摘要:本文基于分布式光纤测温的技术优势，对传统的测温光纤结构进行了改进，并成功地应用于景洪电站大坝混凝土温度和渗流定位监测，属于国内首创。在目前国内没有相应规范参考的前提下，首创性地提出了对这一特殊结构形式测温光缆的温度检验方法，并介绍了该光缆的铺设工艺和实测成果。改进后的测温光缆在碾压混凝土中的埋设成活率为100%，光纤温度分辨率为0.590，空间分辨率为0.5m。实测成果表明分布式光纤测温系统能快捷、准确地监测大坝混凝土结构内部温度场的变化，为有效地评价大坝安全提供了可靠的科学依据，具有较大的工程应用价值。
关健词:水利工程管理;温度;监测;分布式光纤;测温系统;景洪电站
中圈分类号:TV698.1 文献标识码:A
0 前言
分布 式 光 纤集传感与传输于一体、一次获取的信息量大、可实现远距离测量与监控等优势被广泛应用于通信、国防军工、工业、火灾预警预报等领域。近年来，我国正在将分布式光纤逐步应用于水利水电工程，用以大坝混凝土温度监测、渗流定位监测、裂缝监测等。但是，以前大多水利工程只是用以工程试验研究或小规模的使用，没有形成大规模，且光纤的埋设成活率较低。基于对分布式光纤测温技术全面掌握和了解，我们对测温光缆的结构形式进行了改进，并在澜沧江流域景洪电站大坝混凝土内大规模地布置了分布式测温光纤，对大坝混凝土温度进行监控。本文将介绍分布式光纤及光纤测温系统在景洪电站大坝混凝土温度监测中的应用研究。
1 分布式光纤测温原理及优点
光在 光 纤 中传输时，与光纤中的分子、杂质等相互作用，发生米氏散射、瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射等。
其中喇曼散射是由于光纤中分子的热运动与光子相互作用发生能量交换而产生的，它包含有Stokes(斯托克斯光)和Anti-Stokes(非斯托克斯光)，其中，Stokes光与温度无关，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化，由斯托克斯光与非斯托克斯光光子数之比和温度的定量关系，可得温度值T;光子数以信号电平由测温系统测得。
式中，To为基线的绝对温度，h为普朗克常数(J"s) ;k 为玻尔兹曼常数(J/K);AX 为拉曼光频率增量，na(T).na(T)分别为温度为T时Stokes和Anti-Stokes光光子数(信号电平)，n,(To).na(To)为温度为To时Stokes和Anti-Stokes光的光子数(信号电平)。
对测 量 点 的沿程空间精确定位是通过OTDR( OpticalT imeD omainR eflection)技术实现的，利用人射光和后向散射光之间的时间差△t‘和光纤内的光速Ck，可以计算不同散射点的位置距人射端的距离X;，因而可以得到光纤份程儿半连续的温度分4f，
为石间散射}Z_盯同。
分布式传感型光纤测温系统其主要优点有:
1)信 息 量 大。由于光纤任一点都是“传感器”，分布式光纤测温系统能在整个连续光纤的长度(目前我国控制在2km内)上以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，对其周围的物理量进行测定。
2) 自 动化 程度高。分布式光纤测温系统可以实现在线实时监测，可以依据工程需要设置最高温度、最低温度、平均温度及温升(降)速率等物理量的报警级别，实现自动预警预报和远程自动化控制。
2 改进后的测温光缆结构
光纤 的大 小形如人体的头发丝，不能用来直接测试大坝混凝土温度。在以往的光纤测温实验或工程应用中，经常出现光纤被折断而导致光纤的成活率很低，实验表明普通的通讯光缆或裸纤在碾压混凝土中的埋设成活率几乎为零。基于这一情况，我们对测温光缆的结构形式进行了改进并提出了特殊的制作要求;1)光缆的抗压、抗拉、抗折强度满足碾压混凝土施工要求;2)光缆保护层材料的导温系数应满足本测试系统分辨要求。本工程采用特殊GYTS一4D型号的测温光缆，这种光缆除了增加普通的光纤芯数外，还增加内置钢丝、铜丝(留作渗流定位监测时使用)，外有金属护套。这种结构型式的光缆具有较高的抗压、抗折强度(目前该工程的光缆埋设完好率为100%)，光缆安装简便，不受侵蚀、震动及电磁场的影响。同时，这种光缆对温度极其敏感，光缆的空间分辨率和温控范围均满足大坝混凝土温控要求，除对大坝混凝土温度进行监测外，还可用于大坝渗流定位监测。
3 测温光缆的温度检验
与常 规 监 测仪器一样，分布式光纤测温系统在大坝混凝土温度测试前，必须对测温光缆的温度常数进行标定，但是目前国内没有光缆的温度检验标准，我们只能依据测温光缆的传感温度(DTS测试)与环境温度(常规温度计测试)成线性的关系这一原理进行率定。由于光缆的长度一般达到数公里，在标定过程中。我们只对其中的一段(一般50m或loom)进行标定。
光缆 的温 度系数主要由光缆材料自身的导热系数决定，在标定过程中，因为光缆的测温系数是未知的，不能准确测出光缆的温度绝对值，只设置经验参数测试不同标准温度条件下的检验温度值，由于检验温度值与标准温度呈正相关线性关系，这样就测出给定参数条件下光缆的温度系数k。在标定过程中，我们考虑景洪电站大坝混凝土施工过程(或运行过程)的温度范围，确定对测温光缆的温度检验范围，确保测温光缆温度检验参数的精确性，在实际标定过程中，我们在恒温槽中分别对光缆加热(或冷却)至温度IOT ,300C ,50cC ,70℃四级标准温度，每级温度稳定时间超过30分钟，温度检验时每级标准温度对应的测试检验温度的个数超过30个(每个数据的采集时间约3分钟)，取其算术平均值计算光缆的温度检验参数，如图1。实测成果表明这一率定方式是成功的。
4 测温光缆的铺设
景洪 电 站 大坝混凝土温度测温光缆主要布置在碾压混凝土层，但是在部分高程中，为了解碾压混凝土和常态混凝土温度变化差异，也布置了一定数量的光纤，布置过程中，同一层面中光缆布置间距为5m左右，从下往上，每层测温光缆的层间距为5一6m不等。为有效检验测温光缆的精度和空间分辨率，在某一高程层面中心轴线上布置了一定数量的常规温度计。典型层面光缆布置见图30在水 工 混 凝土施工过程中，分布式光纤的埋设分两种情况，一种是在混凝土浇筑过程中埋设，即埋设在混凝土热升层，另外一种是在某层混凝土浇筑完毕，下仓混凝土开仓前埋设，即埋设在混凝土冷升层。在混凝土热升层埋设光缆的步骤如下:
1)开 槽 : 在混凝土浇筑过程中，在设计高程的仓面上先沿光纤设计布设线路开挖一条光缆槽，光缆槽的深度约5一locmo
2)敷 设 : 在光缆槽内敷设光缆，将光缆敷设平顺，在两种混凝土之间或拐弯部位，适当将光缆放松，拐弯半径大于15倍光缆直径(约15cm)o
3)定 位 :测量光缆布置平面位置，并记录光缆刻度，绘制光缆平面布置草图。
4) 回填 :剔除粗骨料，人工回填混凝土并整平。
在混 凝 土 冷升层埋设光缆的步骤如下:
1)铺 设 : 在设计高程的仓面上铺设光缆，力求保持光缆铺设平顺，拐弯半径大于15倍光缆直径(约15cm)，每隔2米用水泥钉固定光缆。
2) 定 位 :测量光缆布置平面位置，并记录光缆刻度，绘制光缆平面布置草图。
3)覆 盖 :在混凝土浇筑期间，让混凝土自然覆盖光缆。
5 实测成果及分析
5.1 分布式光纤实测温度的真实性
为有 效 了解分布式光纤实测大坝混凝土温度的真实性，在中心断面部位将常规温度计绑扎在测温光缆上，同时对大坝混凝土温度进行测定。两者成果对照见表10
从光 纤 与 温度计实测大坝混凝土温度可以看出:光纤和温度计实测大坝混凝土温度基本一致，两者实测大坝混凝土温度差在0.5℃以内，考虑到测温光纤的最小分辨率(0.5cC)和温度计的最小分辨率(0.1cc )，测温光纤实测混凝土温度是相当准确的。其次，光纤和温度计实测大坝混凝土温度变化趋势基本一致，呈良好的正相关关系，相关系数达到0.997，光纤实测大坝混凝土温度是真实可靠的。
5.2 分布式光纤实测大坝混凝土温度特征统计
分布 式 光 纤测温系统能实现在线实时监测，有利于大坝混凝土温控工作。现将景洪电站12#坝段大坝混凝土浇筑期间光纤实测混凝土温度特征值进行统计，见表2。从表2可以看出:1)分布式光纤实测大坝部分层面混凝土最高温度超过了设计允许最高温度;2)各层面混凝土最高温度大部分出现在其浇筑后的7天左右，混凝土温升在8一巧℃之间。
本工程中，受天气条件的影响(景洪电站地处热带雨林气候)，混凝土开仓时坝区气温一般在30℃左右，混凝土人仓后温升快，导致部分层面混凝土温升过高。由于对大坝混凝土进行了及时监控，发现温升超标部位及时采取了温控措施，如降低冷却水水管的进口水温和增加冷却水流量等。分布式光纤测温系统在本工程的温控中提供了科学指导依据，并结合有效的温控措施，本工程大坝混凝土没有出现明显的温度裂缝。
5.3 分布式光纤实测混凝土温度峰值说明
大坝 混 凝 土温度受混凝土的人仓温度、冷却方式、养护方式、水灰比、混凝土标号及类别、龄期、大坝约束边界条件等因素的影响，在不同时期、不同部位分布式光纤实测大坝混凝土温度变化规律不同，出现了一些有规律的温度“峰值”。
图 2(a)为 2004年12月1日(543高程混凝土浇筑后第7天)光纤实测大坝混凝土温度分布曲线。图中“A'，点为光纤上升牵引端，" E'’点为光纤垂直上升观测端。从图2(a)可见看出:分布式光纤实测三个层面大坝混凝土温度均较明显地出现了1一2个峰值，即温度最高点，图2(a)中“B，，、“C，，、“D，，三点对应温度分别为34.59T、 31.40 cC 、 31.04 cC ，对应三个层面的坐标(坝纵，坝横)分别为:DO+38.2,0一024;DO + 3 8.0,0+ 0 24;DO + 0 2.2,0 一024。由此可见，受边界条件影响和制约，这三个层面混凝土温度的最高部位均处于中心断面;其次，每个层面交界处光缆实测混凝土温度出现陡增(或陡降)变幅为4.5℃左右，说明每个层面附近的混凝土温度梯度较大。
图 2( b) 为6月21日分布式光纤实测大坝549高程以上的混凝土温度分布曲线。从图2(b)可见:549高程以上各层面混凝土出现了很多有规律的温度峰值，即“波峰”和“波谷”，“峰”“谷”之间的温度差为7℃左右。
分析 其 原 因是:施工期，为有效控制混凝土温升过大导致混凝土出现裂缝，每个层面均布置有冷却水管通水冷却。光纤的布置与冷却水管呈平行状，见图3。现结合图3和图2(b)来解释混凝土温度峰值问题。以566高程为例，图2(b)“波谷”即“1,2,3,4'，点对应光纤刻度分别为253.5,285.5,315.5,345.0， 这四个部位均位于光纤与冷却水管交叉部位的附近，很显然“波谷”的出现是因冷却水管在通水过程中导致其附近混凝土温度下降引起，而此时549高程已经停止通冷却水，在该图中这一峰值现象已经不明显;图2(b)“波峰”即“工、n、班、W”点对应光纤刻度分别为273.0,299.0,330,359，这四个点基本上均位于距离大坝下游侧20一22m部位的一条直线上，即为该高程大坝混凝土温度最高区域。该坝段566高程处大坝长度(坝轴线方向)为20m，坝宽40m，很显然受边界条件的影响，大坝中心部位混凝土温度最高，即温度“波峰”。
由此 可 见 :分布式光纤实测大坝混凝土温度峰值真实反映了混凝土内部温度场的分布规律，温度曲线的峰值正常地反映了浇筑层混凝土温度的变化情况。这说明分布式光纤测温系统应用于大体积混凝土内部温度监测是可取的。
6 结论
1)分 布 式 光纤测温系统应用于景洪电站大坝温度监测是成功的，测温系统实测大坝混凝土温度真实可靠。
2)光 缆 铺 设的质量和埋设成活率，是分布式光纤测温工作成功与否的关键。改进后的测温光缆满足本工程碾压混凝土的强度要求，埋设成活率为100%。但是在安装埋设时应严格控制光缆的拐弯半径，并准确记录光缆的埋设坐标以及光缆与冷却水管等其他构件的相对距离等。
3)分 布 式 光纤测温系统能够在线实时地快速获得坝体混凝土的温度场分布，它是混凝土性能分析、施工管理的质量、温度控制等方面分析的重要科学依据。真实、及时了解混凝土浇筑层面温度变化规律，是深人研究温度变化与出现裂缝的关系，提高施工质量的有效方法。
4) 分 布 式光纤测温系统实测大坝混凝土温度曲线能够准确地反映施工期不同标号和性态的混凝土水化热温升情况，能真实地了解混凝土浇筑层面温度的变化规律，为有效地评价大坝后续运行期碾压混凝土层间渗流情况(增加加热装置)提供了科学依据。
参考文献:
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