分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、土耳其Birecik混凝土坝、约旦soNormalstyle="TEXT-ALIGN:center"align=center>(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；

6、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)光纤测温方式，直接测量的是Raman反射光中两种成分之比，与绝对值无关，因此既使光纤随时间老化，沿程光损失增加，仍可消除光损失的影响，从而可一直保证测温精度。3分布式光纤传感监测混凝土结构温度场3.1传感光缆与网络设计左厂14坝段是三峡二期工程的最后一个大块体浇筑坝段，曾是塔带机的部位，块体仓面尺寸为32m×20

7、m，仓面高程140.56m，薄层浇筑层厚1.5m，并在底部布置有蛇形冷却水管。仓面混凝土标号、骨料级配分区及设计的光纤传感网络如图1所示。传感光缆选用50μm的多模单芯不锈钢铠装光缆，直径3mm，它既保证了检测结果为纯混凝土温度值，又防止了混凝土浇筑过程对传感光缆的损伤，坝体内部共埋设传感光缆81.1m。3.2连接与检测连接与检测由DTSManager主控程序实现，包括PC与DTS的连接、系统参数装载、命令发送、图形显示及存储、区域显示、报警显示等。其中ZoneGenerator可产生一个批处理文件，通过命令文件可以设置关注区域、报警

8、舆值。图1光纤传感网络3.3中间成果及分析光纤传感网络的埋设于4月2日完成，随即进行了检测，为了掌握坝块内部混凝土水化热实际的释放过程，一周内每天检测3次，分别选择在不同的环境温度下进行。混凝土浇筑后的3d(21:55)