光纤分布式温度测量系统（DTS）在张河湾抽水蓄能电站上水库工程中的应用研究

张利军，贡保臣，郑庆尧，刘占海

（1.北京勘测设计研究院,北京 100024；2.北京木联能工程科技有限公司，北京 100120；3.北京市大兴城镇建设开发集团有限公司，北京 102600）

0 概 述

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上，电站总装机容量1 000 MW，装机4台，单机容量250 MW。电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统及地面出线场、下水库拦河坝和拦排沙工程等组成，工程等级为一等。上水库位于下水库左岸的老爷庙山顶，采用开挖筑坝围库而成，主要包括堆石坝、库盆沥青混凝土防渗面板、排水系统、库岸基础处理等，采用沥青混凝土面板全库盆防渗，总防渗面积34.7万m2。设计采用背阴向阳的原则，在典型断面布置光纤测温系统进行面板温度和渗流定位监测［1］。

1 DTS系统结构和工作原理

DTS光纤分布式温度测量系统是在线监测最有效的手段，在国外已经取代传统的线性感温材料，在技术上已非常成熟完善。通过采用不同外护套材料的光缆，DTS监测系统可以适应各种环境，如采用合金材料外护套光缆可以在550℃高温下生存3 h以上。系统由DTS主机（含工控机）、加热装置、高强度耐高温专用综合光缆以及相关的保护装置和附件组成。

光纤测温的机理是依据后向拉曼（Raman）散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用，发生多种散射，如瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光——斯托克斯（Stokes）光和一个比光源波长短的光——反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理实现对沿光纤温度场的分布式测量，结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿光纤所有点的准确温度值，工作原理如图1。

图1 DTS系统工作原理示意图Fig.1 Principle of DTS

DTS系统还可用来进行渗流定位监测，主要是利用渗漏水能导致监测对象温度场不规则变化的物理现象。监测渗流有“梯度法”和“加热法”两种：“梯度法”需要知道水库渗水和光缆周围之间的温度差，光缆和密封材料及水库之间需要有足够的距离，密封材料的渗水和异常渗水可以根据基础温度变化的异常情况探测出来；当光纤电缆必须安装在靠近水库上游面时，“加热法”更适用，通过对光缆里的铜线通电，铜线就会发热，温度的增高取决于周围材料的热容量和热传导率，在有渗流的情况下，由于水的热传导作用会有热量叠加，传至土中的热量又会很快扩散，因此，在电缆通电加热的情况下，渗漏部位的温度会表现出明显的异常现象。光缆结构示意如图2。本工程采用“加热法”。

图2 高强度耐高温专用综合光缆结构示意图Fig.2 Sketch of specific synthetic fiber cables

3 主要技术参数

DTS系统的主要技术参数如表1所示。

DTS系统主要技术特点如下：（1）连续分布式测量；（2）抗电磁干扰，在高电磁环境中可以正常工作；（3）测量距离远，适于远程监控；（4）温度实时监控，做到早期预警；（5）灵敏度高，测量精度高；（6）本征防雷，可以抵抗高电压和高电流的冲击；（7）寿命长，成本低，系统简单。

表1 DTS系统设备主要技术参数Table 1:Main parameters of DTS equipment

高强度耐高温专用综合光缆主要技术参数如表2所示。

表2 高强度耐高温专用综合光缆主要技术参数Table 2:Main parameters of multimode armoured fiber cable

4 DTS系统布置

张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土防渗面板采用DTS系统进行温度和渗流定位监测，共设置2个监测断面，桩号分别为1+300 m、2+283.5 m，各布置测温光缆2条。其中一条在面板排水层摊铺前，从坝顶开始沿斜坡整平胶结层顶面垂直坝轴线向下铺至反弧段前（平行桩0-055.60 m），随排水层摊铺以1.5 m半径划半圆返回抬升至排水层顶面向上铺至坝顶，呈“U”形布置；另一条呈“1”形布置在面板防渗层中间，如图3所示。

高强度耐高温专用综合光缆分别安装埋设于整平胶结层顶面、排水层顶面和防渗层的中间位置。根据沥青混凝土摊铺顺序，在沥青混凝土整平胶结层（或排水层、防渗层）施工后，按设计位置测放光缆线路及关键点位置，标记好线路（转弯处转弯半径≥1.5 m），之后用导热材料的卡子将光缆沿标记好的线路固定。光缆固定后，沿长度方向每5 m设定一个标定点，并量测标定点的空间位置（包括桩号和高程），然后用电吹风加热标定点处光缆，用测温仪读取标定点在光缆中的位置，建立标定点及其在光缆中空间对应关系，并填入光缆安装埋设记录表中永久保存。

图3 DTS系统光纤布置剖面示意图Fig.3 Profile of DTS fiber layout

高强度耐高温专用综合光缆与沥青混凝土之间严禁使用隔热材料，下料前考虑10%的富裕量。光缆的最大铺设长度不超过2 000 m，其两端在电缆沟内的裕留长度在10 m以上。对于双端回路光缆，其双端回路要留在外边，以备与尾纤熔接并接到DTS测温仪上。对于非回路光缆，其置于沥青混凝土内的一端做防水保护，并使电加热线形成回路，另一端要留在外面，以备与尾纤熔接到DTS测温仪上。

埋设完成后，用信号传输光缆和加热电源线与探测光纤连接，沿坝顶电缆沟引到上水库监测室，然后与DTS主机和加热装置连接，进行在线实时监测，如图4所示。

图4 DTS系统布置结构示意图Fig.4 Structure of DTS layout

5 观测成果对比分析

5.1 光纤埋设区域淹没前观测成果

张河湾抽水蓄能电站上水库蓄水位较低，光纤埋设区域还没有淹没时，所观测到的信息主要是受环境气温的影响，两个断面的具体成果见图5和图6。

图5 防渗面板2+282断面淹没前温度分布Fig.5 Temperature distributed on the section 2+282 before submerged

图6 防渗面板1+300断面淹没前温度分布Fig.6 Temperature distributed on the section 1+300 before submerged

从以上分布线可以看出：

（1）2+282断面在高温时进行观测，整平层、排水层、防渗层温度呈阶梯状分布，且温度由上到下呈递减；1+300断面在温度下降时进行观测，且温度下降到防渗层与排水层、整平层接近时，由于温度传递的滞后，防渗层温度会略小于排水层，温度由上到下呈递增，观测结果与工程实际情况相符；

（2）因埋设于各整平层、排水层、防渗层的光纤所处环境相同，所以同一层面温度分布均匀，观测结果也与此工程实际相符，同时表明该系统的灵敏度较高。

5.2 光纤埋设区域淹没后观测成果

光纤埋设区域部分淹没后温度分布对比见图7和图8。

对以上2组曲线分析如下：

（1）由于冬季外界气温低，库水温高于外界气温，淹没区温度高于未淹没区温度；

（2）整平层、排水层、防渗层未淹没部分温度沿高程由高到低降低；

（3）整平层、排水层、防渗层淹没部分温度沿高程由高到低升高，即淹没越深温度越高；

图7 防渗面板2+282断面淹没后温度分布Fig.7 Temperature distributed on the section 2+282 after sub-merged

图8 防渗面板1+300断面淹没后温度分布Fig.8 Temperature distributed on the section 1+300 after sub-merged

（4）加热后，所有测点温度较加热前有明显上升，未见异常，表明没有产生渗漏现象。

总之，光纤温度测值主要随气温和库水温的变化而变化，目前没有产生渗漏现象。

6 结 语

（1）DTS系统自投入张河湾抽水蓄能电站上水库运行以来，整个系统未出现任何故障，表明该系统的安全可靠性较好。

（2）DTS系统灵敏度高，性能可满足工程要求，可广泛应用于沥青混凝土面板温度场监测、坝前水温监测、防渗体渗漏定位监测等。

（3）DTS光纤分布式温度测量系统是在线监测的有效手段，在技术上已较成熟完善，今后在大坝安全监测中具有较好的应用价值。

[1]贡保臣,刘爱梅,陆声鸿,等.堆石坝内部沉降观测方法浅析[J].水力发电,2005,31(10):98-100.

[2]李端有,熊健,於三大，等.土石坝渗流热监测技术研究[J].长江科学院院报，2005，22（6）：29-33.