甘孝清，趙軍華，李申亭，李端有

（1．武漢大學水利水電學院，武漢 430070；2．長江科學院a．工程安全與災害防治研究所；b．水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010；3．河南省南水北調(diào)中線工程建設管理局許昌建管處，河南許昌 461000）

分布式光纖加熱技術研究

甘孝清1，2a，2b，趙軍華2a，2b，李申亭3，李端有2a，2b

（1．武漢大學水利水電學院，武漢 430070；2．長江科學院a．工程安全與災害防治研究所；b．水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010；3．河南省南水北調(diào)中線工程建設管理局許昌建管處，河南許昌 461000）

分布式光纖越來越多地應用于土石壩（堤）滲流監(jiān)測中，但光纖的加熱時間長、效率低，制約了分布式光纖的應用。首先闡述了加熱型分布式光纖光纜的技術要求，研究了加熱導體長度、截面面積、電阻與加熱時間的定量關系，然后綜合考慮加熱導體的選材、柔韌性、抗拉強度、電阻率、光纖結(jié)構(gòu)、絕緣等，在盡可能降低成本的基礎上提出了相應的解決辦法，定制出特種加熱型分布式光纖光纜，并將其應用于南水北調(diào)中線一期工程滲漏監(jiān)測中。結(jié)果表明，經(jīng)過定制的加熱型分布式光纖光纜能夠滿足光纖加熱的要求，具有較好的市場應用前景。

分布式光纖；加熱；鎳鉻合金；光纖結(jié)構(gòu)；南水北調(diào)

1 分布式光纖傳感技術應用現(xiàn)狀

分布式光纖傳感技術具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本以及與普通光纖良好兼容等優(yōu)點，且可以實現(xiàn)空間上的溫度與應變連續(xù)監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)點式監(jiān)測的缺點，其在大壩安全監(jiān)測領域越來越受關注［1－2］。分布式光纖作為一種全新的監(jiān)測技術，越來越多地應用于土石壩（堤）滲流監(jiān)測中。當土石體內(nèi)存在大量水流動時，土石體傳導熱的傳遞將明顯被流體運動所引起的對流熱傳遞所超越，即使很少的水體流動也會導致土石體溫度與滲漏水溫度相適應，由此引起溫度場變化［3］。應用分布式光纖監(jiān)測土石體溫度，即可通過分析溫度監(jiān)測結(jié)果對滲漏情況進行定性或半定性判別。

分布式光纖用于大壩（堤）滲流監(jiān)測時，土石體的溫度與滲流水的溫度往往較為接近，分布式光纖則難以通過溫度差異判斷滲漏點的位置，因此需要對分布式光纖進行加熱。滲流水體的流動可以帶走大量的熱量，從而迅速降低水體流經(jīng)部位的分布式光纖的溫度，通過溫度變化可以有效地查找出滲漏區(qū)，并對滲漏量的大小進行初步判定。

實際埋設過程中，加熱型分布式光纖光纜因敷設路徑較長，加熱絲或加熱電纜電阻值較大，要達到預定的加熱溫度，往往需要較高的電壓和較長的加熱時間，不利于分布式光纖在滲漏監(jiān)測中的應用。目前分布式光纖加熱技術尚不成熟，有必要對分布式光纖加熱技術進行研究。

2 分布式光纖加熱技術要求

分布式光纖光纜加熱與一般線纜的加熱方式有所不同，除必須滿足升溫要求外，還應滿足復雜施工條件下的保護及絕緣要求。用于滲流監(jiān)測的分布式光纖光纜是埋設在土體里的，因此既要能夠防止碾壓、沖擊、開挖等對光纜及加熱導體的損壞，具有一定的抗拉、抗壓、抗彎折能力，又要能夠防止加熱通電過程中漏電帶來的危害。對于一般線纜而言，加熱導體與線纜可以分開，但對于分布式光纖光纜而言，加熱導體宜與分布式光纖光纜結(jié)合在一起，因此加熱型分布式光纖光纜應根據(jù)使用環(huán)境條件要求進行定制。

對于加熱型分布式光纖光纜，通常應滿足以下技術要求：

（1）安裝埋設要求。為了保護加熱型分布式光纖光纜中的監(jiān)測光纖，使得光纖在安裝埋設過程中不因土石體碾壓而被拉斷、壓斷或產(chǎn)生過大的變形，光纜應具有一定的抗拉、抗壓強度。同時，光纜一般在土石體內(nèi)呈S形布置，要求光纜具有一定的適應彎折變形的能力。

（2）光纖始終處于自由活動狀態(tài)。應采取隔離措施，使得用于監(jiān)測的光纖與加熱導體、保護套等分離，在光纜處于受拉、受壓或受彎狀態(tài)時，光纖不受外力作用，避免光纖產(chǎn)生應變，從而減少應變對溫度的影響，提高溫度監(jiān)測精度。

（3）加熱導體的總截面面積不宜過大。若想獲得較大的加熱功率，在較短的時間內(nèi)達到所需的溫度，加大加熱導體的總截面面積是一條理想的途徑。但加熱導體總截面面積的增加會帶來2方面的不利影響：一是光纜直徑會相應大大增加，從而使得光纜的彎折變形能力減弱；二是會大大增加光纜的成本。

（4）加熱導體應有較好的絕緣性。加熱導體外表面應具有較好的絕緣性，避免加熱通電過程中導體漏電，危及人員安全。

（5）加熱電壓應宜控制在220 V左右。一般地，分布式光纖埋設部位遠離生產(chǎn)、生活區(qū)，即使具備供電電源條件，也大多為220 V民用電。

（6）光纜保護外套應具有一定的硬度。光纜埋設過程中會受到土石體的碾壓作用，為保證纖芯不受擠壓，光纜保護外套應具有足夠的硬度。

（7）成本不宜過高。分布式光纖監(jiān)測與傳統(tǒng)點式監(jiān)測的優(yōu)勢體現(xiàn)在低成本前提下能夠?qū)崿F(xiàn)空間上的連續(xù)監(jiān)測，如果光纜的單位成本過高，會影響分布式光纖監(jiān)測技術的推廣與應用。

3 光纜加熱導體長度、截面面積、電阻與加熱時間的定量關系

3．1 光纜位于空氣中

當加熱光纜位于空氣中時，短時間內(nèi)光纜與空氣介質(zhì)間的熱交換較小，若不考慮光纜與空氣介質(zhì)間的熱交換，則有

式中：P為加熱導體發(fā)熱功率（W）；t為通電加熱時間（s）；c為加熱導體等效比熱容（J／（kg·℃））；m為加熱導體的質(zhì)量（kg）；T1和T2分別為加熱前后的溫度（℃）。

又有：

式中：R為加熱光纜電阻（Ω）；l為長度（m）；s為電纜橫截面面積（m2）；U為加熱供電電壓有效值（V）；ρ1為加熱導體的電阻率（Ω·mm2／m）；ρ2為加熱導體的密度（kg／m3）。

由式（2）至式（4）可推導出

由式（5）可見，對于確定的某段加熱導體，加熱時間與溫度升高值成正比；對于確定類型的加熱導體和通電電壓，溫度變化率與長度的平方成反比；對于某固定截面積加熱導體，升高至某固定溫度所需時間與長度的平方成正比。

3．2 光纜位于土體和水中

當加熱光纜位于土石體或水體中時，光纜與土石體或水體之間存在熱交換。假設被加熱的光纖無限長，將其埋設在地下某深度處（該處溫度基本維持恒定），通過加熱導線為光纖提供加熱能量，光纖中與其軸等距的所有點將達到相同的溫度，如果在某位置存在滲流，會給光纖造成熱量流失，可按如下方法確定在一給定時間之后光纖內(nèi)不同薄層的溫度［4］。

選取土石體或水體內(nèi)某個半徑為R的圓柱薄面S，研究在此圓柱薄面S所圍成的區(qū)域τ內(nèi)的熱量變化規(guī)律。區(qū)域τ內(nèi)各點的溫度從時刻t1的溫度u（r，θ，t1）變化到時刻t2的溫度u（r，θ，t2）所吸收（或放出）的熱量，應等于從時刻t1到時刻t2這一段時間內(nèi)通過S面流入（或流出）的熱量和熱源提供的熱量之和。即

Q＝Q1＋Q2。（6）式中：Q為區(qū)域τ溫度變化所需要的熱量（J）；Q1為通過S面流入?yún)^(qū)域τ的熱量（J）；Q2為熱源提供的熱量（J）。

其中

式中：c為土石體或水的比熱（J／（kg·℃））；ρ為土石體或水的密度（kg／m3）。

式中F（r，θ，t）為熱源強度。

由式（7）、式（8）和式（9）可得

由τ，t1和t2的任意性可知

式（11）表明了光纖加熱強度與時間、介質(zhì)比熱、介質(zhì)密度之間的關系，結(jié)合土石體或水的比熱與密度及溫升所需要的時間，就可以得出光纖加熱強度，從而求解出加熱導體的電阻率。

4 加熱型光纜定制

常用的光纜加熱方式有內(nèi)置導線加熱方式和包裹式加熱方式。內(nèi)置導線加熱方式通常將導線加工定制在光纜中，包裹式加熱方式通常將加熱電纜包裹在光纜外面。對于埋設在土石體中的光纜，宜采用內(nèi)置導線加熱方式，可提高加熱型分布式光纖光纜的絕緣度。

4．1 加熱導線選擇

通常使用的加熱導線有銅導線、碳纖維導線、玻璃纖維云母合金導線、合金絲導線等。其中合金絲導線具有成本低、抗拉強度高、加熱效率高等優(yōu)點，加熱型分布式光纖光纜優(yōu)先選用合金絲加熱導線。目前常用的合金絲包括鎳鉻絲、鐵鉻絲、純鎳絲、康銅絲、卡瑪絲、銅鎳絲、不銹鋼、新康銅、錳銅、孟奈爾等。鎳鉻絲具有較高的電阻率，表面抗氧化性好，溫度級別高，并且在高溫下有較高的強度，有良好的加工性能及可焊性，因此作為本次研究使用的加熱導線。

為了提高加熱導線的絕緣度，在導線外敷高分子PTC材料和阻燃護套材料。

4．2 光纖選擇

光纖分為單模和多模2種。與多模光纖相比，單模光纖具有傳輸距離遠、空間分辨率高、溫度測量精度高的優(yōu)勢，因此選用單模光纖作為監(jiān)測光纖。將日本NeuBrex公司NBX－7000作為測讀設備，空間分辨率可達5 cm，溫度精度可達0．3℃。

4．3 光纜結(jié)構(gòu)

定制光纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)置3根松套光纖，其中1根作為監(jiān)測主光纖，其余備用。加熱導體合金絲采用4根直徑5 mm鎳鉻合金導線（每根由7股鎳鉻合金絲纏繞而成），絕緣保護層采用厚0．6 mm耐熱硅橡膠及玻璃纖維填充。加熱絲與光纖呈梅花形交錯排列。光纜采用兩層保護，內(nèi)層由鋁帶包裹，內(nèi)護套采用厚0．8 mm聚乙烯材料，外層由鋼帶包裹，外護套采用厚1．8 mm阻燃聚烯烴（阻燃、耐高溫、高傳熱保護套）。

5 工程應用

通過上述研究，我們定制了適用于土石壩（堤）滲漏監(jiān)測的加熱型分布式光纖光纜，并將其應用于南水北調(diào)中線一期工程總干渠高填方膨脹土渠堤的滲漏監(jiān)測中。

加熱型分布式光纖光纜的布置見圖2。

圖2 分布式光纖在渠道中的布置圖Fig．2 Layout of distributed optical fiber in canal bank

因南水北調(diào)中線一期工程尚未通水，渠道內(nèi)不存在滲漏現(xiàn)象。為了檢驗加熱型分布式光纖光纜的完好情況、加熱效率，驗證分布式光纖滲漏監(jiān)測的可行性，在光纜埋設的過程中同時埋設了注水管，在渠道填筑完成后開展注水試驗，向注水管內(nèi)加壓注水，模擬滲漏通道。試驗監(jiān)測成果如圖3所示。

圖3 光纜加熱前后溫度變化分布圖Fig．3 Curves of tem perature variation before and after optical cable heating

從圖中可以看出，分布式光纖經(jīng)過碾壓施工后是完整無損的，加熱10 min以后，沒有滲漏水流過的部位光纜溫度升高約2．9℃，有滲漏水流過的部位光纜溫度升高約0．8℃；加熱20 min以后，沒有滲漏水流過的部位光纜溫度升高約5．1℃，有滲漏水流過的部位光纜溫度升高約1．2℃。

6 結(jié) 語

分布式光纖加熱技術制約了分布式光纖傳感技術在土石壩（堤）滲流監(jiān)測中的應用。本文在研究加熱導體長度、截面面積、電阻與加熱時間定量關系的基礎上，根據(jù)光纖加熱的技術要求，定制了內(nèi)置合金導線的加熱型分布式光纖光纜，應用結(jié)果表明其能夠有效地對分布式監(jiān)測光纖進行加熱升溫，從而查找出滲漏點。目前分布式光纖加熱技術仍處于探索階段，如何實現(xiàn)長距離、短時間、低成本加熱升溫是未來研究的重點。

［1］ 蔡德所．分布式光纖傳感監(jiān)測技術研究［J］．廣西水利水電，2001，（1）：11－14．（CAI De-suo．Study on the Distributed Fiber Sensing Monitor Technique［J］．GuangxiWater Resources＆Hydropower Engeneering，2001，（1）：11－14．（in Chinese））

［2］ 徐衛(wèi)軍，侯建國，李端有．分布式光纖測溫系統(tǒng)在景洪電站大壩混凝土溫度監(jiān)測中的應用研究［J］．水力發(fā)電學報，2007，（1）：97－101．（XUWei-jun，HOU Jianguo，LIDuan-you．Application Research on Temperature Monitoring in Concrete of Jinghong Hydropower Station by Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2007，（1）：97－101．（in Chinese））

［3］ 李端有，熊 健，於三大，等．土石壩滲流熱監(jiān)測技術研究［J］．長江科學院院報，2005，（6）：29－33．（LIDuan-you，XIONG Jian，YU Shan-da，etal．Study on Seepage Monitoring Technology with Temperature in Embankment Dam［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2005，（6）：29－33．（in Chinese））

［4］ 傅立葉．熱的解析理論［M］．桂質(zhì)亮，譯．北京：北京大學出版社，2008．（FOURIER．Analytical Theory of Heat［M］．Translated by GUIZhi-liang．Beijing：Beijing University Press，2008．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Research on Heating Technology of Distributed Optical Fiber

GAN Xiao-qing1，2，ZHAO Jun-hua2，LIShen-ting3，LIDuan-you2
（1．School ofWater Resources and Hydropower Engineering，Wuhan University，Wuhan 430070，China；2．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Xuchang Branch of Henan Provincial Bureau of the Construction and Administration of Middle Route Project of South-to-North Water Transfer，Xuchang 461000，China）

Distributed optical fiber has been increasingly used in dam（dike）seepagemonitoring，but its application is restricted by long heating time and low efficiency．First，the technical requirements of distributed fiber optic cable with heating function are expounded in this paper．Then the quantitative relationship between heating time and other factors，including heating-conductor length，cross-sectional area and resistance，are analyzed．In overall consideration of thematerial，flexibility，tensile strength，resistivity，optical fiber structure，and insulation of the heating conductor，a special distributed fiber optic cable with heating function was customized with lowest cost and was applied to the leakagemonitoring for the first stage project ofmiddle route South-to-North water transfer．The results showed that the customized distributed fiber optic cablemeets the heating-requirements，demonstrating good market prospect．

distributed optical fiber；heating；nickel-chromium alloy；fiber structure；South-to-North water transfer

TV698．19；TV642．4

A

1001－5485（2013）11－0119－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．024

2013－08－23

“十二五”國家科技支撐項目（2011BA10OB00）；水利部948項目（201123）

甘孝清（1972－），男，湖北潛江人，高級工程師，博士研究生，主要從事巖土工程與水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、安全評價工作，（電話）027－82829879（電子信箱）gxqxf＠sina．com。