劉勇軍，丁琦華，耿 峻

（1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心，湖北省宜昌市 443133；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司湖北能源集團(tuán)股份有限公司，湖北省武漢市 430077）

0 引言

三峽升船機(jī)是三峽水利樞紐的永久通航設(shè)施之一，為齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)，設(shè)計(jì)最大過(guò)船噸位為3000t級(jí)客貨輪，年單向通過(guò)能力350萬(wàn)t，最大垂直升降高度113m，上、下游通航水位變幅分別為30m和11.8m，具有工程規(guī)模大、升降高度高、提升重量重、上下游水位變幅大及下游水位變化快等特點(diǎn)，是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的通航建筑物。升船機(jī)由上游引航道、上閘首、船廂室、下閘首和下游引航道組成，主體結(jié)構(gòu)主要由船廂室混凝土底板、四個(gè)混凝土承重塔柱、剪力墻、連接梁和頂部機(jī)房等組成。

三峽升船機(jī)每個(gè)承重塔柱的底板為實(shí)體混凝土，板底高程為48.0m，板頂高程為63.0m，63.0m至194.5m高程范圍內(nèi)為具有4個(gè)豎井的“雙日字”空心箱體結(jié)構(gòu)[1]。因此，三峽升船機(jī)塔柱為混凝土高聳薄壁結(jié)構(gòu)，塔柱變形與應(yīng)力應(yīng)變等受溫度變化影響較大，需對(duì)三峽升船機(jī)塔柱溫度的分布及變化進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)。同時(shí)為了解三峽大壩庫(kù)水溫度及其變化規(guī)律，對(duì)蓄水后的壩前庫(kù)水溫度進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)。

1 光纖溫度傳感器種類及其原理

光纖溫度傳感器種類繁多，主要有分布式、光柵式、輻射式、半導(dǎo)體吸收式、光纖熱色、光纖液體、光纖熒光、外差干涉、光纖偏振、干涉型、利用熱雙金屬片構(gòu)成等多種類型[2]。因其種類繁多，光纖溫度傳感器在水利水電[3，4]、建筑、隧洞、邊坡、橋梁、航空、電力、交通等眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用。光纖溫度傳感器采用的原理、結(jié)構(gòu)、式樣最多，其潛在的優(yōu)點(diǎn)[5，6]是測(cè)量精度高、抗電磁干擾、安全防爆、可繞性好。

壩前庫(kù)水溫度監(jiān)測(cè)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用定制的2芯多模雙護(hù)套鎧裝光纜，使用美國(guó)SensorTran公司生產(chǎn)的DTS5100-M10光纖解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。升船機(jī)塔柱光纖光柵溫度傳感器及壩前18個(gè)光柵光纖溫度傳感器規(guī)格和型號(hào)為BGK-FBG-4700型光纖光柵溫度計(jì)，雙護(hù)套單模單芯鎧裝光纜連接，使用BGK-FBG-8210調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。下面結(jié)合本文應(yīng)用簡(jiǎn)要介紹分布式光纖和光纖光柵溫度傳感器的原理。

1.1 分布式光纖測(cè)溫原理

分布式光纖集傳感測(cè)溫與信號(hào)傳輸于一體，采用特定頻率的光照射光纖內(nèi)的玻璃芯，隨著光在玻璃芯內(nèi)傳輸會(huì)產(chǎn)生瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等類型的輻射散射[7]。其中拉曼散射式的分布式光纖測(cè)溫具有較成熟的產(chǎn)品。

分布式光纖測(cè)溫原理[8-11]主要利用OTDR技術(shù)（光時(shí)域反射技術(shù)）和拉曼散射溫度效應(yīng)。OTDR技術(shù)是利用反射光功率與返回時(shí)間的關(guān)系檢驗(yàn)出光纖線路沿線的損耗及故障，以探測(cè)出光纖沿線位置的溫度、應(yīng)變的變化。拉曼散射是入射光光子與光纖中分子發(fā)生碰撞作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，碰撞造成入射光反射，反射光強(qiáng)度與反射點(diǎn)的溫度有關(guān)，反射點(diǎn)溫度越高，發(fā)射光強(qiáng)度越大。分布式光纖系統(tǒng)能連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，具有實(shí)時(shí)在線、測(cè)溫精度高、安全和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 光纖光柵測(cè)溫原理

光纖由芯層和包層組成，主要成分為SiO2，在芯層特殊摻雜下使芯層折射率n大于包層折射率n2大，通過(guò)光反射使光在芯層傳播。光纖沿線芯層有著大小不同的折射率n1，從而形成光柵。入射光在具有特定折射率的光柵處反射特定波長(zhǎng)（布拉格波長(zhǎng)）的光。若光柵處溫度改變，受熱脹冷縮影響，光柵處反射光波長(zhǎng)也會(huì)變化，通過(guò)測(cè)量反射光波長(zhǎng)可知光柵處溫度變化。光纖光柵分布式傳感器系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖光柵傳感器原理圖Figure 1 Schematic diagram of distributed fiber Bragg grating sensor

光纖光柵傳感系統(tǒng)中串接有多個(gè)光柵，各光柵常數(shù)不同，入射光在光柵處反射不同波長(zhǎng)的光，反射光經(jīng)分路器進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)儀信號(hào)探測(cè)處理器可探測(cè)到反射光波長(zhǎng)及變化，經(jīng)過(guò)處理，能得到各光柵處的實(shí)際溫度。

光纖光柵傳感器除了具有普通光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外，還有一些明顯優(yōu)于光纖傳感器的地方，其中最重要的就是它的信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處[12]在于：①測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響；②避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要；③能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布拉格光柵進(jìn)行分布式測(cè)量。另外，光纖光柵很容易埋入材料中對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度等進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量。

2 光纖傳感器埋設(shè)實(shí)施

2.1 壩前水庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)布置

為了解三峽大壩庫(kù)水溫度及其變化規(guī)律，在大壩澆筑施工期間，在壩體內(nèi)部靠近上游面雖埋設(shè)有點(diǎn)式溫度計(jì)用來(lái)測(cè)量庫(kù)水溫度，但點(diǎn)式溫度計(jì)數(shù)量不多，只能測(cè)量庫(kù)水相應(yīng)高程局部溫度，難以取得空間上連續(xù)的溫度分布資料。且因埋設(shè)點(diǎn)位于壩體內(nèi)，所測(cè)溫度受壩體混凝土溫度影響，與實(shí)際庫(kù)水溫度存在誤差。

根據(jù)三峽工程質(zhì)量專家組的意見，對(duì)蓄水后的壩前庫(kù)水溫度進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)。結(jié)合庫(kù)水溫度觀測(cè)的實(shí)際現(xiàn)狀，在左廠14-2號(hào)壩段壩前布設(shè)一條從庫(kù)底到壩頂?shù)臏y(cè)溫線，采取分布式光纖和光柵光纖共兩套測(cè)溫光纜進(jìn)行觀測(cè)。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用2芯多模雙護(hù)套鎧裝光纜，從44.05m高程到176.55m高程，每0.5m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)270個(gè)測(cè)點(diǎn)。光纖光柵溫度傳感器測(cè)點(diǎn)布置上密下疏，即從正常蓄水位175m到防洪限制水位以下10m處即高程135m，每5m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，從高程135m至庫(kù)底淤積層44.05m高程每10m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。光纖光柵溫度計(jì)傳感器光纜采用1芯單模雙護(hù)套鎧裝光纜連接，按回路布置。兩套光纜系于同一根受力鋼纜上，儀器詳細(xì)布置見圖2。

圖2 14-2號(hào)壩段壩前庫(kù)水溫測(cè)溫光纖布置示意圖Figure 2 Layout of optical fiber for temperature measurement of reservoir water temperature in front of No.14-2# dam section

2.2 升船機(jī)塔柱溫度監(jiān)測(cè)布置

升船機(jī)船廂室段塔柱為鋼筋混凝土高聳薄壁結(jié)構(gòu)，壁厚為1.0m。為監(jiān)測(cè)塔柱的溫度及其變化情況，考慮到各塔柱在溫度下的差異，在3號(hào)塔柱和4號(hào)塔柱選擇一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在該斷面筒體內(nèi)、外側(cè)墻按20m左右間距從62m高程至186m高程范圍內(nèi)共埋設(shè)7層溫度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)層面在墻壁的內(nèi)外表面及中間處各埋設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。兩個(gè)塔柱共布設(shè)84個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置高程分別為3號(hào)塔柱：62.0m、84.0m、104.0m、125.0m、144.0m、169.0m、186.0m；4號(hào)塔柱：62.0m、79.0m、94.0m、114.0m、134.0m、156.0m、176.0m。

3 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 壩前光纖庫(kù)水溫安全監(jiān)測(cè)主要成果

（1）壩前庫(kù)水溫度分布。

2009～2014年共計(jì)觀測(cè)154測(cè)次，各高程庫(kù)水溫度溫差＜0.5℃有130測(cè)次；溫差0.5～1.0℃有12測(cè)次，溫差＞1.0℃有12測(cè)次，溫差最大值2.7℃（庫(kù)水溫度溫差：同一次觀測(cè)，60.05～140.05m各高程庫(kù)水溫度的最大值減去最小值）。監(jiān)測(cè)成果顯示，庫(kù)水最高溫度為26.8℃，最低溫度10.2℃，在水面以下至庫(kù)底淤積層以上范圍內(nèi)，水溫基本一致，未見明顯的溫度梯度。

從圖3可知，高程53.0～145.0m均位于水下，高程145.0m上部曲線轉(zhuǎn)折處，位于水面以上為氣溫；高程53.0m以下曲線轉(zhuǎn)折處，為庫(kù)底淤積層，淤積層高程逐年有所上升，2009年9月庫(kù)底淤積層高程約42m，2014年9月，淤積層高程約52.5m。結(jié)合圖3和圖4可知，庫(kù)水溫度受季節(jié)影響較大，庫(kù)水溫度全年無(wú)明顯分層現(xiàn)象。

圖3 9月庫(kù)水溫度—高程分布圖Figure 3 Distribution of reservoir water temperature with elevation in September

圖4 1月庫(kù)水溫度—高程分布圖Figure 4 Distribution of reservoir water temperature with elevation in January

（2）與壩體上游面常規(guī)溫度計(jì)對(duì)比。

從庫(kù)底到壩頂?shù)姆植际焦饫w測(cè)溫線布置在左廠14-2號(hào)壩段壩前，左廠14號(hào)壩段壩體內(nèi)部靠近上游面埋設(shè)有常規(guī)溫度計(jì)，二者部位接近。

從圖5可知，62.0～144.0m高程各測(cè)點(diǎn)測(cè)值溫度—時(shí)間過(guò)程線基本重疊，反映同時(shí)間各高程庫(kù)水溫度基本一致。90.05m高程為分布式光纖處的測(cè)值，與62.0～144.0m高程各測(cè)點(diǎn)測(cè)值溫度基本一致。

圖5 左廠14號(hào)壩段壩面溫度—時(shí)間過(guò)程線Figure 5 Time history plot of dam surface temperature of No.14 dam section of left powerhouse

162.0m、173.5m高程2個(gè)測(cè)點(diǎn)，部分時(shí)段位于水面以上，受氣溫影響，與62.0 ～144.0m高程各測(cè)點(diǎn)測(cè)值有所差別。47.0m高程1個(gè)測(cè)點(diǎn)，2012年下半年之后，測(cè)點(diǎn)測(cè)值變幅小于其他測(cè)點(diǎn)。表明2012年7月之后，該測(cè)點(diǎn)位于庫(kù)底淤積層以下。

3.2 升船機(jī)塔柱安全監(jiān)測(cè)主要成果

（1）入倉(cāng)溫度及水化熱最高溫度。

2009年12月9日開始，至2012年2月5日止，完成了升船機(jī)塔柱84支光纖光柵溫度計(jì)的安裝埋設(shè)工作。儀器埋設(shè)時(shí)間有低氣溫的1～3月，也有高溫季節(jié)的7～9月。

監(jiān)測(cè)成果顯示，混凝土入倉(cāng)溫度4.7（2012年2月5日）～22.8℃（2011年7月27日），低溫季節(jié)混凝土入倉(cāng)溫度控制較好，高溫季節(jié)澆筑的混凝土入倉(cāng)溫度偏高；混凝土覆蓋后，由于水化熱溫升，儀器埋設(shè)部位的混凝土最高溫度28.8（2012年2月5日）～57.3℃（2011年7月27日）；混凝土覆蓋后28～75h，達(dá)到峰值溫度，低溫季節(jié)澆筑的混凝土水化熱溫升最高溫度低，高溫季節(jié)澆筑的混凝土最高溫度高。水化熱溫升15.3～37.5℃。典型水化熱溫升過(guò)程線見圖6。

圖6 典型水化熱溫升過(guò)程線Figure 6 Time history plot of temperature rise of typical hydration heat

從圖6可知，混凝土覆蓋后，由于水化熱溫升，儀器測(cè)值明顯升高，達(dá)到峰值溫度后開始明顯下降。由于塔柱為薄壁結(jié)構(gòu)，混凝土厚度僅1m，每層的3支溫度計(jì)按照“中間1支、兩邊各1支”的布設(shè)方式埋設(shè)。埋設(shè)在同一塔柱同一側(cè)墻內(nèi)的3支儀器中，中間的溫度計(jì)測(cè)值較兩邊的溫度測(cè)值略高，且越接近峰值時(shí)溫差越明顯。塔柱兩側(cè)臨空，受氣溫影響，混凝土溫度下降較快。

（2）塔柱混凝土溫度變化范圍。

儀器埋設(shè)初期受水化熱作用達(dá)到最高溫度后，塔柱混凝土溫度主要受氣溫影響，統(tǒng)計(jì)塔柱混凝土溫度特征值不包括水化熱最高溫度。塔柱各部位混凝土實(shí)測(cè)最高溫度27.9～40.8℃，最低溫度0.3～6.5℃。最高溫度出現(xiàn)在高溫季節(jié)，最低溫度出現(xiàn)在低溫季節(jié)，塔柱混凝土溫度受氣溫影響明顯。三峽壩區(qū)8時(shí)氣溫-3.4（2011年1月8日）～30.2℃（2013年6月19日），由于常規(guī)觀測(cè)頻次為1次/旬，且基本為上午10時(shí)左右進(jìn)行觀測(cè)，因此塔柱混凝土最高溫度與壩區(qū)8時(shí)氣溫最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間并不完全相同。從圖7可知，塔柱混凝土溫度與壩區(qū)8時(shí)氣溫變化規(guī)律基本一致。

圖7 塔柱混凝土溫度典型過(guò)程線Figure 7 Time history plot of temperature in tower column concrete

（3）塔柱混凝土溫度分布。

從圖8可知，塔柱內(nèi)墻2012年溫度分布圖看，2012年1月9日，3號(hào)塔柱、4號(hào)塔柱內(nèi)墻130m以上高程的溫度基本相同，下部溫度較上部溫度高。2012年5月5日，3號(hào)塔柱、4號(hào)塔柱內(nèi)墻150m以上高程的溫度基本相同，3號(hào)塔柱下部溫度較上部溫度高，比4號(hào)塔柱溫度高。2012年8月22日，4號(hào)塔柱內(nèi)墻100m以下高程的溫度比上部高，且內(nèi)側(cè)比中間及外側(cè)溫度高，也比3號(hào)塔柱溫度高。塔柱下部空氣流通較上部緩，有保溫效應(yīng)。升溫階段，3號(hào)塔柱溫升較4號(hào)塔柱快。

圖8 2012年塔柱內(nèi)墻溫度—高程分布圖Figure 8 Temperature distribution of inner wall of tower column with elevation in 2012

從圖9可知，2012年1月9日，3號(hào)塔柱外墻各高程溫度基本相同、4號(hào)塔柱外墻溫度比3號(hào)塔略低。130m以上高程的溫度基本相同，下部溫度較上部溫度高。2012年5月5日，3號(hào)塔柱外墻溫度高于4號(hào)塔柱。2012年8月22日，3號(hào)塔柱130m以下高程溫度比4號(hào)塔柱130m以下高程溫度高，130m以上高程溫度接近。

圖9 2012年塔柱外墻溫度—高程分布圖Figure 9 Temperature distribution of external wall of tower column with elevation in 2012

（4）與同部位埋設(shè)溫度計(jì)相比。

3號(hào)塔柱在84m、144m和186m三個(gè)高程共埋設(shè)有18支點(diǎn)式溫度計(jì)，每層6支溫度計(jì)分別與對(duì)應(yīng)高程的光纖光柵溫度測(cè)點(diǎn)位置一致?，F(xiàn)選取186m高程的光纖光柵測(cè)點(diǎn)（T40SCJTZ03、T41SCJTZ03、T42SCJTZ03）與同位置埋設(shè)的點(diǎn)式溫度計(jì)測(cè)點(diǎn)（T58SCJTZ03、T59SCJTZ03、T60SCJTZ03）從埋設(shè)至進(jìn)入運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)比較，見圖10。

從圖10可知，塔柱從澆筑混凝土水化熱階段進(jìn)入運(yùn)行期間，光纖光柵和埋設(shè)點(diǎn)式溫度計(jì)之間的溫度數(shù)據(jù)及規(guī)律基本一致，說(shuō)明了光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)在混凝土溫度監(jiān)測(cè)中的適用性和可靠性。但受施工和光纖自身脆弱性影響，光纖在施工埋設(shè)安裝容易被損壞，應(yīng)注意土建施工中對(duì)光纜的保護(hù)。

圖10 同部位光纖光柵與埋設(shè)點(diǎn)式溫度計(jì)溫度對(duì)比Figure 10 Temperature comparison between FBG and embedded point thermometer

4 結(jié)論

（1）受三峽大壩發(fā)電泄水及壩前水庫(kù)狹窄河道地形影響，三峽大壩壩前庫(kù)水基本為動(dòng)水，庫(kù)水溫度分層現(xiàn)象不明顯。

（2）在壩體內(nèi)部靠近上游面埋設(shè)有點(diǎn)式溫度計(jì)用來(lái)測(cè)量庫(kù)水溫度，測(cè)值基本反映庫(kù)水溫度變化，但由于點(diǎn)式溫度計(jì)數(shù)量不多，只能測(cè)量庫(kù)水相應(yīng)高程局部溫度，難以取得空間上連續(xù)的溫度分布資料。光纖溫度傳感器為解決在不同高程空間上的庫(kù)水溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)和水庫(kù)壩前淤積監(jiān)測(cè)提供了新方法。

（3）混凝土覆蓋后28～75h，達(dá)到峰值溫度，水化熱溫升15.3～37.5℃，混凝土最高溫57.3℃。中間部位的溫度較兩側(cè)略高。

（4）埋設(shè)后，塔柱混凝土最高溫度40.8℃，最低溫度0.3℃。最高溫度出現(xiàn)在高溫季節(jié)，最低溫度出現(xiàn)在低溫季節(jié)，塔柱混凝土溫度受氣溫影響明顯。升溫階段，3號(hào)塔柱因受陽(yáng)光照射，溫度較塔柱內(nèi)側(cè)及4號(hào)塔柱高，陽(yáng)光照射對(duì)塔柱溫度影響明顯。

（5）本工程光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功應(yīng)用，說(shuō)明了光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)在混凝土溫度監(jiān)測(cè)中的適用性和可靠性，但同時(shí)應(yīng)重視土建施工中對(duì)光纜的保護(hù)等重要環(huán)節(jié)，為該類型監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。