严寒地区大坝越冬保温远程光纤监测方法研究

林建滨，罗福生，郝二峰，黄达海，皇甫泽华

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京100191；2.河南省水利第二工程局，河南郑州450016；3.前坪水库建设管理局，河南郑州450003）

冬季保温是严寒地区大坝混凝土施工的关键［1-3］,越冬期间混凝土施工是否停工一直是建设者反复论证的问题。丰满大坝所在地区冬季气温极低,每年低温持续时间长达五六个月,专家们经过论证决定中止施工,对已浇混凝土进行越冬保温。业主单位、施工单位及科研单位对保温方法、保温材料、保温厚度、保温起止时间等取得了共识［4］,但是保温的实际效果如何,需要系统全面地监测。过去,工程上长期依赖的人工点式温度计测温方式存在测量点稀疏、数据有限、代表性不强,测量时间间隔长（通常每隔几小时测量一次)、难以捕捉到最不利时刻,易出现数据错记、漏记等问题,而利用分布式光纤测温技术进行远程在线监测,可解决上述问题。

1 工程概况与保温措施

在建的丰满新坝位于吉林省吉林市,在1937年始建的丰满老坝下游120 m处,坝址多年平均气温在5℃以下,极端最高气温为37℃,极端最低气温低于-40℃,冬季严寒而漫长。

在严寒地区修建大坝,往往夏季浇筑混凝土,冬季停工,大坝基础温差、上下层温差、内外温差巨大［5］。丰满新坝主体采用碾压混凝土,上下游防渗面、廊道等部位采用变态混凝土,每年10—11月至来年3—4月为冬歇期,暂停施工。

碾压混凝土水化热反应缓慢［6］,冬季停工前浇筑的混凝土成熟度低、强度增长缓慢,较大的内外温差容易使越冬面混凝土开裂［7］,因此应采用越冬面保温的方法,保证大坝安全平稳度过越冬期 。

按照丰满大坝越冬保温设计要求,大坝保温等效放热系数β≤29.79 kJ/（m2·d·℃),大坝越冬面采用临时保温措施,顶面保温材料自下而上为：1层0.6 mm塑料薄膜,2层2 cm聚乙烯保温被,13层2 cm棉被,1层三防帆布。实际保温施工中,采用的是1层0.6 mm塑料薄膜,9层2 cm厚橡塑海绵,1层三防帆布,并且在大坝上下游及侧面设置0.8 m高沙袋防风墙以减小风速对保温效果的影响［9］。上下游面及侧面坝顶以下3 m处采用的是2层8 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。

2 仿真分析

对保温效果进行仿真分析,可以检验保温方案的合理性,尤其是调整了保温措施、实际施工方案与设计方案不一致的情况下,更需要分析保温效果,为越冬期间可能出现的各种状况做理论准备。

2.1 模型信息

依据在建的丰满新坝33＃坝段对大坝模型几何尺寸进行优化以方便建模。2016年10月最后一仓混凝土浇筑完毕后进入冬歇,33＃坝段高程达到220 m,即从坝基到越冬面高度约30 m。以大坝左右岸、上下游及高程方向分别为x、y、z轴,基岩在高度及上下游方向各延伸120 m。基岩四周及坝体左右侧面为绝热边界,基岩温度设为恒定值,表面为第三类边界,大坝有限元模型如图1所示。

图1 大坝有限元模型

仿真计算与大坝设计、施工方案结合,根据施工进度设置混凝土浇筑计划,混凝土入仓温度采用现场监测值。环境气温采用多年气温观测值,根据时间的变化用三角函数公式计算：

式中：T为环境气温；τ为时间。

2.2 混凝土材料参数与浇筑计划

2.2.1 材料参数

大坝内部主体采用碾压混凝土,上下游防渗面和局部地方采用变态混凝土。丰满大坝混凝土和基岩的热学参数取值及绝热温升试验数据见表1。

表1 材料热学试验结果

2.2.2 浇筑进度计划

为准确模拟及预测冬季保温效果,混凝土浇筑进度计划设置与实际施工时间相同,见表2。保温时间设置为2016年10月20日至2017年3月31日,等效放热系数β≤29.79 kJ/（m2·d·℃)。

2.3 仿真计算结果

仿真计算结果如图2所示。201～216 m高程的坝体中部最高温度达29℃。大坝内部混凝土温度在整个冬季较稳定,无明显变化。保温材料下混凝土表面温度呈现中间高、两边低的分布规律。越冬面中部温度总体较为均匀,但应特别关注上下游面及侧面等棱角处,这些部位属于双向散热,热量损失快,温度较低,易引起开裂。33＃坝段上、中、下游3个特征点温度变化情况见图3。

表2 混凝土浇筑进度计划

图2 保温效果仿真计算结果（单位：℃)

图3 保温材料内混凝土表面温度及内外温差变化情况

从临时保温施工开始至保温材料揭除,混凝土表面温度变化主要经历了三个阶段：覆盖保温材料后,随混凝土水化热不断进行,混凝土表面温度快速上升,随着温度升高,上升速率变缓,直至放热速率和散热速率持平,混凝土表面达到最高温；随着冬季气温逐渐变冷,混凝土水化热速率减缓,温度开始缓慢下降,一直持续到2月中旬；之后环境温度回升,混凝土表面温度趋于稳定或略有上升。

冬歇期在保温材料揭除前,混凝土表面温度始终在0℃以上。温度上升阶段,上、中、下游上升到最高温所需时间不同,分别为15、34、19 d,最高温分别为14.5、21.3、17.8℃。温度上升至最高后,在整个漫长的冬季,上、下游混凝土表面温度逐渐降低,尤其是上游棱角处保温材料揭除前已接近0℃,而中游混凝土表面温度则相对稳定,降温幅度低于3℃。在保温期间,上游棱角温度下降最快而与中游交界处温度下降缓慢,二者温差逐渐增大,最大温差可达20℃,由此可见,上、下游棱角处的双向散热情况对混凝土保温极为不利。与上游垂直的棱角相比,下游钝角形棱角双向散热情况严重程度较轻。因此,大坝越冬保温应重点关注上、下游及侧面,防止温度过低而开裂。

总体而言,预测整个越冬期保温被内温度均在0℃以上,日均降温幅度极小,保温被内外温差与环境温度先降后升相反,为先升后降,最大内外温差可达35℃,在施工质量有保障的情况下,大坝越冬保温方案可行。

3 监测效果对比分析

3.1 监测方案

温控监测采用分布式光纤远程在线监测技术［10］,该测温系统包括测温光纤、DTS测温主机、电脑及配套软件、无线上网设备等（如图4所示)。其中感应温度的“神经”——测温光纤可埋设在混凝土内部及敷设在保温材料下,通过DTS测温主机、电脑及配套软件可将测得的物理信号转换成温度数据,而无线上网设备可将施工现场监控电脑接入互联网,实时在线传输监测数据。

图4 远程在线监测方案示意

温度监测分为施工与运行期混凝土温控监测和冬季停工期越冬面保温效果监测。夏季施工期间,测温光纤与碾压混凝土浇筑高程同步上升,每一仓混凝土高程中部埋设测温光纤,可长期监测从施工到运营期大坝内部混凝土温度。冬季停工后,将测温光纤敷设于越冬面表面,再覆盖保温材料。测温光纤敷设方案见图5。

图5 测温光纤敷设示意

3.2 远程在线监测优势

与传统测温技术相比,分布式光纤在线监测系统主要有三方面优势：实时自动监测,远程在线监测,高密度监测。

通过设置仪器测量时间可实现自动监测,测温主机测量频率极高,每两次测量时间间隔可小于10 s；与测温主机连接的电脑上加装无线上网设备,并安装远程监控软件,可在任何有互联网的地方对现场测温系统进行操控,还可实现监测数据实时上传；测温主机发射激光,通过光纤回传的光信号,即可测定光纤任意点的温度,故光纤所到之处均是监测点,可达到极高的监测密度。

在保温材料内密集敷设测温光纤,可实时监测大坝整个越冬面任何部位的保温效果。当寒潮来临、局部保温施工不可靠、保温材料受潮导致保温效果降低等引起的混凝土表面或局部（或大面积)温度骤降,均可通过实时监测,定位保温薄弱点,以便采取紧急补救措施,防止冷季开裂。测温光纤还具有耐久性强等特点［11］,与大坝施工同步埋设在大坝内部的测温光纤可使用几十年甚至上百年,实现大坝运营期间的全生命周期监测。当大坝出现裂缝时,坝体渗漏、温度较低的库水渗流经过测温光纤时造成光纤局部温度降低,通过定位,能够准确判定大坝裂缝位置［12］。

3.3 监测结果对比

2016—2017年度大坝冬季越冬临时保温从2016年10月中旬开始施工,11月初全坝保温施工完毕,保温时间约5个月,从2017年3月中旬开始逐步逐层揭除保温被,至4月初全部揭除。保温效果监测时间贯穿2016—2017年度冬歇期,自动监测频率设置为每10 min监测一次,当保温被内混凝土表面温度骤降速度达5℃/d时可触发报警。

3.3.1 实测结果与仿真结果对比

根据监测及仿真结果,各选取33＃坝段上、中、下游3个特征点进行对比分析,见图6。

图6 实测与仿真结果对比

图6 中,实测温度过程线（实线)与仿真所得温度过程线（光滑虚线)相比较为粗糙,这与每日早晚温差波动及监测仪器极小的系统误差有关,其中2016年11月16日—11月21日、2016年12月29日—2017年1月4日及2017年2月18日—3月10日因大坝现场停电及监测房改移而无实测数据。可以看出：实测温度与仿真结果具有一致的变化趋势,且中游温度＞下游温度＞上游温度,上、中、下游温度差异与上、下游棱角双向散热及棱角形态有关；实测的上、中、下游温度虽有一定差异,但与仿真结果的20℃温差相比差异较小,约为5℃,温度分布较均匀。由于实际保温施工措施中,为了防止棱角效应,在上、下游棱角处约3 m范围内加强了保温措施,保温材料增厚一倍,且在上、下游和侧面采用沙袋设置防风墙,故棱角处保温效果良好,实测温度较仿真结果高。对此,在仿真计算模型上、下游棱角处增厚保温材料,使仿真模型与实际保温施工方案相同,所得结果见图7,考虑到实际施工情况复杂,加强棱角保温后的仿真结果与实测最大绝对温差在2℃内,二者较为吻合。

图7 上下游棱角加强保温后的仿真结果与实测结果对比

3.3.2 保温施工时间对保温效果的影响

值得注意的是,由于大坝越冬临时保温施工面积极大,从开始保温施工到施工完毕历时约20 d。不同坝段及不同部位保温施工在时间上有前后差异,选取3个不同坝段越冬面中游处的特征点,对比保温施工时间差异对保温效果的影响。3个特征点的保温施工时间分别为2016年10月12日、2016年10月23日及2016年11月4日,温度变化曲线见图8。在温度上升阶段,保温施工较早部位混凝土表面温度峰值较高,特征点1最高温度为22℃；保温施工越晚,保温被内温度峰值越低,特征点3保温施工时间最晚,温度仅上升至最高13.5℃。特征点1与特征点3保温施工时间前后相差23 d,最大温差8.5℃,即使后期温度趋于稳定后,依然相差2℃左右。因此在工期允许条件下,保温施工越早,保温效果越好。

图8 不同保温施工时间3个特征点的温度变化情况

3.3.3 保温效果评价

（1)在保温监测期间,外界环境气温总体先降后升,根据现场监测数据,2016—2017年度冬歇期间极端低温出现于2017年1月23日,为-25.35℃,此时保温被内混凝土表面温度为13.45℃,内外温差达38.80℃。

（2)大坝越冬面上、下游及侧面棱角处加强保温措施得当,未出现温度过低情况,在整个越冬保温期间,温度均在10℃以上。

（3)混凝土内部温度相对稳定,大坝内部距越冬面5 m处混凝土温度为20～25℃,内外温度梯度约为2℃/m,符合设计要求。

4 结 论

通过对丰满大坝2016—2017年度冬歇期间越冬面临时保温效果的远程在线监测,并与仿真分析结果对比,得出如下结论：分布式光纤即使在室外气温-25～-30℃的情况下,也能正常测温,这是我国首次将分布式光纤在极寒的气温条件下用于大坝混凝土温度监测,具有较强的示范效应；丰满大坝施工采取的保温措施效果良好,冬歇期间大坝混凝土表面温度为13～16℃,混凝土内部温度与表面温度差别不大,保温措施起到了防止混凝土表面开裂的作用；大坝越冬面上、下游及侧面棱角处双向散热,上游棱角处与中游水平面相比温度约低20℃,需加强对该处的越冬保温,以防止受冻开裂；入冬前应尽早进行大坝保温施工,保温施工越早越冬期间保温被内温度越高,保温效果越好。