基于分布式光纤监测3 m厚混凝土浇筑仓垂直向温度分布可行性探讨

黄耀英，周宜红，江 凯，王利杰，周建兵，李金河

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；2.中国长江三峡开发集团，湖北宜昌 443002）

0 引 言

传统混凝土坝体温度监测一般采用点式温度计，这种温度计本身具有较高的精度，但监测到的信息量太少，一支温度计只能监测到一个点的温度，难以掌握整个坝体内部温度场的变化。分布式光纤具有在线监测和实时在线监测的优势，只要把分布式光纤埋设在混凝土浇筑仓内，即可快速、连续地监测光纤传感网络沿程的温度值，这样可以直观、方便地分析混凝土坝体内部温度变化的规律。目前，分布式光纤测温系统在三峡[1-2]、百色[3]、小湾[4]、光照[5]、溪洛渡[6]等工程得到了较广泛应用。

施工期，混凝土大坝在脱离基础约束区的浇筑仓层厚一般为3 m，为了控制浇筑仓内的最高温度，一般在3 m浇筑仓内布置两层冷却水管进行通水冷却。而温度梯度过大是混凝土产生裂缝的重要原因，因此3 m厚浇筑仓垂直向温度分布状态为工程单位所关注，为此，基于分布式光纤实时在线监测3 m厚浇筑层混凝土垂直向温度分布。

1 分布式光纤测温基本原理

分布式光纤测温的基本原理在文献[1]中有较详细的介绍，以下仅对空间分辨率进行说明。

空间分辨率是分布式光纤测温系统的核心指标之一，由于分布式光纤测温技术有别于传统点式测温技术，是连续分布式的测量模式，得到的光纤上每个点的温度值并不等同于光纤上该绝对点的温度，而是以该绝对点为中心左右一个区间内光纤温度的平均值，而该区间简单来说等于（W·v）/2，其中W为激光脉冲宽度，v为激光在光纤中的速度。该区间也被定义为空间分辨率。一般工程上还将空间分辨率定义为温度曲线中温度阶梯的斜坡宽度，该斜坡宽度被定义为该温度梯度从10%～90%的空间距离。如图1所示。

图1 空间分辨率Fig.1 Spatial resolution of temperature measuring system

空间分辨率同时还受限于采样间隔，一般而言，空间分辨率和采样间隔相同，如图2所示。当空间分辨率与采样间隔相同，假设同为1 m，理论上只有大小为1 m的热点完全落在一个采样间隔内，才可能实现准确的温度测量，如热点2。如果热点的位置刚好如热点1，那么热点1的温度将被两个采样间隔点所分割，也就是两个相邻点都测量到热点，但温度均不准确。如果增加采样频率，缩短采样间隔，如图2的下部分所示，则能减小由于采样间隔过大带来的增加空间分辨率的可能。

图2 采样频率和采样间隔Fig.2 Sampling frequency and sampling space

2 现场试验

2.1 试验方案

在西南正在建设的某高拱坝典型坝段3 m厚浇筑仓进行现场试验，如图3所示。3 m厚浇筑仓分6个坯层浇筑，布置两层冷却水管，第一层冷却水管布置在第1坯层顶部，第二层冷却水管布置在第4坯层顶部，在开仓前先布设好垂直向光缆，待浇筑仓第3坯层浇筑完成时，进行水平向双股光缆埋设，光缆埋设流程和工艺见文献[6]。

图3 试验方案及光缆刻度Fig.3 Test scheme and calibration on the fiber

为了较准确获得布置两层冷却水管的3 m厚浇筑仓垂直向温度分布，试验采用AP Sensing的N4386B型分布式光纤测温系统。该款分布式光纤测温系统能够实现最低0.5m的空间分布率和0.15 m的采样间隔。选用具备一定强度的铠装光缆，该光缆是一个内部50/125 μm的多模光纤。

由于国内目前没有测温光纤的温度检验标准，进行试验前，选取距离150 m的两处光缆分别放入水箱中，用比较光纤测温与水箱水温的方法对光缆进行标定。

图3中给出了试验光缆测试点的刻度值。由埋设光缆的刻度可见，垂直方向的光缆刻度起点为229.20 m，终点为236.4 m，最底部为232.8 m；水平方向双股光缆刻度起点为237.6 m，终点为271.35 m。根据分布式光纤测温系统监测得到的曲线推测冷却水管所处位置分别对应的光缆刻度为230.70 m、235.05 m、232.20 m和233.55 m。

2.2 试验成果分析

典型测点温度过程线见图4，典型时刻光纤测温分布见图5。

由试验可见：

图4 典型测点温度过程线Fig.4 Graph of temperature of typical monitoring points

图5 典型时刻光纤测温分布图Fig.5 Temperature distribution at typical moments

（1）由于分布式光纤测温系统设置的空间分辨率为0.5 m，采样间隔0.15 m，光缆垂直向埋设时，能捕捉到浇筑仓内水管的位置。由图3和图5可见，在3 m浇筑仓的第1坯层和第4坯层布置了两层水管，垂直向埋设的双股光缆共4次通过水管附近，图5中的A、B、C、D，距离水管近则温度低，距离水管远则温度高。图5中光缆刻度为225～229 m的光纤在浇筑仓外面，受环境气温的影响，温度的变化幅度较大，中午温度最高，晚上温度低。图5中E的光缆引出了仓面，受环境气温影响，温度变化幅度较大。图5中F的光纤再次通过第4坯层水管到第3坯层，然后进行水平向埋设，所以又出现了一个低温点。

（2）由图4可见，分布式光纤测温系统测温效果良好，由于水泥水化热温升，浇筑仓内部的温度逐渐增高，靠近水管则温度低，在水管之间则温度高。由图4还可以发现，由于浇筑仓分6个坯层逐层浇筑，第4坯层的光缆先暴露在大气中，受环境气温影响，温度较高，待第4坯层混凝土浇筑后，由于浇筑的是低温混凝土，所以温度有一个下降过程。

（3）现场试验还表明，将分布式光纤测温系统设置的空间分辨率调整为1 m，采样间隔1 m，光缆垂直向埋设时，基本不能捕捉到浇筑仓内水管的位置。

（4）由图5可见，虽然分布式光纤测温系统的空间分辨率设置为0.5 m，采样间隔设置为0.15 m，可以捕捉到3 m厚浇筑仓的两层冷却水管的位置，但仍然难以合理反映3 m浇筑仓的垂直向温度分布。采用分布式光纤对3 m厚浇筑仓的垂直向温度进行监测，必须根据含冷却水管的浇筑仓的温度分布状态进行光纤埋设的专门设计。

3 结 语

基于分布式光纤测温系统对布置两层冷却水管的3 m厚混凝土浇筑仓的垂直向温度分布进行了现场试验，得到如下结论：

（1）分布式光纤测温系统测温效果良好，当分布式光纤测温系统的空间分辨率设置为0.5 m，采样间隔设置为0.15 m，可以捕捉到3 m厚混凝土浇筑仓的两层冷却水管的位置，但难以合理反映3 m厚浇筑仓的垂直向温度分布。

（2）分布式光纤测温系统适用于温度变化比较平缓方向的温度监测，如果需要采用分布式光纤测温系统监测温度变化比较激烈的区域，需要采取一些监测技巧，如双股光纤等间距螺旋上升布置[6]等。

[1]蔡德所.光纤传感技术在大坝工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2002.

[2]戴会超,蔡德所.温度分布式及裂缝监测的光纤传感技术在三峡工程中的应用[J].水力发电，2003，29(12):59-61.

[3]鲍华,蔡德所,唐天国,等.RCC坝温度监测光纤传感网络设计与埋设工艺研究[J].水力发电，2006，32(2):26-29.

[4]汤荣平.分布式光纤测温系统在小湾拱坝温度监测中的运用[J].大坝与安全，2007，(6):43-46.

[5]蒋剑,郭法旺.分布式测温光纤在光照大坝碾压混凝土中的应用探讨[J].水力发电，2008，34(3):55-58.

[6]周建兵.基于分布式光纤测温的混凝土坝温控反馈分析[D].三峡大学硕士学位论文，2011.