水化热的发展，必须在混凝土坝中进行温度测量。此外，渗流会影响大坝及其基础内的温度场[1]。分布式光纤温度DFOT测量被认为非常适合监测大坝的温度场，用于泄漏检测和混凝土温度观测[2]。近十年来，DFOT测量已被证明是检测和定位水工结构泄漏的有力工具[3]。水坝和堤坝必须受到持续和仔细的监测。除了必不可少的目视检查和渗流测量外，还使用不同的监测系统来评估结构的水力和静态性能[4]。通常情况下，大坝监测系统采用基于电气、液压或气动原理的常规仪器，这些仪器可产生关于不同物理量变化的重要信息，如压力、应力、应变、位移或温度[5]。不可避免的是，使用这些数据来评估整体结构的状况时包含不确定性。与使用传统仪器的测量不同，分布式光纤测量允许沿电缆进行连续测量，确保极高的信息密度[6]。DFOT基于光纤的温度敏感特性，光纤本身代表传感器。利用强大的激光将光脉冲送入集成在电缆中的光纤中。信号在每个光纤位置以低强度反向散射。从被测点到激光器的距离可以由光脉冲的运行时间(时域)或频率(频域)确定。一次分布式温度测量的周期时间从秒到分钟不等；一次测量可提供沿电缆分布的温度值，间距为0.25～1.00 m。产生的温度读数可达到±0.2℃的精度。在大坝工程中，使用拉曼效应的光纤测量系统已成功运行近十年。DFOT被证明是RCC大坝中高度复杂的温度监测的合适工具。DFOT测量代表大体积混凝土通常需要的差异化质量控制。通常，大体积混凝土温度由常规热电偶和热敏电阻监测，仅允许现场测量。相反，光纤电缆提供了沿着集成在大坝结构中的电缆进行连续在线温度测量的可能性。由于其准确性和高信息密度，DFOT测量允许详细可靠地可视化RCC结构内的温度梯度。

1 材料与方法

1.1 梯度法——被动法进行泄漏检测

在土石坝和堤坝等水工建筑物中，内部温度场是流场的函数。梯度法是DFOT测量的一种应用，通过使用自然发生的温度梯度和波动来检测、定位和量化泄漏。这是一种被动方法，因为传感器直接测量现有温度，不会主动改变其周围的热条件。使用DFOT进行泄漏检测的典型应用是必须监测密封元件功能的运河堤坝或水坝。温度梯度可以以永久性或季节性温差的形式存在，也可以在可能的渗漏源处以显著的温度波动的形式存在。如果存在泄漏，温度异常将通过平流传输到结构中，并在整个土体中传播，从而扭曲温度场。测量的分布特征允许对异常进行精确定位，相当精确地划定受泄漏影响的区域。该方法还允许通过对比异常温度和外部温度历史来确定异常源。泄漏的大小和范围可以通过给定位置温度异常的时间滞后和强度来估计(见图1)。

图1 利用温度波动追踪热异常估算渗漏堤坝中的渗流速度

1.2 加热法——加热方法的主动方法功能

最初，热脉冲法是为梯度法不适用的应用而开发的。如果水库水和温度测量位置之间既没有足够的温度梯度也没有足够的水库水季节性温度变化，则会出现这种情况。最近的发展表明，DFOT热脉冲法可以提供有关电缆直接周围的含水量和运动的精确信息。因此，在获得渗流和流速信息的同时，满足了堤坝渗漏检测的关键需求。该方法需要在电缆中分配足够的热输入，持续约一小时。如果把交流或直流电压放在集成在电缆中的铜线上，就会产生这样的线性热输入。而对于泄漏检测，3～5 W/m的热输入就足够，分布式流速测量需要大约10 W/m。对于几公里长的电缆段，除了足够的功率外，还需要高压(变压器)或大铜横截面积(受电缆直径限制)。

1.3 饱和度分布式测定法

电缆中的瞬态热响应主要由部分至完全饱和土壤中的传导控制，因此由土壤导热系数控制。土壤热导率取决于颗粒热导率、孔隙度n和饱和度S，这可以通过测试结果或理论方法来显示。通过公式(1)来推导部分饱和土壤的有效导热系数λeff。

λeff=(λeff，s-λeff,d)Ke+λeff,d

(1)

Ke=0.68ln(S)

式中：λeff，s为完全饱和土壤的热导率，W/(m·℃)；λeff，d为干燥土壤导热系数,W/(m·℃)；Ke为颗粒热导率系数；S为土壤饱和度。

土壤中加热电缆上的瞬态传导可通过使用具有无限热导率的圆柱体的替代系统来描述，该圆柱体通过有限的表面电导ql与周围耦合。之后的长加热期的近似解允许轻松描述电缆壁和周围之间的温差dTc，见(2)式。

(2)

式中：ql为通过圆柱体的表面电导,s/m；t为时间，h;keff为有效热扩散系数；ra是电缆半径,m；t为时间，h。

2 结果与讨论

2.1 梯度法应用

梯度法已经成为泄漏检测的标准工具。然而，为了改进该方法并定义应用和安装标准，仍有一些问题需要解决。为进一步发展梯度法而进行的研究集中于使用耦合渗流和热传输数值模拟，以便深入了解异常的传播，确定传感器的最佳位置和布置，并设计解释测量结果的规则。采用的主要工具是三维有限元地下水流。图2显示了受渗流影响的均质坝内的温度分布。图中显示了正常渗流条件下的温度分布，以及坝下不透水层破裂引起的渗漏情况。很明显，大坝上游侧的泄漏甚至会影响下游坝址的温度分布。

图2 有无渗漏的均质堤坝段数值模型中的温度分布

数值模拟的经验可以描述热异常的传播过程，并确定参与该过程的关键水力和热力参数。数值模拟和现场测量结果表明，温度异常以与渗流速度相关的速率通过坝体。在模拟的帮助下，还可以验证坝趾是泄漏检测的有效电缆位置，因为泄漏产生的温度场异常沿着坝体传播，并且仍然可以在结构的这一点上检测到。

2.2 加热法和饱和度分布式测定法应用

式(1)和式(2)中描述的理论热响应与饱和程度之间的相互关系非常符合图3所示的南昌工程学院水利工程实验室的大坝模型，模型大坝为均质土石坝，最大坝高2 m，坝顶长14 m，坝顶宽0.5 m。模型建立初期将电缆进行预埋上进行的DFOT热脉冲试验的测试数据。

图3 12 W/m热脉冲110 min后的热响应dT与饱和度S

壁面流速与传热系数之间的关系适用于渗流条件下土壤中加热圆柱体的传热，使DFOT热脉冲法能够测量达西流速。随着速度的增加，壁面上的流动边界层和相应的热边界层厚度减小。这种强制对流效应使加热电缆的热响应取决于流速。仅在渗透性极强的土壤(kf≥ 10-2m/s)中，它通过自由对流叠加，否则通过低速传导(图4)。

图4 60 min后的dTs与不同电缆直径D下的流速以及附加土工织物

虽然可以在试验中量化电缆影响dTc，但可以使用无量纲传热系数从经验公式计算传热系数，从而计算dTs。在过去的三年里，实验室进行了大量试验，证明了理论热力学基础。关于热力学背景的详细信息，以及在水中和不同土壤(淤泥、沙子、砾石)中，使用不同电缆、DTS设备和热输入进行校准的数百项测试，包括和不包括额外的土工织物涂层，在不同流速和不同流向下，表明一下结果：

(1)DFOT热脉冲法首次实现了分布式现场流速测量。渗透性小于或等于10-2m/s的不同土壤材料在热响应对流速的依赖性方面仅表现出较小的变化(校准)。测量范围从10-5m/s到103m/s不等，适用于检测怀疑引发内部侵蚀和窒息的速度。只要与垂直方向的偏差不超过±30°，那么，与电缆相对的流动角度对热响应对流速的依赖性的影响可以忽略不计。

(2)随着电缆直径的减小、热输入的增加、DTS装置精度的提高以及厚土工织物(3～8 mm)的额外电缆涂层，分布式流速测量的精度也随之提高。

(3)当今大多数DTS设备(温度分辨率0.5K)的温度精度要求热输入不小于10 W/m，使用400 V 将量程限制在1/2 km，或如果电压转换为1000 V，则将量程限制在3/4 km。任何具有更好温度精度的现有或未来设备将允许更少的热输入或更高的分布式流速测量精度。

3 结 论

根据温度分布和分布的温度梯度，可以直接得出本征应力的结论。测量的分布特征允许对异常进行精确定位，相当精确地划定受泄漏影响的区域。该方法还允许通过对比异常温度和外部温度历史来确定异常源。泄漏的大小和范围可以通过给定位置温度异常的时间滞后和强度来估计。

实践经验表明，与安装单个仪器相比，在施工现场铺设光纤电缆的劳动强度更小，更灵活。分布式光纤测量具有许多重要的技术优势，例如信息密度高、适用于恶劣的现场条件以及电缆的简单灵活安装。就目前而言，DFOT必须被视为大坝监测的最先进工具，其应用范围从CFRD和渠道堤坝的泄漏检测到RCC大坝的温度监测。分布式温度传感仪器和方法本身的进一步发展使DFOT测量成为大坝监测的关键技术。尤其是加热法的进一步发展，为土壤含水量和流速的分布式测定带来了一种新的独特工具。作为施工期间监测大坝温度发展的一部分，可以确定水化热本身，从而清晰地显示大坝中混凝土的现场成熟度。大坝设计中规定的许多施工相关参数的假设也可以控制。DFOT测量系统的另一个优点是传感器的鲁棒性。由于碾压混凝土坝的快速施工过程涉及重型土方设备，因此传感器会承受高负荷，因此使用坚固的光纤电缆比传统仪器更合适。