分布式光纤测温技术在隧道火灾和渗漏探测中的应用

1、第27卷第1期2007年2月防灾减灾工程学报JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineering分布式光纤测温技术在隧道火灾和渗漏探测中的应用曾铁梅,徐卫军,侯建国(武汉大学土木与建筑工程学院,武汉430071)摘要:隧道火灾和渗漏一直是隧道安全和健康的重要问题。基于分布式光纤测温系统(DTS)具有能实现在线实时监测且实测温度随光纤沿程分布这一技术特点和优势,将单根分布式光纤应用于隧道火灾的预警预报、火灾定位、隧道渗漏定位,属国内首创。本文介绍了DTS测温原理和实测成果。实测情况表明,DTS系统测温精确,抗干扰性强,特别适合隧道火灾预警预报和渗

2、漏探测,具有良好的应用前景。关键词:分布式光纤测温系统(DTS);隧道火灾;渗漏定位中图分类号:TB96,U457+2文献标识码:A文章编号:167222132(2007)01200522050引言改革开放以来,随着国民经济迅速发展,我国各类交通隧道工程也得到了迅猛的发展。为公路工程建设中的1模空前的建设热潮。,1782座,km近年来,国外隧有大量可燃货物,;再者,。隧道内发生火灾时,烟雾和2个洞口方向蔓延,当隧道有一定长度,人员往往来不及逃离洞口,可能会被烟气熏倒而致死。不少隧道火灾造成人员重大伤亡就足以说明安全疏散是很困难的。(4)火灾造成直接的重大经济损失。火灾不仅造成车辆、货物等损失,

3、也会造成人员的伤亡,隧道顶部和地面也会因火灾而发生剥落、坍塌等损坏。一些长度长的现代化隧道还设有电子显示屏、监控装置、排烟系统等设施,所以火灾发生会带来重大损失。(5)火灾后会造成一段时间的交通中断。隧道火灾燃烧猛烈,扑救时间长(往往要几个小时以至几十个小时),通常会造成拱顶坍塌、地面破损、设施毁坏等情况,往往需要经过几天或数十天时间的修复才能通行。,给我国隧。同时,因地质缺陷出现的渗漏导致隧道结构、相关设施的严重损害,对有压隧道的结构安全提出了更高的要求。基于隧道的消防安全和隧道渗漏危害,本文将介绍分布式光纤测温系统对隧道火灾和渗漏事故的自动定位和预警预报功能。1隧道火灾特点和渗水危害111

4、隧道火灾的特点112隧道渗水的危害(1)消防扑救难度大。隧道是封闭的狭长空间,发生火灾后烟气大而且不易散发,隧道愈长愈难以排除;火灾时火势集中,温度高,辐射热强,消防人员不易接近起火部位,灭火范围受到限制,给消防扑救带来巨大的困难。(2)火灾发展蔓延速度快。在隧道内行驶的车辆携带有一定数量的燃料(易燃液体或可燃气体),起火后会猛烈燃烧,以致发生爆炸;同时,载重汽车装有关资料统计,至1990年,日本建成通车的公路隧道有6705座,总长1970km,其中运行条件恶化的隧道占隧道总数的2319%,大部分为衬砌开裂渗漏水。根据我国有关部门统计,至1997年,我国铁路隧道有5000多座,总长2500km

5、,其中因渗漏水影响运营的达1502座,占隧道总数的30%左右。隧道渗水的主要危害有:(1)在渗漏水的长期作用下,可能造成隧道的侵收稿日期:2006205222;修回日期:2006207217第1期曾铁梅等:分布式光纤测温技术在隧道火灾和渗漏探测中的应用53蚀破坏;(2)围岩有地下水并具侵蚀性的情况下,对衬砌与隧道内的设备的腐蚀更严重;(3)在高围岩压力长时间的作用下,渗漏会导致围岩的渗透破坏,出现结构失稳;(4)路面积水,行车环境恶化,降低了车辆轮胎和路面的附着力;(5)寒冷地区,反复的冻融循环,在衬砌内部造成衬砌混凝土冻胀开裂破坏,在衬砌和围岩之间因冻胀引起拱墙变形破坏;(6)北方地区,隧道

6、的长期渗漏将使拱墙上悬挂冰柱、冰溜,侵入净空,在隧底可能冻起并形成冰坡、冰锥,使行车滑溜,渗漏水滴至路面,则易形成“冰湖”,威胁行车安全。因此,及时发现隧道的渗漏部位并采取有效的渗控措施,在隧道工程建设中显得尤为重要。图1全世界隧道火灾发生趋势Fig.1Trendsofoccurenceoftunnelfiresintheworld3问题的提出,:;(2)如何避免带电测温引起的电磁干扰;(3)如何精确预报火灾即将发生的部位,如何查找火灾发生部位;(4)如何精确定位隧道渗漏发生部位。基于分布式光纤的测温原理,本文将介绍分布式光纤应用于隧道火灾的预警预报和隧道渗漏的探测,即利用同一根光纤来同时实现

7、隧道火灾预警预报和渗漏定位。2隧道火灾实例随着隧道总量和总长度的增加,的可能性变得越来越大,1991至1。,(1),其中欧洲地区从1994年至6次重大的隧道火灾,见表2。表1日本历年隧道火灾事故次数Table1HistoricfireaccidentsoftunnelsinJapan分布式光纤测温系统是基于光子的拉曼散射(RamanScatforing)温度效应和光纤的光时域OT2DR(OpticalTimeDomainReflection)技术实现的2,3。光在光纤中传输时,与光纤中的分子、杂质等相互作用,发生米氏散射、瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等,其中拉曼散射是由于光纤中分子的热运动与

8、光子相互作用发生能量交换而产生的,它包含有Stokes(斯托克斯光)和Anti2Stokes(非斯托克斯光),其中,Stokes光与温度无关,而Anti2Stokes光的强度随温度的变化而变化,由斯托克斯光与非斯托克斯光的光子数之比和温度的定量关系,可得温度值T。光子数以信号电平由测温系统测得。T=表2欧洲最近6次隧道火灾情况Table2Lossesintherecentsixfiresineuropeantunnels隧道类型Greatbelt隧道铁路英法海底隧道铁路MontBlanc隧道公路公路Tauem隧道铁路Kaprun隧道死亡人数无无42121591-lnhna(T0)ns(T)(1

9、)54防灾减灾工程学报第27卷式中T0为基线的绝对温度;h为普朗克常数(J.S);k为玻尔兹曼常数(j k);为拉曼光频率增量;ns(T)、na(T)分别为温度为T时Stokes和Anti2Stokes光的光子数(信号电平);ns(T0)、na(T0)分别为温度为T0时Stokes和Anti2Stokes光的光子数(信号电平)。光时域OTDR技术主要对测量点的空间定位,其原理是利用入射光和后向散射光之间的时间差ti和光纤内的光速Ck,可以计算不同散射点的位置距入射端的距离Xi,因而可以得到光纤沿程几乎连续的温度分布,Xi=CK,ti为后向散射延迟2时间。(2)准确性。DTS温度分辨率达到015

10、C,温度精度1C。终端机内的激光发射装置每秒钟会发射上万次的光脉冲,并将取样温度的平均值输出到显示系统,基本消除误差。DTS可根据由用户设定的每个防火分区的平均温度值、最高温度值、温升速率报警,并且每秒报警都有预报警,在预报警后可以由人工手动确认报警,系统也可以自动在预报警后3s再次核实温度而自动报警。避免了误报的可能性。(3)灵活性。可设置多个定温点报警,各控制分区可以按照用户的运行要求或者运行经验设定不同的报警温度或者温升速率,报警控制区可编程,并可按照用户的要求进行设计,可针对环境变化情况设置不同报警控制区域4。(4)先进性。,D。,场情况,并判断火灾蔓延的趋势,为现场人员及时拯救、灭火

11、以及隧道的相关控制操作提供依据。5基于分布式光纤测温原理的隧道火灾预警预报系统的实现511系统结构系统整体结构为:;测温系统;。2。512DTS系统功能(1)温度沿程分布。DTS系统的最大优势是实6基于加热法DTS系统的渗漏定位原理基于分布式光纤测温系统能有效测出温度随光纤的沿程分布,当光纤所处部位没有出现渗漏时,光纤周围的温度场处于稳状态,当光纤某个部位出现渗漏时,原有的温度场将改变。但是因渗流引起的温度场改变非常微弱,常规监测方法很难捕捉这一信息,而通过专用加热装置对光缆(光缆的结构如图35,给铜丝通以强电流加热)加热,使光纤周围温度升高,见图4。当光纤周围出现渗漏时,该处光纤温测温度随光

12、纤的沿程分布,连续监测信号,任意温度点报警,即时显示每个回路光纤探测范围内每隔1m各点的温度变化。可应用户要求按照任意长度、不同或相同报警温度划分防火分区,DTS的继电器输出可按用户所设定的防火分区做对应设置,在确认报警后通过继电器输出触发信号给报警主机的信号模块。报警主机可按火灾模式所设定的程序运行。图2基于分布式光纤测温原理的隧道火灾预警预报系统Fig.2Predictingandearly2warningsystemoftunnelfiresbasedontheprinciplesoftemperaturetestedbythedistributedopticalfiber第1期曾铁梅等

13、:分布式光纤测温技术在隧道火灾和渗漏探测中的应用55控光缆加热4C5C(加热温度主要依据光缆所处部位的温度梯度和渗漏量而定)即可。图4为某实测隧道光缆加热前后的温度沿程分布情况,从图中可以看出,对光缆加热后,整条光缆的平均温度上升幅度为415C左右,然而,由于光缆所处的某些部位存在渗漏,加热后的光纤温度沿程分布明显地出现了3个温度极小值,即光纤所处部位的温度没有出现上升的现象,3个温度极小值出现部位所对应的光缆刻度分别为90、451、1304m,其中C点对应部位的温差最大,A点部位附近10m范围内出现2个极小值,B点对应部位的温差较小。后来通过巡视检查发现:B、C两点均处于隧道接缝部位,其中C

14、部位明显有渗漏现象,渗漏量为1800mL h,B点部位隧道内壁混凝土衬砌部位湿润,A点部位附近有2处湿润(间隔315m)。图3光缆结构示意Fig.3Structureofopticalfibercable度上升幅度明显小一些,温度将会低一些,从而使渗漏点获得定位,这便是基于加热法的DTS系统渗漏定位原理。研究成果表明,采用分布式光纤测温系统探测隧道渗漏部位时,只需对原分布式光纤隧道火灾监(a)光缆加热前温度沿程分布(b)光缆加热后温度沿程分布图4分布式光纤实测隧道渗漏部位Fig.4Leakagepositiontestedbydistributedopticalfibers还未能大规模应用于实

15、际工程。7结语参考文献:基于分布式光纤的测温原理,采用同一根光纤,可以实现隧道火灾监控和渗漏探测,具有早期预警、设定多种报警、查找定位灾害(火灾和渗漏)准确、使用维护简便、安全可靠和可实现长距离监测等优点。系统运行正常稳定,抗干扰能力强。但是目前所用的测温系统均为进口设备,价格昂贵,而国产测温系统1高志石.隧道水基自动消防系统的发展J.消防技术与产品信息,2006,(1):14221GaoZS.Thedevelopmentofautomaticwaterfire2protectionsystemintunnelsJ.FireTechniqueandProductsInformation,200

16、6,(1):1422156防灾减灾工程学报第27卷2刘天夫,张步新.光纤后向拉曼散射的温度特性及其应警系统中的应用J.公路,2004,(10):1032105temperaturemonitoringintheShantou2MeizhouhighwayalarmsystemJ.HighWay,2004,(10):10321055徐卫军,李端有.分布式光纤测温系统在大坝混凝土温用J.中国激光,1995,22(9):6952700LiuTF,ZhangBX.TemperaturecharacteristicanditsapplicationofopticalfiberramanscatterJ.

17、Chi2neseJournalofLasers,1995,22(9):69527003CulshawB,DakinJ.光纤传感器M.武汉:华中理度监测中的应用实践J.云南水力发电,2005,21(6):42246fibertemperaturemeasurementsystemtomonitoringofconcretetemperatureJ.YunnanWaterPower,2005,21(6):42246工大学出版社,1997CulshawB,DakinJ.ogyPress,19974李丽芳.光纤分布式温度监测在汕梅高速公路火灾报OpticalFiberSensorM.Wuhan:Hua

18、zhongUniversityofScienceandTechnol2TheApplicationofDistributedOpticalFiberTemperaturengSysteminTunnelFiresandLeakageZENGTie2mei,XUWei2jun2(CivilEngineeringandArchitecture,Wuhan430071,China)Abstract:Allalong,disastrousareimportantproblemsaboutsafetyandhealthoftunnels.Itisfirsttedopticalfiberisappliedinpredictingdisastrousfiresandearly2