楊 麗，解凌飛，劉 杰

（1.湖北省水利水電科學研究院 湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢 430064)

0 引言

溫度荷載是對高碾壓混凝土拱壩施工期應力狀態(tài)影響最大的荷載，及時、準確地獲得高碾壓混凝土拱壩施工期內部的溫度場分布是大壩安全監(jiān)測至關重要的一環(huán)。傳統的點式溫度計只可測量單個點的溫度，安裝復雜，抗干擾能力較差，且監(jiān)測信息靠人工管理，分散儲存，信息分析要經過數據搜集、向上報告、專家討論、向下傳達這樣一個復雜過程，分析周期長，難以發(fā)揮監(jiān)測系統的作用。

分布式光纖測溫技術相比傳統熱電偶式溫度計有著明顯的優(yōu)勢，其測溫精度高，監(jiān)測范圍廣，能實時在線監(jiān)測，數據自動采集[1]，可以方便快捷地掌握整個壩體內部溫度場的變化。分布式光纖測溫技術的迅猛發(fā)展[2，3]，已成為一種監(jiān)測大體積混凝土內部溫度非常有效的手段。

本文結合云南萬家口子高碾壓混凝土拱壩，從理論上和實際工程兩方面入手，總結適合高碾壓混凝土拱壩的光纖溫度傳感現狀和理論，介紹了高碾壓混凝土拱壩光纖測溫網絡設計及埋設的工藝要求及方法，通過比較分析分布式光纖測溫與常規(guī)溫度計測量的成果，論證了光纖測溫技術的可靠性和準確性，為大壩混凝土溫控措施提供了合理化建議。

1 分布式光纖測溫理論

1.1 分布式光纖溫度傳感基本原理

分布式光纖測溫系統DTS（Distributed Temperature System）原理如圖1所示。由DTS向光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光向前傳播的同時向四周發(fā)射散射光。散射光的一部分又會沿光纖返回到入射端，其中有一種稱作Raman 散射光，它含有Stokes 和反Stokes光兩種成分，二者與溫度的關系可用式（1）表示[4]。

圖1 光纖測溫原理圖

式中：las為反Stokes 光；ls為Stokes 光；a為與溫度相關的系數；h為普朗克系數，J·s；c為真空中的光速，m/s；v為Raman平移量，m-1；k為鮑爾次曼常數，J/k；t為絕對溫度。

由式（1）和實測Stokes 與反Stokes 光之比可計算出溫度值t為：

1.2 DTS率定和信號調解

1.2.1 DTS率定

DTS 率定主要包含時間分辨率、空間分辨率和溫度分辨率。時間分辨率主要是決定分布式傳感系統的測量時間，空間分辨率決定分布式傳感系統的捕捉敏感度，而溫度分辨率則是決定分布式傳感系統對溫度變化捕捉的靈敏度。

目前，DTS 率定的做法一般是在相同溫度條件下，將常規(guī)溫度計監(jiān)測和光纖傳感器溫度監(jiān)測結果進行比較分析（見圖2）。將長度各為50 m左右的光纖首段和尾段置于恒溫水箱中，保持恒溫30 min以上，同時使用傳統高精度溫度計測量水箱溫度，經對比分析，調整DTS中的斜率、長度、增益和偏移等參數，使首尾兩段DTS測得的溫度與傳統溫度計測得的溫度基本保持一致，即完成對DTS率定。

圖2 傳感光纖的率定

1.2.2 DTS的信號調解

本文分布式光纖溫度傳感器的溫度信號采用Stokes-Raman 散射光功率曲線的解調方法[5～10]，該方法能夠有效避免光纖損耗、光源不穩(wěn)定性等對溫度測量結果的影響，原理如下。

對任意溫度T，分別測得某一段光纖的反Stokes和Stokes散射光功率曲線：

將二者的散射光功率曲線相比：

當溫度T=T0時，分別測得某一段光纖的反Stokes和Stokes散射光功率曲線：

再將二者散射光功率曲線相比：

將式（5）和式（8）相比得：

由式（9）即可求出溫度值T的分布曲線：

式中：P、Γ分別為單位長度光纖上后向散射光的光功率和散射系數；v為光在光纖中的傳輸速度；E0為泵浦光脈沖的能量；a0、aAS、aS分別為單位長度光纖上后向瑞利、后向反Stokes、后向Stokes 散射光的損耗系數。

2 萬家口子拱壩DTS現場監(jiān)測研究

2.1 工程概況

萬家口子水電站位于云南省宣威市清水河上，是北盤江干流的第四個梯級電站。工程設計總裝機180 MW，正常高水位1450 m，總庫容2.793億m3。擋水建筑物為拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，碾壓混凝土拱壩壩頂高程1 452.50 m，壩底建基高程為1 285.00 m，最大設計壩高167.50 m，為目前世界上在建最高的碾壓混凝土拱壩。通過分布式光纖測溫技術可有效地保證大體積混凝土的施工質量，制定溫控方案和實施溫控措施，全面準確地把握和預測大體積混凝土施工過程的溫度場分布和發(fā)展規(guī)律，特別是施工期的現場溫度監(jiān)測和控制是非常關鍵和必要的。

2.2 DTS網絡設計

考慮到分布式光纖溫度傳感器的特點和監(jiān)測目標，萬家口子高碾壓混凝土拱壩光纖布置在拱冠梁4#壩段和河床6#壩段，布置方向基本平行于上下游壩面，光纖邊界距橫縫及下游壩面3 m，距上游壩面為2～3 m，管線間隔按5～7 m布置，光纖向下游彎折半徑控制在2.53 m。光纖一般鋪設的豎向間距為6 m，4#壩段埋設共18 層（高程為1 287.0～1 405.0 m），6#壩段埋設共18 層（高程為1 363.0～1 441.0 m），一些特殊結構部位需要跨過，如生態(tài)放水管、導流底孔和廊道等。實際的豎向光纖布設間距還需根據施工的平倉面高程進行適當的微調。4#壩拱冠梁壩段光纖總長約5645 m，6#壩段光纖總長約2959 m，光纖總長合計約8604 m。平層碾壓的壩面采用“己”字型布置；而斜層碾壓的壩面，則采用M或W型光纖布置形式，這樣既能有效監(jiān)測壩體內部溫度沿線變化過程，又能適應復雜施工工藝要求。4#壩段1 298.0 m高程以下為平層碾壓布置，1 298.0 m高程以上為斜層碾壓布置，光纖布置圖見圖3～圖5。

圖3 萬家口子RCC拱壩光纖測溫段上游布置圖

圖4 DTS傳感網絡立面布置圖

圖5 4#壩段典型DTS傳感網絡平面布置圖

2.3 工藝要求及測控流程

碾壓混凝土的施工運輸機械多、碾壓設備多、管線多，工作性質粗放，而光纖材料本身精細、敏感性強、易折斷。光纖埋設是一個嚴密、精細的工作，二者反差巨大，因此，在光纖埋設工藝方面的研究顯得尤為重要，如何實現光纖的100%成活率，需要對光纖的埋設工藝進行認真的實驗和現場研究，這是項目成敗的關鍵環(huán)節(jié)。根據工程實際，總結提出了開（鉤）槽法、貼附法和架設法3種施工工藝。

（1）開（鉤）槽法。開槽法是在混凝土凝固之后，再根據光纖布設要求及現場情況進行開槽鋪設光纖；而鉤槽法則是在混凝土初凝時間以內，便依據光纖布設要求及現場情況進行鉤槽埋設光纖，兩者的區(qū)別在于埋設光纖在混凝土初凝期的前后。將開槽的深度設置為15～20 cm，寬10～15 cm可以避免倉面沖毛、打毛對光纖的損傷。在開槽施工的時候，需要保證槽底部相對平整，需剔除大礫石塊。而鉤槽法施工則在混凝土初凝期之前，混凝土通過重型碾壓器械碾壓后混凝土中的水分析出，混凝土表層富有彈性，因此，在鉤槽法施工時盡量保持光纖松弛，設法減小光纖受到混凝土固化的影響。

（2）貼附法。貼附法用于光纖從特殊的結構物表面穿過，如廊道或從已布置的鋼筋網下面穿過等。采用貼附法施工時，需要將光纖貼附，以避免光纖外露；一般采用樹脂進行粘貼，為了保證光纖全部埋入結構物中，還需要使用扎絲進行固定，如遇到從上部穿過已布置的對象，還需要用鋼筋架橋牽引，并用PVC管進行保護。

（3）支架法。支架法一般是在光纖鋪設特定部位需要超越已平倉面使用，在超越平倉面需要用鋼筋做好牽引支架，將光纖架設過渡。支架法需注意的是需要用兩根直徑為12 mm 鋼筋將光纖包合起來，鋼筋腳支架為間距為1.5 m左右，離地面大約為0.5 m為好。

為確保光纖良好的通信狀態(tài)，埋設前應采用激光源對光纖進行檢驗。應保持光纖鋪設平順，避免外力損傷和折斷光纖。要嚴格控制光纖與冷卻水管距離在0.5 m 以上，施工中振搗棒與光纖的距離保持在0.5 m 以上。在埋設廊道部分光纖時，上游行距須間隔布置，以免與帷幕鉆孔及排水孔沖突。光纖埋設后注意保護，灌漿及排水孔鉆孔施工時應避免碰撞，要將各層實際光纖平面放樣及其空間位置關系提供給壩體排水及灌漿施工單位。本工程引進先進OTDR 檢測儀，在光纖傳感監(jiān)測網絡埋設的過程中，可以通過專用儀器光時域發(fā)射儀（OTDR）進行跟蹤檢測，確保全程埋設質量；當埋設過程中發(fā)生光纖折斷時，立刻便可探知光纖折斷的具體位置，再用專用的光纖熔接機進行熔接。

在現場溫度監(jiān)測過程中，進行儀器連接和初步校核后即可進行溫度測量，DTS測控流程如圖6所示。

2.4 監(jiān)測成果及分析

2.4.1 與常規(guī)溫度計測量比較分析

圖6 DTS溫度監(jiān)測流程圖

表1 常規(guī)溫度計與分布式光纖測量氣溫和水溫對比 ℃

2011 年4 月4 日～9 月20 日，對4#壩大氣環(huán)境溫度和水箱水體溫度進行了常規(guī)溫度計測量和分布式光纖測量，并做了對比分析，從表1 可以看出，兩種方法的測量結果基本一致，誤差小于0.3℃，說明分布式光纖溫度測量結果的準確性和可靠性。

2.4.2 碾壓混凝土壩體水化熱過程分析

本文分別選取基礎強約束區(qū)、基礎弱約束區(qū)中1 289.5 m 和1 298.0 m 高程實測溫度過程來研究碾壓混凝土壩體水化熱過程。一般約定，基礎強約束區(qū)取底板長邊的0.1～0.2倍，基礎弱約束區(qū)取底板長邊的0.2～0.4倍，0.4倍長邊以上為非約束區(qū)。拱壩底寬36 m，建基面按1 285.0 m 高程算起，1 289.5 m 高程屬于基礎強約束區(qū)，1 298.0 m高程屬于基礎弱約束區(qū)。參考圖5 監(jiān)測光纜的平面布置圖選取特征點，平層碾壓的1 289.5 m 和1 298.0 m 高程分別為F、FOE、E、D、DOC、C、B、BOA、A 共9 點，其中FOE分別為F、E兩點間中心點，以此類推。

（1）基礎強約束區(qū)水化熱過程。處于基礎強約束區(qū)4#壩1 289.5 m高程的壩體，2011年4月1日收倉，下一倉面澆筑時間為4月7日，下一倉平倉時間為4月10日。4月7日以前監(jiān)測的4#壩1 289.5 m高程壩體溫度均屬于壩體的表層溫度；4 月7 日～22日，4#壩1 289.5 m 高程壩體達到最高溫度27.5℃，發(fā)生在二級配的BOA 點。溫升過程時間為14d，主要是受到1 289.5 m 高程殘余水化熱、絕熱溫升和1 289.5～1 291.9 m 高程水化熱的影響。至5 月18 日，4#壩1 289.5 m 各特征點溫度處于相對穩(wěn)定。從2011年4月1日收倉，至5月30日，已經監(jiān)測了2個月，溫度逐漸穩(wěn)定在23.0～26.0℃左右，后隨氣溫變化而變化。圖7 和圖8 分別為2011 年4 月7 日和4月22 日1 289.5 m 高程光纖沿路徑溫度監(jiān)測實時曲線。圖9為1 289.5 m高程各特征點溫度過程線。

圖7 4#壩1 289.5 m高程4月7日溫度監(jiān)測實時曲線

圖8 4#壩1 289.5 m高程4月22日溫度監(jiān)測實時曲線

圖9 4#壩1 289.5 m高程壩體特征點溫度過程線

（2）基礎弱約束區(qū)水化熱過程。處于基礎弱約束區(qū)的4#壩1 298.0 m 高程壩體，在5 月5 日20：00分3 個倉面開始澆筑，底孔澆筑采用變態(tài)混凝土澆筑方案，其余兩個倉面采用碾壓混凝土澆筑方案，澆筑至5月12日上午10：00，4#壩1 300.0 m高程收倉。澆筑期間，5月10日晚23：00開始出現了大雨天氣，且持續(xù)至5 月11 日上午09：00。另外，5 月15～18日，每日壩體氣溫變化很也大，晚上氣溫為21.8～29.0℃，白天溫度高達40.0℃。根據5 月16～18 日的監(jiān)測溫度數據顯示，4#壩1 298.0 m高程壩體溫度最高發(fā)生在光纖位置AB、DC、EF的中心附近，變態(tài)混凝土澆筑區(qū)（底孔位置）。5月16日，變態(tài)混凝土部分最高溫度為42.0℃，5 月17 日最高溫度為42.6℃，至5月18日，變態(tài)混凝土部分溫度最高達到43.3℃；碾壓混凝土部分壩體溫度大部分在31.5～32.5℃范圍之間，比基礎強約束區(qū)高3℃左右。碾壓混凝土光纖位置B點溫度較高，為35.0℃，但整體碾壓混凝土部分壩體的溫差在5℃以內，屬于正常范圍。5月11日，變態(tài)混凝土入倉溫度為25.9℃，對比碾壓混凝土料4 月10 日的測量溫度為14.0℃，變態(tài)混凝土入倉溫度高11.9℃。6月12～20日的監(jiān)測溫度數據顯示，4#壩1 298.0 m 高程壩體溫度最高發(fā)生在光纖位置AB、DC的中心附近，該位置基本處于變態(tài)混凝土澆筑區(qū)（底孔位置以及生態(tài)放水管位置）。由于壩體的上、下游壩面充水，光纖位置EF 中心點（離下游壩面拱冠梁3 m 位置處，見圖5）在監(jiān)測日期6 月12日溫度下降較大。4#壩1 298.0 m 高程壩體常規(guī)碾壓區(qū)溫度基本維持在27.0℃左右，并緩慢下降；變態(tài)混凝土澆筑區(qū)已經全部下降至33.0℃以下。圖10、圖11分別為2011年5月4日和5月18日1 298.0 m高程光纖沿路徑溫度監(jiān)測實時曲線，圖12為1 298.0 m高程各特征點溫度過程線。

圖10 4#壩1 298.0 m高程5月4日溫度監(jiān)測實時曲線

圖11 4#壩1 298.0 m高程5月18日溫度監(jiān)測實時曲線

圖12 4#壩1 298.0 m高程壩體特征點溫度過程線

2.4.3 碾壓混凝土壩體級配對溫升的影響分析

4#壩1 298.0 m 高程碾壓區(qū)混凝土不同級配間特征點溫度過程線，取光纖位置A、D、E 3 個點，其中A 點處于二級配區(qū)，D 和E 點均處于三級配區(qū)。相對E點，A點和D點離生態(tài)放水管位置較遠，受變態(tài)混凝土溫升影響較小，故A 點和D 點能夠較好地反映二級配和三級配間溫升差別，兩者溫差一般為2～3℃之間。碾壓混凝土級配配合比參數見表2，二級配所用水泥含量高于三級配，水化熱熱量較大。另外，E點離變態(tài)混凝土澆筑區(qū)很近，E點和D點在5月10日～25日期間能夠較好地反應同級配間變態(tài)混凝土溫升對壩體的影響，溫差一般為1～2℃之間（見圖13）。

2.4.4 冷卻水管的降溫作用分析

表2 碾壓混凝土級配配合比參數

圖13 4#壩1 298.0 m高程壩體碾壓區(qū)不同級配間特征點溫度過程線

為了對比冷卻水管對壩體溫度影響，特選取1 298.0 m 高程D 和E 兩個最具代表性的點，其中D點和E點屬于同高程、碾壓三級配混凝土區(qū)，平面距離相差12 m，D 點和E 點都屬于4#壩體距離橫縫3 m 位置，其中E 點靠近壩體下游1 m，正好這個部位有個主冷卻水管，距離為2 m，而D點相距較遠為14 m。澆筑層隨著自身水化熱升高，至5 月25 日達到最大值，5 月18 日～6 月12 日期間采用12°C 冷卻水通水冷卻，5月18日～6月12日區(qū)間D點和E點溫度變化反映出碾壓混凝土內部溫度下降迅速，最大降溫達6.2°C，能夠較好地反應同級配間冷卻水管對壩體的降溫作用。

3 結語

隨著分布式光纖溫度傳感技術的發(fā)展和應用，光纖傳感技術已經成為大壩混凝土溫度監(jiān)測的新型技術，在連續(xù)測量分層光纖沿程隨時間變化的溫度值方面，直觀準確地掌握混凝土內部溫度變化規(guī)律有著獨特的優(yōu)勢和精度。高碾壓混凝土拱壩的網絡布置和工藝要求具有自身特點，本文結合光纖的技術要求和工程特點，總結光纖網絡布置原則、鋪設方法和工藝要求以及保護措施等，確保能及時準確的獲知混凝土內部溫度變化。