基于DTS的万家口子高碾压混凝土拱坝温度场监测技术

杨 丽，解凌飞，刘 杰

（1.湖北省水利水电科学研究院 湖北省水利水电科技推广中心，武汉 430070；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064)

0 引言

温度荷载是对高碾压混凝土拱坝施工期应力状态影响最大的荷载，及时、准确地获得高碾压混凝土拱坝施工期内部的温度场分布是大坝安全监测至关重要的一环。传统的点式温度计只可测量单个点的温度，安装复杂，抗干扰能力较差，且监测信息靠人工管理，分散储存，信息分析要经过数据搜集、向上报告、专家讨论、向下传达这样一个复杂过程，分析周期长，难以发挥监测系统的作用。

分布式光纤测温技术相比传统热电偶式温度计有着明显的优势，其测温精度高，监测范围广，能实时在线监测，数据自动采集[1]，可以方便快捷地掌握整个坝体内部温度场的变化。分布式光纤测温技术的迅猛发展[2，3]，已成为一种监测大体积混凝土内部温度非常有效的手段。

本文结合云南万家口子高碾压混凝土拱坝，从理论上和实际工程两方面入手，总结适合高碾压混凝土拱坝的光纤温度传感现状和理论，介绍了高碾压混凝土拱坝光纤测温网络设计及埋设的工艺要求及方法，通过比较分析分布式光纤测温与常规温度计测量的成果，论证了光纤测温技术的可靠性和准确性，为大坝混凝土温控措施提供了合理化建议。

1 分布式光纤测温理论

1.1 分布式光纤温度传感基本原理

分布式光纤测温系统DTS（Distributed Temperature System）原理如图1所示。由DTS向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光向前传播的同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端，其中有一种称作Raman 散射光，它含有Stokes 和反Stokes光两种成分，二者与温度的关系可用式（1）表示[4]。

图1 光纤测温原理图

式中：las为反Stokes 光；ls为Stokes 光；a为与温度相关的系数；h为普朗克系数，J·s；c为真空中的光速，m/s；v为Raman平移量，m-1；k为鲍尔次曼常数，J/k；t为绝对温度。

由式（1）和实测Stokes 与反Stokes 光之比可计算出温度值t为：

1.2 DTS率定和信号调解

1.2.1 DTS率定

DTS 率定主要包含时间分辨率、空间分辨率和温度分辨率。时间分辨率主要是决定分布式传感系统的测量时间，空间分辨率决定分布式传感系统的捕捉敏感度，而温度分辨率则是决定分布式传感系统对温度变化捕捉的灵敏度。

目前，DTS 率定的做法一般是在相同温度条件下，将常规温度计监测和光纤传感器温度监测结果进行比较分析（见图2）。将长度各为50 m左右的光纤首段和尾段置于恒温水箱中，保持恒温30 min以上，同时使用传统高精度温度计测量水箱温度，经对比分析，调整DTS中的斜率、长度、增益和偏移等参数，使首尾两段DTS测得的温度与传统温度计测得的温度基本保持一致，即完成对DTS率定。

图2 传感光纤的率定

1.2.2 DTS的信号调解

本文分布式光纤温度传感器的温度信号采用Stokes-Raman 散射光功率曲线的解调方法[5～10]，该方法能够有效避免光纤损耗、光源不稳定性等对温度测量结果的影响，原理如下。

对任意温度T，分别测得某一段光纤的反Stokes和Stokes散射光功率曲线：

将二者的散射光功率曲线相比：

当温度T=T0时，分别测得某一段光纤的反Stokes和Stokes散射光功率曲线：

再将二者散射光功率曲线相比：

将式（5）和式（8）相比得：

由式（9）即可求出温度值T的分布曲线：

式中：P、Γ分别为单位长度光纤上后向散射光的光功率和散射系数；v为光在光纤中的传输速度；E0为泵浦光脉冲的能量；a0、aAS、aS分别为单位长度光纤上后向瑞利、后向反Stokes、后向Stokes 散射光的损耗系数。

2 万家口子拱坝DTS现场监测研究

2.1 工程概况

万家口子水电站位于云南省宣威市清水河上，是北盘江干流的第四个梯级电站。工程设计总装机180 MW，正常高水位1450 m，总库容2.793亿m3。挡水建筑物为抛物线型碾压混凝土双曲拱坝，碾压混凝土拱坝坝顶高程1 452.50 m，坝底建基高程为1 285.00 m，最大设计坝高167.50 m，为目前世界上在建最高的碾压混凝土拱坝。通过分布式光纤测温技术可有效地保证大体积混凝土的施工质量，制定温控方案和实施温控措施，全面准确地把握和预测大体积混凝土施工过程的温度场分布和发展规律，特别是施工期的现场温度监测和控制是非常关键和必要的。

2.2 DTS网络设计

考虑到分布式光纤温度传感器的特点和监测目标，万家口子高碾压混凝土拱坝光纤布置在拱冠梁4#坝段和河床6#坝段，布置方向基本平行于上下游坝面，光纤边界距横缝及下游坝面3 m，距上游坝面为2～3 m，管线间隔按5～7 m布置，光纤向下游弯折半径控制在2.53 m。光纤一般铺设的竖向间距为6 m，4#坝段埋设共18 层（高程为1 287.0～1 405.0 m），6#坝段埋设共18 层（高程为1 363.0～1 441.0 m），一些特殊结构部位需要跨过，如生态放水管、导流底孔和廊道等。实际的竖向光纤布设间距还需根据施工的平仓面高程进行适当的微调。4#坝拱冠梁坝段光纤总长约5645 m，6#坝段光纤总长约2959 m，光纤总长合计约8604 m。平层碾压的坝面采用“己”字型布置；而斜层碾压的坝面，则采用M或W型光纤布置形式，这样既能有效监测坝体内部温度沿线变化过程，又能适应复杂施工工艺要求。4#坝段1 298.0 m高程以下为平层碾压布置，1 298.0 m高程以上为斜层碾压布置，光纤布置图见图3～图5。

图3 万家口子RCC拱坝光纤测温段上游布置图

图4 DTS传感网络立面布置图

图5 4#坝段典型DTS传感网络平面布置图

2.3 工艺要求及测控流程

碾压混凝土的施工运输机械多、碾压设备多、管线多，工作性质粗放，而光纤材料本身精细、敏感性强、易折断。光纤埋设是一个严密、精细的工作，二者反差巨大，因此，在光纤埋设工艺方面的研究显得尤为重要，如何实现光纤的100%成活率，需要对光纤的埋设工艺进行认真的实验和现场研究，这是项目成败的关键环节。根据工程实际，总结提出了开（钩）槽法、贴附法和架设法3种施工工艺。

（1）开（钩）槽法。开槽法是在混凝土凝固之后，再根据光纤布设要求及现场情况进行开槽铺设光纤；而钩槽法则是在混凝土初凝时间以内，便依据光纤布设要求及现场情况进行钩槽埋设光纤，两者的区别在于埋设光纤在混凝土初凝期的前后。将开槽的深度设置为15～20 cm，宽10～15 cm可以避免仓面冲毛、打毛对光纤的损伤。在开槽施工的时候，需要保证槽底部相对平整，需剔除大砾石块。而钩槽法施工则在混凝土初凝期之前，混凝土通过重型碾压器械碾压后混凝土中的水分析出，混凝土表层富有弹性，因此，在钩槽法施工时尽量保持光纤松弛，设法减小光纤受到混凝土固化的影响。

（2）贴附法。贴附法用于光纤从特殊的结构物表面穿过，如廊道或从已布置的钢筋网下面穿过等。采用贴附法施工时，需要将光纤贴附，以避免光纤外露；一般采用树脂进行粘贴，为了保证光纤全部埋入结构物中，还需要使用扎丝进行固定，如遇到从上部穿过已布置的对象，还需要用钢筋架桥牵引，并用PVC管进行保护。

（3）支架法。支架法一般是在光纤铺设特定部位需要超越已平仓面使用，在超越平仓面需要用钢筋做好牵引支架，将光纤架设过渡。支架法需注意的是需要用两根直径为12 mm 钢筋将光纤包合起来，钢筋脚支架为间距为1.5 m左右，离地面大约为0.5 m为好。

为确保光纤良好的通信状态，埋设前应采用激光源对光纤进行检验。应保持光纤铺设平顺，避免外力损伤和折断光纤。要严格控制光纤与冷却水管距离在0.5 m 以上，施工中振捣棒与光纤的距离保持在0.5 m 以上。在埋设廊道部分光纤时，上游行距须间隔布置，以免与帷幕钻孔及排水孔冲突。光纤埋设后注意保护，灌浆及排水孔钻孔施工时应避免碰撞，要将各层实际光纤平面放样及其空间位置关系提供给坝体排水及灌浆施工单位。本工程引进先进OTDR 检测仪，在光纤传感监测网络埋设的过程中，可以通过专用仪器光时域发射仪（OTDR）进行跟踪检测，确保全程埋设质量；当埋设过程中发生光纤折断时，立刻便可探知光纤折断的具体位置，再用专用的光纤熔接机进行熔接。

在现场温度监测过程中，进行仪器连接和初步校核后即可进行温度测量，DTS测控流程如图6所示。

2.4 监测成果及分析

2.4.1 与常规温度计测量比较分析

图6 DTS温度监测流程图

表1 常规温度计与分布式光纤测量气温和水温对比 ℃

2011 年4 月4 日～9 月20 日，对4#坝大气环境温度和水箱水体温度进行了常规温度计测量和分布式光纤测量，并做了对比分析，从表1 可以看出，两种方法的测量结果基本一致，误差小于0.3℃，说明分布式光纤温度测量结果的准确性和可靠性。

2.4.2 碾压混凝土坝体水化热过程分析

本文分别选取基础强约束区、基础弱约束区中1 289.5 m 和1 298.0 m 高程实测温度过程来研究碾压混凝土坝体水化热过程。一般约定，基础强约束区取底板长边的0.1～0.2倍，基础弱约束区取底板长边的0.2～0.4倍，0.4倍长边以上为非约束区。拱坝底宽36 m，建基面按1 285.0 m 高程算起，1 289.5 m 高程属于基础强约束区，1 298.0 m高程属于基础弱约束区。参考图5 监测光缆的平面布置图选取特征点，平层碾压的1 289.5 m 和1 298.0 m 高程分别为F、FOE、E、D、DOC、C、B、BOA、A 共9 点，其中FOE分别为F、E两点间中心点，以此类推。

（1）基础强约束区水化热过程。处于基础强约束区4#坝1 289.5 m高程的坝体，2011年4月1日收仓，下一仓面浇筑时间为4月7日，下一仓平仓时间为4月10日。4月7日以前监测的4#坝1 289.5 m高程坝体温度均属于坝体的表层温度；4 月7 日～22日，4#坝1 289.5 m 高程坝体达到最高温度27.5℃，发生在二级配的BOA 点。温升过程时间为14d，主要是受到1 289.5 m 高程残余水化热、绝热温升和1 289.5～1 291.9 m 高程水化热的影响。至5 月18 日，4#坝1 289.5 m 各特征点温度处于相对稳定。从2011年4月1日收仓，至5月30日，已经监测了2个月，温度逐渐稳定在23.0～26.0℃左右，后随气温变化而变化。图7 和图8 分别为2011 年4 月7 日和4月22 日1 289.5 m 高程光纤沿路径温度监测实时曲线。图9为1 289.5 m高程各特征点温度过程线。

图7 4#坝1 289.5 m高程4月7日温度监测实时曲线

图8 4#坝1 289.5 m高程4月22日温度监测实时曲线

图9 4#坝1 289.5 m高程坝体特征点温度过程线

（2）基础弱约束区水化热过程。处于基础弱约束区的4#坝1 298.0 m 高程坝体，在5 月5 日20：00分3 个仓面开始浇筑，底孔浇筑采用变态混凝土浇筑方案，其余两个仓面采用碾压混凝土浇筑方案，浇筑至5月12日上午10：00，4#坝1 300.0 m高程收仓。浇筑期间，5月10日晚23：00开始出现了大雨天气，且持续至5 月11 日上午09：00。另外，5 月15～18日，每日坝体气温变化很也大，晚上气温为21.8～29.0℃，白天温度高达40.0℃。根据5 月16～18 日的监测温度数据显示，4#坝1 298.0 m高程坝体温度最高发生在光纤位置AB、DC、EF的中心附近，变态混凝土浇筑区（底孔位置）。5月16日，变态混凝土部分最高温度为42.0℃，5 月17 日最高温度为42.6℃，至5月18日，变态混凝土部分温度最高达到43.3℃；碾压混凝土部分坝体温度大部分在31.5～32.5℃范围之间，比基础强约束区高3℃左右。碾压混凝土光纤位置B点温度较高，为35.0℃，但整体碾压混凝土部分坝体的温差在5℃以内，属于正常范围。5月11日，变态混凝土入仓温度为25.9℃，对比碾压混凝土料4 月10 日的测量温度为14.0℃，变态混凝土入仓温度高11.9℃。6月12～20日的监测温度数据显示，4#坝1 298.0 m 高程坝体温度最高发生在光纤位置AB、DC的中心附近，该位置基本处于变态混凝土浇筑区（底孔位置以及生态放水管位置）。由于坝体的上、下游坝面充水，光纤位置EF 中心点（离下游坝面拱冠梁3 m 位置处，见图5）在监测日期6 月12日温度下降较大。4#坝1 298.0 m 高程坝体常规碾压区温度基本维持在27.0℃左右，并缓慢下降；变态混凝土浇筑区已经全部下降至33.0℃以下。图10、图11分别为2011年5月4日和5月18日1 298.0 m高程光纤沿路径温度监测实时曲线，图12为1 298.0 m高程各特征点温度过程线。

图10 4#坝1 298.0 m高程5月4日温度监测实时曲线

图11 4#坝1 298.0 m高程5月18日温度监测实时曲线

图12 4#坝1 298.0 m高程坝体特征点温度过程线

2.4.3 碾压混凝土坝体级配对温升的影响分析

4#坝1 298.0 m 高程碾压区混凝土不同级配间特征点温度过程线，取光纤位置A、D、E 3 个点，其中A 点处于二级配区，D 和E 点均处于三级配区。相对E点，A点和D点离生态放水管位置较远，受变态混凝土温升影响较小，故A 点和D 点能够较好地反映二级配和三级配间温升差别，两者温差一般为2～3℃之间。碾压混凝土级配配合比参数见表2，二级配所用水泥含量高于三级配，水化热热量较大。另外，E点离变态混凝土浇筑区很近，E点和D点在5月10日～25日期间能够较好地反应同级配间变态混凝土温升对坝体的影响，温差一般为1～2℃之间（见图13）。

2.4.4 冷却水管的降温作用分析

表2 碾压混凝土级配配合比参数

图13 4#坝1 298.0 m高程坝体碾压区不同级配间特征点温度过程线

为了对比冷却水管对坝体温度影响，特选取1 298.0 m 高程D 和E 两个最具代表性的点，其中D点和E点属于同高程、碾压三级配混凝土区，平面距离相差12 m，D 点和E 点都属于4#坝体距离横缝3 m 位置，其中E 点靠近坝体下游1 m，正好这个部位有个主冷却水管，距离为2 m，而D点相距较远为14 m。浇筑层随着自身水化热升高，至5 月25 日达到最大值，5 月18 日～6 月12 日期间采用12°C 冷却水通水冷却，5月18日～6月12日区间D点和E点温度变化反映出碾压混凝土内部温度下降迅速，最大降温达6.2°C，能够较好地反应同级配间冷却水管对坝体的降温作用。

3 结语

随着分布式光纤温度传感技术的发展和应用，光纤传感技术已经成为大坝混凝土温度监测的新型技术，在连续测量分层光纤沿程随时间变化的温度值方面，直观准确地掌握混凝土内部温度变化规律有着独特的优势和精度。高碾压混凝土拱坝的网络布置和工艺要求具有自身特点，本文结合光纤的技术要求和工程特点，总结光纤网络布置原则、铺设方法和工艺要求以及保护措施等，确保能及时准确的获知混凝土内部温度变化。