分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究.docx

?

?

分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究

?

?

摘要：以光纤分布式测温系统为手段，研究了三峡工程左厂14坝段浇筑过程中混凝土水化热的释放过程。结果表明，高程为140.56m的仓面，混凝土浇筑后3d，坝块内部上游面温度和中心点温度达到最高值，分别为34.75℃和2685℃；坝块内部下游面温度达到最高值是混凝土浇筑后5d，为30.4℃；22～28d，坝块内部温度逐渐下降并趋于稳定。

关键词：三峡工程温度光纤传感监测

?

????几乎所有的混凝土坝施工期间都要采取措施进行温度控制，减小坝体内温度梯度，防止裂缝，确保大坝安全，及时和准确地获得大坝混凝土结构内部的温度场信息是大体积混凝土施工控制的关键。大坝运行期间，温度荷载是引起坝体变形和应力变化的主要荷载之一，因此对坝体运行期间温度场的监测也是安全监测的重要内容之一。传统坝体温度测量一般使用点式温度计，以热电偶式温度计为例，这种温度计本身具有较高的精度，但就工程实际应用而言，尚有许多不足，一支温度计只可测量一个点的温度，对工作的环境要求严，抗干扰能力差，安装复杂干扰施工，尤其是传统的温度计信息量太少，很难掌握整个坝体内部温度场的变化。作者经过近三年的论证和准备，率先引进了分布式光纤测温系统，并在三峡工程左厂14坝段大体积常态混凝土中进行了分布式光纤温度传感监测技术现场试验研究，实现了常态大体积混凝土浇筑施工过程温度场的实时监测，本文介绍其中的部分成果。

1光纤温度传感方法发展与应用情况

????加拿大学者Measures[1]等在加拿大Calgary一座两跨碳纤维钢筋混凝土预应力桥梁上，埋设了5套4通道Bragg光栅光纤传感系统，在桥梁建造过程中和使用期内检测其内部温度和应变。意大利学者Gusmeroli[2]等报道了他们将F-P光纤干涉传感器埋入一个5m长的混凝土梁中检测其热膨胀。瑞士皇家技术学院Smart公司的产品采用Brillouin散射光的分布式温度测量系统，它不但需要从光纤的一端输入脉冲激光光源，另一端输入连续激光光源，而且需要采取措施来分离温度效应的机械应变效应，所以其工程应用不是最佳选择。英国YorkSensorsLimited是国际上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公司，已经有20多年的历史，并一直在该技术领域中保持国际领先地位。通过测量发射光和接收定点反射光的时间差及光在光纤中的传播速度可精确地确定发生反射的位置(定位)，利用反射光中Raman反射光的温度依存性质，可以计算出发生反射的点的温度值。德国GTC公司同慕尼黑科技大学[3]利用YorkSensorsLimited的产品，在土耳其Birecik混凝土坝、约旦Wala坝等工程都做了应用性的研究工作。清华大学同慕尼黑科技大学在新疆石门子工程也做了较有意义的工作。成都电子科技大学光纤国家实验室与龙羊峡、刘家峡水电厂等合作，成功地开发了大型水、火发电机组的光纤温度传感器等多项传感技术，但都属点式测量。重庆大学光电子工程学院20世纪90年代初进行过光纤分布式测温技术的研究，取得了重要成果。天津大学[4]从传感器的结构特点和材料的物性系数出发，在理论上证明了光纤温度与Brillouin频移量之间存在线性关系。中国计量学院光电子技术研究所[5]研制了一种由分布式光纤温度传感器组成的新型在线自动温度检测系统，最近应用于煤矿火灾报警。北京航空航天大学[6]从光学的角度出发，分析了基于Raman反射的光纤分布式测温系统的空间分辨力理论极限及影响因素。宁波振东光电子有限公司与秦山核电厂合作，将分布式光纤测温系统用于电缆温度监控。

2分布式光纤温度传感器的基本原理

????向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会以略低于真空中的光速的速度向前传播，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，测量发入射光和反射光之间的时间差T，则发射散射光的位置距入射端的距离X为

(1)

式中：C为光纤中的光速，C=C0/n，C0为真空的光速；n为光纤的折射率。

????反射回入射端的反射光中，有一种称做Raman散射光。该Raman散射光含有两种成份：Stokes和Antitokes光。其中Stokes光与温度无关，而Anti-Stokes光的强度则随温度变化。Anti-Stokes与Stokes之比和温度之间关系可用下式表示：

(2)

式中：las为Anti-Stokes光；ls为Stokes光；a为温度相关系数；h为普郎克系数(J·s)；c为真空中的光速(m/s)；v为拉曼平移量(m-l)；k为鲍尔次曼常数(J/k)；t为绝对温度值。

????根据式(2)及实测Stokes-Anti-Stokes光之比可计算出温度值为：

(3