張利軍，貢保臣，鄭慶堯，劉占海

（1.北京勘測設計研究院,北京 100024；2.北京木聯(lián)能工程科技有限公司，北京 100120；3.北京市大興城鎮(zhèn)建設開發(fā)集團有限公司，北京 102600）

0 概 述

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，電站總裝機容量1 000 MW，裝機4臺，單機容量250 MW。電站樞紐主要由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面出線場、下水庫攔河壩和攔排沙工程等組成，工程等級為一等。上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成，主要包括堆石壩、庫盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統(tǒng)、庫岸基礎處理等，采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，總防滲面積34.7萬m2。設計采用背陰向陽的原則，在典型斷面布置光纖測溫系統(tǒng)進行面板溫度和滲流定位監(jiān)測［1］。

1 DTS系統(tǒng)結構和工作原理

DTS光纖分布式溫度測量系統(tǒng)是在線監(jiān)測最有效的手段，在國外已經取代傳統(tǒng)的線性感溫材料，在技術上已非常成熟完善。通過采用不同外護套材料的光纜，DTS監(jiān)測系統(tǒng)可以適應各種環(huán)境，如采用合金材料外護套光纜可以在550℃高溫下生存3 h以上。系統(tǒng)由DTS主機（含工控機）、加熱裝置、高強度耐高溫專用綜合光纜以及相關的保護裝置和附件組成。

光纖測溫的機理是依據后向拉曼（Raman）散射效應。激光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生多種散射，如瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等。其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，它會產生一個比光源波長長的光——斯托克斯（Stokes）光和一個比光源波長短的光——反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理實現對沿光纖溫度場的分布式測量，結合高品質的脈沖光源和高速的信號采集與處理技術，就可以得到沿光纖所有點的準確溫度值，工作原理如圖1。

圖1 DTS系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Principle of DTS

DTS系統(tǒng)還可用來進行滲流定位監(jiān)測，主要是利用滲漏水能導致監(jiān)測對象溫度場不規(guī)則變化的物理現象。監(jiān)測滲流有“梯度法”和“加熱法”兩種：“梯度法”需要知道水庫滲水和光纜周圍之間的溫度差，光纜和密封材料及水庫之間需要有足夠的距離，密封材料的滲水和異常滲水可以根據基礎溫度變化的異常情況探測出來；當光纖電纜必須安裝在靠近水庫上游面時，“加熱法”更適用，通過對光纜里的銅線通電，銅線就會發(fā)熱，溫度的增高取決于周圍材料的熱容量和熱傳導率，在有滲流的情況下，由于水的熱傳導作用會有熱量疊加，傳至土中的熱量又會很快擴散，因此，在電纜通電加熱的情況下，滲漏部位的溫度會表現出明顯的異?，F象。光纜結構示意如圖2。本工程采用“加熱法”。

圖2 高強度耐高溫專用綜合光纜結構示意圖Fig.2 Sketch of specific synthetic fiber cables

3 主要技術參數

DTS系統(tǒng)的主要技術參數如表1所示。

DTS系統(tǒng)主要技術特點如下：（1）連續(xù)分布式測量；（2）抗電磁干擾，在高電磁環(huán)境中可以正常工作；（3）測量距離遠，適于遠程監(jiān)控；（4）溫度實時監(jiān)控，做到早期預警；（5）靈敏度高，測量精度高；（6）本征防雷，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊；（7）壽命長，成本低，系統(tǒng)簡單。

表1 DTS系統(tǒng)設備主要技術參數Table 1:Main parameters of DTS equipment

高強度耐高溫專用綜合光纜主要技術參數如表2所示。

表2 高強度耐高溫專用綜合光纜主要技術參數Table 2:Main parameters of multimode armoured fiber cable

4 DTS系統(tǒng)布置

張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土防滲面板采用DTS系統(tǒng)進行溫度和滲流定位監(jiān)測，共設置2個監(jiān)測斷面，樁號分別為1+300 m、2+283.5 m，各布置測溫光纜2條。其中一條在面板排水層攤鋪前，從壩頂開始沿斜坡整平膠結層頂面垂直壩軸線向下鋪至反弧段前（平行樁0-055.60 m），隨排水層攤鋪以1.5 m半徑劃半圓返回抬升至排水層頂面向上鋪至壩頂，呈“U”形布置；另一條呈“1”形布置在面板防滲層中間，如圖3所示。

高強度耐高溫專用綜合光纜分別安裝埋設于整平膠結層頂面、排水層頂面和防滲層的中間位置。根據瀝青混凝土攤鋪順序，在瀝青混凝土整平膠結層（或排水層、防滲層）施工后，按設計位置測放光纜線路及關鍵點位置，標記好線路（轉彎處轉彎半徑≥1.5 m），之后用導熱材料的卡子將光纜沿標記好的線路固定。光纜固定后，沿長度方向每5 m設定一個標定點，并量測標定點的空間位置（包括樁號和高程），然后用電吹風加熱標定點處光纜，用測溫儀讀取標定點在光纜中的位置，建立標定點及其在光纜中空間對應關系，并填入光纜安裝埋設記錄表中永久保存。

圖3 DTS系統(tǒng)光纖布置剖面示意圖Fig.3 Profile of DTS fiber layout

高強度耐高溫專用綜合光纜與瀝青混凝土之間嚴禁使用隔熱材料，下料前考慮10%的富裕量。光纜的最大鋪設長度不超過2 000 m，其兩端在電纜溝內的裕留長度在10 m以上。對于雙端回路光纜，其雙端回路要留在外邊，以備與尾纖熔接并接到DTS測溫儀上。對于非回路光纜，其置于瀝青混凝土內的一端做防水保護，并使電加熱線形成回路，另一端要留在外面，以備與尾纖熔接到DTS測溫儀上。

埋設完成后，用信號傳輸光纜和加熱電源線與探測光纖連接，沿壩頂電纜溝引到上水庫監(jiān)測室，然后與DTS主機和加熱裝置連接，進行在線實時監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 DTS系統(tǒng)布置結構示意圖Fig.4 Structure of DTS layout

5 觀測成果對比分析

5.1 光纖埋設區(qū)域淹沒前觀測成果

張河灣抽水蓄能電站上水庫蓄水位較低，光纖埋設區(qū)域還沒有淹沒時，所觀測到的信息主要是受環(huán)境氣溫的影響，兩個斷面的具體成果見圖5和圖6。

圖5 防滲面板2+282斷面淹沒前溫度分布Fig.5 Temperature distributed on the section 2+282 before submerged

圖6 防滲面板1+300斷面淹沒前溫度分布Fig.6 Temperature distributed on the section 1+300 before submerged

從以上分布線可以看出：

（1）2+282斷面在高溫時進行觀測，整平層、排水層、防滲層溫度呈階梯狀分布，且溫度由上到下呈遞減；1+300斷面在溫度下降時進行觀測，且溫度下降到防滲層與排水層、整平層接近時，由于溫度傳遞的滯后，防滲層溫度會略小于排水層，溫度由上到下呈遞增，觀測結果與工程實際情況相符；

（2）因埋設于各整平層、排水層、防滲層的光纖所處環(huán)境相同，所以同一層面溫度分布均勻，觀測結果也與此工程實際相符，同時表明該系統(tǒng)的靈敏度較高。

5.2 光纖埋設區(qū)域淹沒后觀測成果

光纖埋設區(qū)域部分淹沒后溫度分布對比見圖7和圖8。

對以上2組曲線分析如下：

（1）由于冬季外界氣溫低，庫水溫高于外界氣溫，淹沒區(qū)溫度高于未淹沒區(qū)溫度；

（2）整平層、排水層、防滲層未淹沒部分溫度沿高程由高到低降低；

（3）整平層、排水層、防滲層淹沒部分溫度沿高程由高到低升高，即淹沒越深溫度越高；

圖7 防滲面板2+282斷面淹沒后溫度分布Fig.7 Temperature distributed on the section 2+282 after sub-merged

圖8 防滲面板1+300斷面淹沒后溫度分布Fig.8 Temperature distributed on the section 1+300 after sub-merged

（4）加熱后，所有測點溫度較加熱前有明顯上升，未見異常，表明沒有產生滲漏現象。

總之，光纖溫度測值主要隨氣溫和庫水溫的變化而變化，目前沒有產生滲漏現象。

6 結 語

（1）DTS系統(tǒng)自投入張河灣抽水蓄能電站上水庫運行以來，整個系統(tǒng)未出現任何故障，表明該系統(tǒng)的安全可靠性較好。

（2）DTS系統(tǒng)靈敏度高，性能可滿足工程要求，可廣泛應用于瀝青混凝土面板溫度場監(jiān)測、壩前水溫監(jiān)測、防滲體滲漏定位監(jiān)測等。

（3）DTS光纖分布式溫度測量系統(tǒng)是在線監(jiān)測的有效手段，在技術上已較成熟完善，今后在大壩安全監(jiān)測中具有較好的應用價值。

[1]貢保臣,劉愛梅,陸聲鴻,等.堆石壩內部沉降觀測方法淺析[J].水力發(fā)電,2005,31(10):98-100.

[2]李端有,熊健,於三大，等.土石壩滲流熱監(jiān)測技術研究[J].長江科學院院報，2005，22（6）：29-33.