光纤测温预警系统在大坝安全中的应用

1、分布式光纤测温预警系统在大坝安全监测中的应用威海康威通信技术有限公司 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 一、公司简介3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 二、项目概述4三、CDTS产品介绍53.1技术说明5 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.2技术优势6 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 3.3项目产品性能指标说明7四、方案设计94.1大坝混凝土固化温度监测9 HY

2、PERLINK l bookmark62 o Current Document CDTS与传统的混凝土温度场监控系统的比较9 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 4.1.2三峡工程混凝土温度场监测中的应用94.1.3三峡大坝混凝土固化过程中的使用效果及发现的规律.11 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4.2大坝渗流和泄露的探测11 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document CDTS与传统的渗漏监控系统的比较12 HYPERLINK l bookmark8

3、9 o Current Document CDTS对大坝渗漏探测方法12 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 4.2.3分布式光纤的布设及渗漏监测分析13 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 五、系统特色功能15 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 六、结束语16、公司简介威海康威通信技术有限公司（以下简称“康威通信”）成立于2004年2月25日，注册 地山东威海，注册资本300万元，资产总额1286万元。是威海高技区高新技术创业服务中 心孵化企业，

4、公司先后被认定为山东省高新技术企业、山东省软件企业。2005年5月通过 了 ISO9001-2000质量体系认证。公司现有12项产品与技术获得了国家专利，发明专利3 项，实用新型及外观设计专利6项，软件著作权3项。康威通信致力于通信技术、监控预警类产品的推广与应用。是一个集通信产品及软件的 开发、计算机应用产品及外部设备、光电子及通信设备、仪器仪表产品开发、生产、销售于 一体的企业。公司拥有电子、通信、网络技术、监控预警和无线技术等各类专业人才，且大 多数具有通信、监控领域多年研发经验。公司与哈工大、山大等高校建立了长期合作关系， 聘请了专家顾问，技术力量雄厚。公司的主要产品有：分布式光纤测温

5、预警系统光纤光栅传感器系统电缆、光缆交接箱/交接间集中监控管理系统智能门禁集中监控管理系统经过4年的发展，产品及市场日趋成熟，在华南、华北、华东建立了多个分支机构，构 架起全国营销服务网络。公司监控产品自推向市场应用至今，已经广泛服务于通信、电力、 石油、金融、教育、水利等多个行业，得到了用户的一致好评，在功能、可靠性、价格等因 素上均优于同类产品。其中分布式光纤测温预警系统在皮带机火灾预警中的应用填补了国内 空白。康威通信始终坚持科技为本、质量至上的方针，以满足社会、服务社会为己任，和高等 院校强强合作，依托最新的电子信息技术，注重技术创新，结合实际，持续进行过程改进， 密切与客户的伙伴关系

6、，加强与业界的合作，努力提供国际先进水平的产品和客户满意的服 务，充分满足社会的需求和期望。康威通信在全国各地配备有专业化的施工队伍和经过考核认证的工程督导五十多人，能 够保证用户工程规范、可靠、安全、及时的实施，并能提供完善的工程中后期服务。二、项目概述水利工程代表着巨额投资和巨大的经济、社会利益，同时也蕴藏着潜在的成灾风险。著名的法国Malpasset拱坝失事，美国Teton土石坝失事，和我国的沟后土石坝溃决都给我 们留下了惨痛的教训和巨大的经济损失，同时也加速了各国大坝工程安全监测的研究。堤坝 的安全监测不仅有利于避免大的险情和灾害的发生，对堤坝性态及微小变化的准确掌握也是 预防溃堤等堤

7、防事故的前提条件。目前，绝大多数大坝安全监测系统都是采用电测系统，如 电阻应变计、振弦式传感器等，这些监测系统由于普遍存在抗干扰能力差，长期稳定性差， 相对误差，零漂等缺点而很难满足实际需要。因此新技术和新思想必须被引入到大坝安全监 测技术中来，分布式光纤传感器以光纤为体，既感测信号又传输信号，同时可以得到沿探测 光纤铺设沿线所有的温度信息，光纤具有不带电，抗射频和电磁干扰，防燃，防爆，抗腐蚀， 耐高温和强电磁场，抗电磁辐射，能在有害环境中长期安全运行等优势，非常适合于大坝安 全监测。目前，国际、国内已经将该技术成功地应用于水利安全监测中，如大坝混凝土固化 过程的温度监测、大坝中渗流与泄漏监测

8、及水电站电缆沟电缆温度监测。三、CDTS产品介绍3.1技术说明光纤测温的机理是依据后向拉曼(Raman)散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用， 发生散射，散射有多种，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射 等。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯 (Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。光纤受外部温度的 调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温 度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿

9、光纤温度场的分布式测量。探测光域CDTS激比咏冲结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集处理技术，就可以得到沿光纤所有点的准确温 度值。CDTS是目前性能最好，技术最先进的分布式光纤测温预警系统。CDTS能够实现对距 离最长30km；定位精度1m的温度进行测量。CDTS包括4km、10km和30km等系统型号，根 据实际工程的大小，用户可以选择相应的产品型号。同时CDTS的测量时间远远优于其他产 品，对于实时的火灾探测具有非常重要的意义，可以及时地发现火灾，并采取措施。3.2技术优势与传统传感器相比较，分布式光纤测温预警系统具有以下优势：1）连续分布式测量分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连

10、续的获得沿探测光纤几十公里的测量信 息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。2）抗电磁干扰，在高电磁环境中可以正常的工作光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘；同时光纤传感器的信号是以光纤为载体 的，本征安全，不受任何外界电磁环境的干扰。3）抗震防爆探测光缆采用先进的安装、固定和保护方式，在强振动环境下也不会导致其受到撞伤、 磨损等机械破坏，另外也不会影响光缆本身特性及监测的准确性。4）灵敏度高，测量精度高理论上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，因此在粉尘弥漫的 恶劣工作环境仍然可以进行准确测量。实际上已成熟的产品也证明了这一点。5）系统简单分布式光纤测温系统只要将沿

11、测量路径铺设的光纤接到主机上就可以了，系统非常简 单，安装维护方便。6）本征防雷雷电经常破坏大量的电测传感器。光纤传感器由于完全的电绝缘，本身不通电，可以抵 抗高电压和高电流的冲击。7）测量距离远，适于远程监控光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现几十 公里的远程监测。8）寿命长，成本低。光纤的材料一般皆为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，使用光纤 传感器可以大大降低整个工程的营运成本。3.3项目产品性能指标说明分布式光纤测温预警系统由测量主机和探测光缆两部分组成。3.3.1 CDTS 主机特点：/整条光纤既传输信号又感应被测量/ 测试距离远：

12、在长距离内能得到高精度的温度数据/ 速度快，精度高：测温速度快且精度高，可用图表形象、直观地呈现数据/ 内置PC/ 专门开发的应用软件通过易于理解的直观图表向操作人员提供数据/特殊设计的传感光纤/警报设置齐全：智能警报类型和配置可以根据每个项目快速量身定制，向操作人员发出当前或者潜在过热部位及其它不良事件的警告。本项目采用CDTS-10主机技术参数如下:型号 参数CDTS-4CDTS-10光纤类型多模 50/125gm多模 50/125gm测量时间最小20s，取决于测量距离、温度与空间分辨率测量距离4km10km定位精度1m1m温度分辨率0.1 C0.1 C温度精度0.5 C0.5 C测温范围

13、-50 oC+650 oC （取决于探测光缆）、名 通道数2 （可扩展至6通道）2、4重量28kg28kg尺寸482mmx172mmx450mm482mmx172mmx450 mm功耗250W250W电源要求交流 220V50HZ交流 220V50HZ操作系统Windows XPWindows XP通信/输出视频接口VGA（标准 PC）网络接口RJ-45，10M/100Mbps其他接口RS232/485, USB环境要求存放温度-10 C+55 C工作温度+10C+40 C湿度595%3.3.2探测光缆探测光缆是一个内部50/125m的多模光纤，用于连接高性能的CDTS实现高精度的分 布式温度

14、测量。该光缆特别适合于在大坝建设过程中埋入，实现坝体建设过程的温度监控和以后渗漏监测。（金属加强构件、光纤松套层绞、全填充、钢-聚乙烯粘结护套光缆）特点：使用寿命30年以上选用优质50/125多模光纤，专门为设计与CDTS连接使用光缆具有优良的机械特性和温度特性。 全截面阻水结构，双面敷膜钢带纵包，确保良好的阻水防潮性能。 松套管填充特种油膏，对光纤进行关键性保护。中心加强构件采用耐腐蚀的、高杨氏模量的磷化钢丝外护套具有良好的抗紫外辐射性能光缆外径小、重量轻、结构紧凑严密，弯曲性能优异。性能指标:芯数：4外径：10-13mm弯曲半径：10倍外径重量：ei50kg/km工作温度（C）： -40+

15、85C中心加强件 钢带UV光纤 松套管 光纤油膏 缆芯埴充物 孔纱及埴充物 FE护登威海康威通信技术有限公司电话真址：山东省威海市新威路11号 邮编：264200 HYPERLINK 注： 对于特殊结构光缆，可根据客户要求设计和制造。四、方案设计41大坝混凝土固化温度监测大坝/水工结构建设过程中，适当的固化程序是保证混凝土性能的一个关键。通过对混 凝土固化过程的温度测量，可以控制固化过程，提高混凝土的特性和减少裂缝出现的几率。 传统的点式温度传感器往往不能够找到坝体的最高温升点，DTS可以连续的得到沿光缆的温 度分布，进而得到整个坝体平面

16、的二维分布。CDTS与传统的混凝土温度场监控系统的比较传统混凝土温度场的监测，多采用点式温度计测量，存在布点有限，获取温度信息量 少等缺点.另外点式温度计安装工艺复杂，每支温度计都需要单独的专用电缆连接，施工观 测时用一支便携式读数仪对每支仪器进行手动测量，其数据采集工作量及其繁重。由于传统 的温度计分布点少、铺设的地点不连续，获取的信息量少，很难掌握整个坝体内部温度场的 整体变化。CDTS的应用，体现出温度信息量大，线性连续响应速度快，空间定位准确，抗干扰性 强，能够实时监测，施工简单，能够与工程施工同步进行等优点。分布式光纤测温系统的应 用在大坝建设过程中，通过对混凝土固化过程的温度测量，

17、可以控制固化过程，提高混凝土 的特性和减少裂缝出现的几率。4.1.2三峡工程混凝土温度场监测中的应用由于大体积混凝土的体积变形，主要来自混凝土的水化热温升，混凝土在硬化过程中 使坝块温度升高，又在环境因素的作用下逐渐下降；同时由于混凝土热导系数小，在边界条 件因子的作用下，造成大体积混凝土内部的各点温度不同，存在非线性温度场，从而产生温 度应力。当温度应力超出混凝土的抗拉强度时，将导致产生裂缝。以三峡工程左厂14坝段浇筑过程中混凝土水化热的释放过程为例，通过分布式光纤温 度系统进行温度监测。在高程140.56m处，埋设了81.1m SS316镍格合金外套探测光缆，它可 连续测得80多个温度点数

18、值。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。混凝土浇筑后的第三天，坝块内部上游面温度达到最高值，温度峰值为34.75 C， 为验证检测成果的准确性，对进坝口用常规温度计进行了测量，误差仅为0.1 C。坝块内部 下游面温度达到最高值是混凝土浇筑后的第五天，为30.4 C。五天后，峰值温度开始逐渐下 降，4月30日后趋于稳定，量值在2425 C。5324 4MO4 2mm 1J1B3 OMOO 8cam 7-093 5O-CQ 3CM90N 2C0OM 1.052 OU02 9UNM 7

19、= - 2 5cm- 4OMI- 2 = 4 0X2 9OM- 8COA 700 6M7 50n 3o*t 2C0N I oo 5 oDam Temperature - Fiber #1DTS生成的混凝土的温度他置图表4.1.3三峡大坝混凝土固化过程中的使用效果及发现的规律通过DTS系统获取的温度和位置信息，就可以采用线性温度场与横向时间点相结合的分 析方法对混凝土的凝固状况进行分析，并采取一些必要手段加以干预，以达到控制工程质量 的目的。DTS在三峡工程大体积混凝土温度场监测中的应用表明，DTS理论完善，信息量大， 线性连续响应速度快，空间定位准确，抗干扰性强，施工简单，反映了现代科技成果。

20、2002年4月至2003年2月对三峡工程大体积混凝土温度场的监测成果表明，大体积混 凝土温度场的变化具有阶段性和规律性。大体积混凝土水化热最高温度峰值发生在第3天。一期和二期冷却水对削减水化热峰值和降低二峰阶段的集温有重要作用。大体积混凝土二峰值的出现，与浇筑材料逐渐水化放热的集温相关。大体积混凝土的表层易受到环境气温变化的影响。4.2大坝渗流和泄露的探测大坝/堤坝内部的渗流可以通过温度来测量。其主要原理是:1）坝体上游的水温会随着季节的变化而周期性变化，冬天水温低，夏天水温大。2）如果没有渗流或非常微小的渗漏，坝体内的温度随季节基本不变。3）增加的渗流会引起坝体内部的温度周期性变化变大。并且

21、坝体内的温度与上游水的温度有一个小的事件延迟。4）通过DTS长期的连续的探测温度可以分析得到坝体的连续渗漏情况。200120012002200220032003200420042005CDTS与传统的渗漏监控系统的比较常规的土石坝的渗流监测方法一般是在坝体下游底部修建量水堰，通过量水堰中水量 的变化来近似判断坝体内部的渗流情况。这种方法有一个致命的缺点就是不能准确定出渗漏 的具体位置，它只能宏观的测出整个坝体的总渗流量，而采用悬挂式的量水堰则会漏掉潜流 流量，当渗流量较大时，施工单位要针对渗漏的具体地点及时的采取补救措施则比较困难。使用CDTS测量高混凝土面板堆石坝渗漏。这种方法可以实现分布式

22、的连续测量，只要根 据工程经验把光纤埋设在渗漏通常发生的周边缝和板间缝附近，就可以对渗漏进行较精确的 定位，在理论上该方法可将渗漏误差限制在1m范围内。同时，光纤成本低，体积小，经过适 当的保护，可以将光纤的铺设范围扩大到坝体的各个层面，从而准确有效的实现面板堆石坝 渗漏的多方位监测。与传统的渗流监测方法相比，分布式测温渗流监测技术具有成本低、在 空间上可连续测量、灵敏度高、施工方法简单等优势。CDTS对大坝渗漏探测方法利用渗漏水能导致大坝温度场不规则变化的物理现象，通过测温对大坝渗漏点进行定 位，这无疑是一种十分有效的方法，国内外对此进行了长期的研究。由于CDTS系统具有信息 密度高的特点，

23、因此，特别适合于进行这一测量工作。只要将传感光纤埋入温度不规则变化 幅度可能最大的位置，就可以对有关防渗体的渗漏情况进行监测。由于渗漏环境多种多样，在测量时可采用以下的两种方法：梯度法和加热法。（1）梯度法为利用光纤直接测量渗漏引起大坝剧变的温度分布，转而确定渗漏位置的方 法，该方法成功应用的前题是坝前水温与大坝测量位置的温度存在一定温差。温差越大，渗 漏导致局部温度变化也越大，温度梯度也越大，越容易判别渗漏点位置。为了做到这一点， 光纤埋设位置应选在防渗体后面，与库水保持足够的距离，并尽量避开气候的影响。（2）加热法为通过对光纤金属套或特别设置的导体通电加热使光纤周围温度升高转而确 定渗漏位

24、置的方法。该方法不受需要温度差的条件限制，不再要求光纤距库水有一定距离。 通过加热，使光纤周围温度升高，当大坝存在渗漏点时，该处光纤温度上升将会明显小一些， 温度将会低一些，从而使渗漏点获得定位，利用加热法几乎可以检测所有防渗结构的有效性。 通过对渗流的监测，可以分析大坝内部结构的浸蚀。下图显示了堤坝的排水系统的温度分布用DTS技术在堤坝的温度测量中提供：一长期监控堤坝的水渗漏一在长距离内同步进行多个温度测量一探测特定的渗透路径和泄漏一在汛期和洪水期间，对堤坝进行在线测量一在排水系统中，和（或）测量低于地下水位的亚层土的温度一利用安装在钻孔的传感光纤探测和测量堤坝上水渗漏的垂直分布情况一提供有

25、关危险估计、加固和重建堤坝的温度数据4.2.3分布式光纤的布设及渗漏监测分析面板堆石坝的渗漏最易发生在面板与趾板相连的周边缝、面板与面板相连的板间缝处。 因此，光纤主要埋设在这些地方（见下图粗线所示）：板间缝的光纤铺设在止水橡胶以下；周 边缝光纤埋设在趾板处。周边缝和板间缝的光纤布设图（单位：m）如果周边缝或板间缝某处发生渗漏，渗漏水经过光纤附近时，能够引起光纤周围的坝体温度与其他部位（未渗漏处）的温度差异。经过CDTS系统的信号处理，可以反应出温度曲线 的起伏变化。根据变化后曲线与初始曲线的对比，可以依照变化发生位置的横坐标判断渗漏 的地点。如图7所示，系列1为渗漏之前的温度曲线，系列2为渗漏后的温度曲线。见图中A 处（L为101m左右）处，在蓄水前该处的温度为T2，蓄水后温度降到T1，而且较其他地方的降 幅要大的多，说明该处发生了渗漏。根