光纤分布式温度测量系统在大坝中的应用

光纤分布式温度测量系统在大坝中的应用

1密封性能的基本原则和测量值的可靠性1.1反射回入射的反射光roan脉冲光通过光线发射，脉冲光通过略低于真空中的光滑速度提前传播，并在周围传播散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端,测量入射光和反射光之间的时间差T,则发射散射光的位置距入射端的距离X可以用公式求出:X=CT2(1)X=CΤ2(1)其中:C为光纤中的光速,C=C0/n;C0为真空的光速,n为光纤的折射率。反射回入射端的反射光中,有一种称做Raman散射光。该Raman散射光含有两种成份:Stokes和Anti_Stokes光。其中Stokes光的强度与温度无关,而Anti_Stokes光的强度则随温度的变化而变化。通过实际测量和高频分析可得到温度计算公式:T=hΔfk[ln∣∣lslAs∣∣+4ln∣∣f0+Δff0−Δf∣∣−1](2)Τ=hΔfk[ln|lslAs|+4ln|f0+Δff0-Δf|-1](2)式中:h——普郎克系数(6.6×10-9JS);k——鲍尔次曼常数(1.4×10-23J/K);lAs——Anti_Stokes光强度(dB);ls——Stokes光强度(dB);f0——附属光的频率;Δf——拉曼光的频率增量。光纤测温方式,直接测量的是Raman反射光中两种成分之比,与绝对值无关,即使光纤随时间老化,沿程光损失增加,仍可消除光损失的影响,从而可一直保证测温精度。1.2传感光纤温度为了验证光纤分布式温度测量系统成果的可靠性和准确性,作者在9米深的基岩钻孔中,埋设了光纤分布式传感光缆和5支热电偶传感器,在其它各监测仓面也布置了少量的常规热电偶传感器,它们实测温度的分布曲线非常接近(见图1),在光纤分布式传感光缆上与热电偶传感器相应点的温度值误差一般也仅在2℃左右。2测温光纤铺设工艺按照传感光缆布置图,如果采用一条传感光缆布设,有可能在施工期间出现损伤或折断,甚至出现无法接续的情况,这将造成无法弥补的损失。在广西红水河乐滩水电站3#号机组的实际应用中,为防止意外,将传感光缆分成三条光路:第一光路F0-1贯穿厂房3#机第2、3、4浇筑层,终端引向Δ63mΔ63m的第一临时监测站;第二光路F0-2贯穿3#机第5、6、7浇筑层,终端与F0-1会合后,也引向第一临时监测站,第三光路F0-3布置在3#机尾水管衬管段流面,即第11、12层。三路不锈钢铠装分布式光纤传感(传输)光缆全长2000m,分别布置在10个不同高程的仓面,其中埋设在砼结构内部的传感光缆600m。为了高精度测量3#机组砼结构内部某点的温度值,需要对传感光缆从头到尾进行位置标定,其目的是使砼结构某点位置与光缆长度对应起来,并配合相应测温曲线,可方便、直观地看出坝体砼结构温度场的变化。传感光缆的标定方法:首先用光时域反射仪(OTDR)测出整捆光纤的总长,然后按长度分段,每段从头到尾逐米标定。具体办法是用透明胶带纸粘上标注,贴于不锈钢铠装光缆表面即可。由于乐滩水电工程是一座砼重力坝,3#机组尾水管流面钢筋密布,各种管线多,又穿越交通廊道和输水廊道,施工面狭窄,施工干扰大,要将测温光缆顺利地埋设并非易事。大坝砼浇筑的粗犷,与温度传感光缆埋设工作的严密精细,形成较大反差,因而在光纤埋设工艺方面遇到了一定的困难。对此,课题组在现场进行了多方案的探索和试验。在业主、设计、监理和施工单位的大力配合下,初步摸索出测温光缆埋设的一些经验。首先是选择合适的埋设时间。在浇筑仓做准备工作期间,工人需要备料、布筋、立模、焊接、清仓、冲水等工作,人员多,干扰大,不宜布设光纤。于是,我们选择在监理验仓前,清仓冲水后的时间段进行工作。那时,现场人员少,场地清洁,便于操作。若遇光纤折断或连接器不通需要熔接时,应选择工人休息或吃饭的时间比较方便。在具体埋设技术上,我们探索并实践了三种方法比较可行。①支架法:为了使测温光纤埋设在浇筑层中间,在仓面上请施工方协助制作固定支架,所用钢筋直径为Φ12mm,支架间隔1.5m左右,底部应尽量与现场其它固定钢筋连接,高为浇筑层高的二分之一,目的是固定光纤的位置,使其符合设计蓝图的要求;同时,在一定程度上可以防止浇筑下料时挤压折断光纤。布设光纤时,应将光纤夹在两根并排钢筋之间的下方凹槽中,再用扎丝绑扎固定。光纤转向时不能成尖角,特别注意转弯的半径不宜太小,并用钢筋保护。②贴附法:光纤埋设的路径复杂,有时需要经过水轮机尾水管流面,或跨越廊道布设。这时可将光纤沿已布钢筋的下方贴附布设,尽量使光纤隐藏不外露,再用扎丝固定。若跨越空间时,应加钢筋搭连,并涂上红油漆,以利警示保护。光纤转向时,仍需注意形成较大的转弯半径,特别要防止砼振捣时振断光纤。③沿槽法:当各浇筑层完成光纤布设任务后,需要将光纤终端或未埋光纤沿围岩引出坝体至临时监测站。这时,若用贴附法沿周边钢筋向上引出,就会遇到密集的横筋影响,使光纤无法真正贴附于钢筋。最好的办法是穿越周边钢筋层,将光纤沿基础围岩的炮孔槽(规则的半圆槽)垂直上引。光纤沿槽布设时,需用两根垂直并排的钢筋固定(类似支架法)。这种方法的优点是周边钢筋层可以有效防止砼振捣时损坏光纤。光纤引出坝体的出口,是应力集中的地方,易于折断,若发生这种情况将造成无法弥补的损失。为了保护光纤,要用5cm左右的细软管将光纤套住,减缓应力的冲击。光纤终端及部分未埋光纤(只起光信号传输作用)引出坝体后的安全也十分重要,我们将三路光纤终端集中,用塑料套管保护起来,并引到活动铁皮屋内以利观测,同时派专人看守。由于采取了上述方法,保证了整个三维温度分布式光纤网络测温信息的顺利采集与传输。3乐滩水电站3#线混凝土结构3.13间浇筑层与坝体内温度的关系为了监测水轮机尾水管流面的温度梯度,我们选择了剖面为曲边梯形的浇筑块体,在其间埋设了测温光纤。不同厚度的砼浇筑层,其温度变化呈现出明显的规律性,即砼浇筑层越厚,坝体内温度越高,反之亦然,一般来说,二者成增函数关系,见图2。不同季度如何控制砼浇筑层的厚度,保证坝体温度在设计允许的范围内,是值得进一步研究的课题。3.2现场过程中市场的降温作用当测温光纤埋设的路径通过冷却水管、穿越廊道或靠近尾水管衬管流表面时,其温度测值与其它部位有明显的变化。为了测试冷却水管在大坝砼中的降温效果,我们在第二层铺有冷却水管的仓面上布设一个三角形的测温光纤网络,直角边A垂直于冷却水管,直角边B平行于冷却水管,斜边C与冷却水管斜交布设。C段温度最高达36℃,A段温度次之为33.5℃,B段温度最低为25℃。可见冷却水管对大坝的降温作用是明显和不可忽视的。从现场温度测试曲线显见,凡是测温光纤穿过廊道或靠近尾水管衬管表面的部位,由于受到周边环境因素的影响,其温度测值都比较低,尤其是在施工的过程中,多次遇到传感光缆一小段由于砼浇筑顺序的原因,裸露在外,这些小段传感光缆显示的温度与大气温度完全一样。在红水河乐滩水电工程3#机组三维常态砼结构的温度监测施工过程中,课题组多次对尾水管底部衬管流面等部位的温度控制提出了及时、科学、可靠的建议,为业主、设计和监理单位所采用。冬季施工时当坝体内外温差超过30℃时(最大达33℃)应及时通报监理和施工部门,采取保温措施。4坝体水化热过程温度特征课题组结合广西百色碾压砼重力坝5#、6A#坝段砼施工过程开展了大规模的应用研究。通过两年多艰苦的现场工作,在分布式光纤传感网络设计、测温光纤的埋设技术与工艺、传感光缆及出口保护、碾压砼温度影响因子分析、大坝基础约束区和非约束区砼温度监测资料分析等方面取得了可喜的成果,共埋设不锈钢铠装传感光缆8000余米,有效、快速地服务于大坝碾压砼施工过程,并形成了两个坝段三维分布式光纤传感监测网络,可实时获得三维砼结构温度场,这对今后大坝的安全运行十分有利。为了更加直观地反映坝体水化热过程和温度场在同一高程沿顺河流方向的分布规律,选取坝0+265上位于坝上游侧120号点、坝中95号点和坝下游侧的69号点,将它们的温度过程线绘于图3上,显见上游面120号点虽处于周边,但由于是二级配高标号区,所以温度过程线形成了外包络线,一直处于最高;下游69号点温度过程线则处在最下方,形成内包络线,其量值小,相对的温度变化速率也要慢。坝0+265上其余各点温度值基本分布于此范围内。从图3反映各点温度变化过程可以看出,位于二级配区的120#点在3月6日(浇筑25d后)温度达到峰值35.56℃,平均每天温升达1℃左右,然后约1个月左右的时间内温度相对平稳,总体保持在33℃～35℃之间,而后从4月10日开始温度开始以每月约1℃的速率缓慢下降,最后在32℃左右达到又一个新的温度稳定期。相对于二级配区混凝土,三级配区混凝土的前期水化热时间基本相同,温度变化过程轨迹也相近,位于坝中的95#点和坝下游的69#点均在3月6日分别达到前期水化热峰值26.32℃和25.67℃,但随后并没有进入温度稳定期,而是形成了二次温升,95#点温度以每月约1℃的速率上升至32.6℃,69#点则由于位于坝下游边界区域,利于散热,以更加缓慢的每月约0.75℃的速率上升至29.75℃,整个温升过程相对漫长。由此可见,碾压混凝土前期水化热过程是坝体温度变化最剧烈的阶段,但整个坝体混凝土温度的变化趋势基本相近,有的只是量值的差别,混凝土本身材料级配和标号是造成这种差别的主要原因;后期坝体不同部位混凝土温度变化量幅度小,趋势却不尽相同,其原因相对复杂,主要是外界环境和后续施工的综合影响。5光纤分布式传感技术在大坝安全监测中的应用5.1三维光纤分布式传感网络的温度监测与传统的砼大坝温度监测相比较,其测值基本吻合,监测资料符合客观实际,成果可靠。它具有不受电信号干扰、获取信息量大、能实现分布式网络监测、易于形成自动化监测系统等优点。5.2光纤分布式传感网络的温度监测对了解坝体内的温度梯度;建立大坝三维温度场;控制施工期坝体内、外的温差,防止裂缝的产生等