分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用

周柏兵，万永波，徐国龙，周克明

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.中水顾问集团成都勘察设计研究院，四川 成都 610072）

0 前言

传统大坝坝体温度测量一般使用电类温度传感器，此类传感器对工作的环境要求严，抗干扰能力差，安装复杂干扰施工，尤其是传统的温度计信息量太少，很难掌握整个坝体内部温度场的变化。鉴于此，人们不断寻求新技术来解决这些问题，光纤传感技术恰恰解决了这一问题。

实现光纤传感测量的技术有多种，经过比较，在传感器定位精度上，利用拉曼效应分布式光纤传感系统技术定位误差最小，能实现真正的分布式温度监测。利用拉曼效应分布式光纤传感系统是一种比较适合于水电大坝温度监测的系统。

1 分布式光纤传感技术的类型

1.1 利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术

瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测物理量的空间定位。

1.2 利用布里渊效应的分布式光纤传感技术

光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，发生自发布里渊散射。温度、应变与自发布里渊散射光的功率分别存在正、反比例关系，并依据布里渊散射光的频移与温度和应变的变化成正比的试验结果提出，通过求解功率与频率变化的耦合方程可实现单根光纤上温度与应变同时测量。

1.3 利用拉曼效应的分布式光纤传感技术

光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生拉曼散射，波长大于入射光的为斯托克斯光，波长小于入射光的为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论，在自然拉曼散射条件下，2束反射光的光强与温度有关，而且只与温度相关。

由于它在温度测量上所能达到的测量精度、传感长度和空间分辨力高于其它传感技术，目前得到广泛的关注与研究[1]。

2 适用于温控监测的分布式光纤传感技术的比选论证

本文选题思路旨在寻找适用于大坝安全监测领域的测量大坝建筑物温度、应变等的新型光纤传感技术。

当激光入射到光纤中，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波中除了有1条与入射光频率相同的中心谱线之外，在其2侧，还存在2条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧频率斯托克斯线（stocks），高频一侧频率为反斯托克斯线（Antistokes）。后向散射光光谱组成示意图如图1所示。

图1 后向散射光光谱组成示意图

2.1 瑞利散射（OTDR）

虽然瑞利散射是散射光谱中最强的组成部分，但由于瑞利散射光对温度极不敏感，因此不能用于温度传感测量。通常只用来检查光纤的完整性，也就是光纤通信上常用的 OTDR 测试仪。

2.2 布里渊散射（BOTDR）

对温度和应力敏感，并能产生1个相对较强的信号。但布里渊与拉曼散射光在光谱中的频率非常接近。所以对布里渊散射光的监测非常困难，需要借助特殊的激光光源和过滤仪器，成本昂贵，且布里渊散射光受温度和应力双重因素互相制约，因此也不适用于温度传感测量。

2.3 拉曼散射光（ROTDR）

拉曼散射光对温度最为敏感，而且具有足够的强度适用于温度测量。拉曼散射信号被分裂成的2个“谱带”（斯托克斯和反斯托克斯）所取代，其波长较长的斯托克斯谱带对温度的反应迟钝，而波长较短的反斯托克斯谱带，对温度表现出很强的敏感度。这2种成分的光强度与温度变化成比例[2]。

因此可见，适用于温度单一参数监测的分布式传感技术为利用拉曼散射的技术，它具有良好的现场适应性、温度自补偿、远程分布式测量等优点，能对光纤测量的温度场进行分布式的连续监测，是实现实时测量空间分布温度的一种新技术。

利用光时域反射原理（OTDR）、激光拉曼光谱原理，经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大并将温度信息实时地计算出来，研究后研制成实用的 DTS（distributed temperature sensing）光纤分布式温度监测系统。

3 DTS 光纤分布式温度监测系统研究

3.1 DTS 基本技术原理

DTS 分布式温度传感技术是以光时域反射原理为基础，通过主机中的高功率的激光发射器向所连接的探测光缆发送激光脉冲，同时对后向散射光中的拉曼散射光（Raman）进行采集、分析，从而解决分布式温度传感方案[3]。DTS 基本技术原理图如图2表示。

图2 DTS 基本技术原理图

3.2 拉曼散射测温计算

当频率为 γ0的激光入射到光纤中，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波中存在着（γ0-△γ）及（γ0+△γ）的2条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧频率为 γ0-△γ、波长为 λS的谱线为 Stocks，高频一侧频率为（γ0+△γ）、波长为 λa 的谱线为 Antistokes。根据拉曼散射理论，在自然拉曼散射条件下，2束反射光的光强与温度有关[4]。

若入射光子数为 Ne,则斯托克斯拉曼光子数 Ns为：

反斯托克斯光子数 Nα为：

瑞利散射光子数 NR为：

式中：kr、ks、kα分别为与瑞利散射、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数，s 为光纤的背向散射因子；γ0、γs、γa分别为瑞利散射、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射光子频率；αc、αs、αa分别为入射光、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射光频率的光纤传输损耗；Rs（ T ）、Rα（ T ）分别为与光纤分子（SiO2）低能级和高能级上的布居数有关的系数，与局域光纤处的温度有关，即：

为了消除系统的不稳定性、环境的干扰、光纤在测量过程中的弯曲及受压等变化的影响，本系统采用斯托克斯光子数来解调反斯托克斯光子数，从而获取温度值：

式中：T 为绝对温度；Фα（T）、Фs（T）分别为Antistokes 和 Stocks 反射光的光强；νa、νs分别为Antistokes 和 Stocks 反射光的光波频率；h 为普朗克常数；k 为玻尔兹曼常数；△ν 为光纤分子振动频率，取 1.32×1013Hz。

因此，利用 OTDR 原理，可以将随时间分布的温度值对应到整条光纤上的不同位置，即得到沿光纤分布各点的温度值。

4 DTS 光纤分布式温度监测系统在碾压混凝土坝的应用

4.1 DTS 系统在碾压混凝土坝的优势

4.1.1 传统监测手段

一般采用分散型点式的铜电阻式温度计（热电偶）监测。

存在的主要问题如下：

1）施工干扰大，不利于大场面工作；

2）获得信息偏少；

3）每支温度计仅反映该点的温度，不能形成准确的温度场；

4）受电阻值的影响，如钻孔时将电缆皮钻破时或时间长久后，电阻值受影响，从而影响温度测量值及今后的自动化测量。

4.1.2 DTS 分布式光纤测温系统

DTS 分布式光纤测温系统优势如下：

1）施工干扰小，可用于后期的渗流监测、分析；

2）可监测温度的变化及不同方向的温度分布；

3）每25cm 长度为1个温度感应单元，可不间断、多点连续测量；

4）坝体内部布置光缆，可实时监测坝体内部温度，并预测可能出现的最高温度，实时了解坝体混凝土温度控制措施效果；

5）光纤具有抗拉、抗压性能，可单、双端测量[5]。

4.2 DTS 系统在乐昌峡水利枢纽的方案

乐昌峡水利枢纽工程采用碾压混凝土重力坝，总库容 3.74亿 m3，电站装机132MW。

碾压混凝土大坝温度控制对裂缝的预防起着举足轻重的作用。乐昌峡水利枢纽工程安全监测系统的有关设计文件中，用于温度监测的内部观测仪器都属于点式仪器，只能监测混凝土内部某个特定点处的温度，不能进行空间连续观测，通过插值计算可得到混凝土坝体内部温度场。

目前，分布式光纤温度监测系统已经广泛研究，并在电力、通信、水利等工程领域的应用中取得一些成果。为了更好地掌握碾压混凝土温度变化情况，采用分布式光纤温度监测系统很有理论依据和实践基础。目前乐昌峡水利枢纽筹建处正进行分布式光纤温度传感系统的研究和应用。

4.2.1 测温光纤布置和测温结果

DTS 系统主要由分布式温度监测系统主机与专用测温光缆组成。为了有效地实现光纤分布式温度监测，光缆敷设的走向及位置确定是非常关键的，在确定光缆的敷设方案时，一定要能保证光纤测温实现以下目标：

1）反映浇筑层面混凝土的温度变化过程；

2）反映的混凝土温度应尽量少受冷却管降温影响；

3）反映混凝土层面上下游、左中右的温度变化；

4）反映混凝土层面中对称性温度场的变化。

T6-12温度计和光缆温度对比曲线如图3所示，116高程 0+128～0+138断面、0+070～0+085断面的测温光纤埋设图和光纤测温-温度分布图分别如图4、5、6、7所示。

4.2.2 应用研究和成果

为了解分布式光纤实测大坝混凝土温度的真实性，选了一坝段的温度计与相应位置光纤测温测值进行比较。该温度计与所在位置光纤的测值的分布情况和测温光纤布置相对应，从图3可看出，温度计与光纤测值比较接近，温度值相吻合，2者温度及变化趋势一致，说明光纤测温数据可靠。

图3 T6-12温度计和光缆温度对比曲线

图4 116高程 0+128～0+138测温光纤埋设图

图5 116高程 0+128～0+138光纤测温-温度分布图

图6 116高程 0+070～0+085测温光纤埋设图

图7 116高程 0+070～0+085光纤测温-温度分布图

同时从图4、5、6、7可以看出分布式光纤能准确检测到碾压混凝土坝的温度分布规律，最大优点在于能实现实时空间温度场分布测量，每采集1次数据（整条光缆）的时间较短，单位信息量大，自动化程度高，可反映整个区域的温度场。

实时光纤测温结果对混凝土浇筑有着指导作用，混凝土浇筑后，温度在沿上、下游方向及不同高程的空间分布上变化不大，局部较小变化主要受外界环境气温及上、下层浇筑混凝土温度影响。仪器冷却结束后到2期冷却开始这段时间里，混凝土内部温度呈明显回升趋势。2期冷却结束后，在很长一段时间内，混凝土内部温度呈现缓慢回升趋势。

4.2.3 应用总结

2010年4～7月对乐昌峡水利枢纽碾压混凝土坝行了温度监测，获得了以下信息：

1）检测到了碾压混凝土坝的温度分布规律，对今后认识混碾压混凝土坝的运行规律具有较大意义；

2）通过施工期监测，在施工过程中对指导土建施工起到重要作用；

3）DTS 系统灵敏度高，性能可满足工程要求，可广泛应用于坝体温度场、坝前水温、抗渗体渗漏定位、接缝止水损坏定位等监测；

4）DTS 系统可以精确量测光程沿线各点的温度，信息密度大，运行稳定可靠，施工埋设简单，费用低廉，是一种理想的场信息监测产品。

5 结语

通过研究和应用分布式光纤传感技术，结果表明：分布式光纤传感技术应变测量能够较准确地测得被测量结构上任何一点温度，测量分辨率和精度满足工程监测要求，可以在工程监测作为一种新型分布式应变监测技术加以推广。

基于拉曼反射的分布式光纤传感技术在安全监测其他领域也可广泛应用，例如大坝渗漏和混凝土面板堆石坝脱空监测等方面可以进行研究和应用[6]。

大坝安全监测和分布式光纤传感技术经过数十年的发展，传统监测手段的可靠性得到了很大的提高，并逐渐取代人工观测，2种技术的结合在目前显得尤为重要。本课题经过 2年多的研究和项目应用，基本能满足规范和使用要求，但在测量精度、方式等方面还可以深入做一些研究。

[1] 金尚忠，周文，张在宣，等.光纤拉曼散射效应及其应用研究[J].激光与红外，2002（5）: 31-34.

[2] 张在宣，王剑锋.Raman 散射型分布式光纤温度测量方法的研究[J].光电子·激光，2006,12（6）: 596-600.

[3] WAN K T,L EUN G C K Y.Applications of a distributed fiber optic crack sensor for concrete structures.Sensors and Actuators A: Physical,2007,135（2）: 458-464.

[4] 汤荣平.分布式光纤测温系统在小湾拱坝温度检测中的运用[J].大坝与安全，2007（3）: 35-39.

[5] 蔡顺德，望燕慧，蔡德所.DTS 在三峡工程混凝土温度场监测中的应用[J].水利水电科技进展，2005,25（4）: 30-35.

[6] 葛建.分布式光纤测温系统在探测堤坝渗漏中的应用[J].中国水利，2008（2）: 15-19.