散布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场实验研究.docx
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散布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场实验研究
散布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场实验研究
摘要:
以光纤散布式测温系统为手腕,研究了三峡工程左厂14坝段浇筑进程中混凝土水化热的释放进程。
结果说明,高程为的仓面,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,别离为℃和2685℃;坝块内手下游面温度达到最高值是混凝土浇筑后5d,为℃;22~28d,坝块内部温度慢慢下降并趋于稳固。
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方法进行温度操纵,减小坝体内温度梯度,避免裂痕,确保大坝平安,及时和准确地取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操纵的关键。
大坝运行期间,温度荷载是引发坝体变形和应力转变的要紧荷载之一,因此对坝体运行期间温度场的监测也是平安监测的重要内容之一。
传统坝体温度测量一样利用点式温度计,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,很难把握整个坝体内部温度场的转变。
作者通过近三年的论证和预备,率先引进了散布式光纤测温系统,并在三峡工程左厂14坝段大体积常态混凝土中进行了散布式光纤温度传感监测技术现场实验研究,实现了常态大体积混凝土浇筑施工进程温度场的实时监测,本文介绍其中的部份功效。
1光纤温度传感方式进展与应用情形
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,在桥梁建造进程中和利用期内检测其内部温度和应变。
意大利学者Gusmeroli[2]等报导了他们将F-P光纤干与传感器埋入一个5m长的混凝土梁中检测其热膨胀。
瑞士皇家技术学院Smart公司的产品采纳Brillouin散射光的散布式温度测量系统,它不但需要从光纤的一端输入脉冲激光光源,另一端输入持续激光光源,而且需要采取方法来分离温度效应的机械应变效应,因此其工程应用不是最正确选择。
英国YorkSensorsLimited是国际上首家开发光纤散布式测温系统并使之商品化的公司,已经有20连年的历史,并一直在该技术领域中维持国际领先地位。
通过测量发射光和接收定点反射光的时刻差及光在光纤中的传播速度可精准地确信发生反射的位置(定位),利用反射光中Raman反射光的温度依存性质,能够计算动身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成心义的工作。
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年代初进行过光纤散布式测温技术的研究,取得了重要功效。
天津大学[4]从传感器的结构特点和材料的物性系数动身,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]研制了一种由散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]从光学的角度动身,分析了基于Raman反射的光纤散布式测温系统的空间分辨力理论极限及阻碍因素。
宁波振东光电子与秦山核电厂合作,将散布式光纤测温系统用于电缆温度监控。
2散布式光纤温度传感器的大体原理
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,同时向周围发射散射光。
散射光的一部份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刻差T,那么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光的强度那么随温度转变。
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。
依照式
(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反射光中两种成份之比,与绝对值无关,因此既使光纤随时刻老化,沿程光损失增加,仍可排除光损失的阻碍,从而可一直保证测温精度。
3散布式光纤传感监测混凝土结构温度场
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×20m,仓面高程,薄层浇筑层厚,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,又避免了混凝土浇筑进程对传感光缆的损伤,坝体内部共埋设传感光缆。
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可产生一个批处置文件,通过命令文件能够设置关注区域、报警舆值。
图1光纤传感网络中间功效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,为了把握坝块内部混凝土水化热实际的释放进程,一周内天天检测3次,别离选择在不同的环境温度下进行。
混凝土浇筑后的3d(21:
55),坝块内部上游面温度达到最高值,传感点号115,网络定点位置,温度峰值为℃,现在,实测光纤传感网络温度散布曲线如图2所示。
其中:
AB为光纤测温系统机内光纤段,BC为机外尾纤,CD为接线盒至进坝口的不锈钢铠装传输光缆,D点为传感网络进坝口,以后的不锈钢铠装光缆既传感又传输,随时可取得80个点的温度值。
为验证检测功效的准确性,对进坝口D点前的AB、BC、CD段用常规温度计进行了测量,误差仅为℃。
由图1知,从113点开始,仓面底部没有布置蛇形冷却水管,115点的位置离冷却水管最远,距上游表面,这是造成图2FG段(113点~115点)在整个水化热释放进程中属最高温度散布区的重要缘故之一。
4d后,峰值温度开始慢慢下降,4月30往后趋于稳固,量值在~25℃。
图2最高温度时刻的光纤传感网络温度散布曲线
图3第二峰值温度时刻光纤传感网络温度散布曲线
坝块内手下游面是第二个温度高值区(DE段,即78点~88点),温度达到最高值是混凝土浇筑后的第5d(10:
21),峰值为℃,网络定点位置现在,实测光纤传感网络温度散布曲线如图3所示。
这一区域的仓面底部一样没有布置蛇形冷却水管,只是离冷却水管的距离只有1m;2个温度高值区的混凝土标号均为250,其他区域为150,这是造成2个温度高值区的又一重要缘故;DE段4级骨料级配,而FG段3级骨料级配,这也促成了FG段最高温度散布区的形成。
6d后,峰值温度开始慢慢下降,4月22往后趋于稳固,量值在23~25℃。
图411五、80、100测点温度进程线
将实测上游面115点的温度进程线、下游面88点的温度进程线和传感网络内部中心100点的温度进程线绘于图4中,显见上游面115点温度进程线形成了外包络线,一直处于最高;下游面88点温度进程线处在中间,这是2个温度高值区,但二者下降较快,且速度几乎一样;网络内部中心100点的温度进程线在最下方,量值小,但下降速度要慢许多,有时略有上升。
实际监测到的坝块内部混凝土水化热温度曲线属偏正态曲线,这与传统的温度计算理论及热传导理论功效是一致的。
4结论
(1)本文提出的常态大体积混凝土散布式光纤传感监测技术可实现大体积混凝土施工期和运行期的温度场监测,是对大坝温度监测传统仪器、理论和方式的变革和创新。
(2)所优选的光纤散布式温度测量系统安装方便,可快捷、准确地检测到坝体混凝土结构内部温度场的转变,这对大坝的健康诊断和平安运行十分有利。
(3)设计的光纤传感网络大体覆盖了32m×20m的浇筑仓面,且冷却水管、混凝土标号、骨料级配等对实际温度场的阻碍都能在温度散布曲线中较好的反映。
蛇形冷却水管强迫降温成效明显;混凝土标号越高,混凝土水化热产生的温度越大;骨料级配大,对温度的阻碍越小。
(4)在混凝土水化热转变的全进程中,整个仓面的最高温度发生在上游面115点,峰值为3475℃,在设计许诺值之内;28d后,温度慢慢下降,并趋于稳固,温度值在24~25℃之间。
参考文献:
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[6]刘建胜,李铮,张其善.基于拉曼散射的光纤散布式温度测量系统的空间分辨力[J].光学学报,1999,(12):
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