第十二讲分布式光纤监测技术

第十二讲分布式光纤监测技术21世纪初分布式光纤监测技术在我国获得了迅速的发展。分布式光纤监测技术是一种以光波为载体、光纤为媒质，能在整个连续的长度上感知和传输外界被测量信号的新型监测技术。它可以同时监测被测量的大小及其沿连续的一段光纤方向变化的情况，为特定场合下获得大量被测点的信息提供了一种有效而经济的途径。此外，它还能迅速将被测量的分布情况，通过获得的信息，用图形表示出来，成果直观，大大提高了安全监测的有效性。1、分布式光纤监测技术的优良性能和应用概况20世纪70年代，光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比，光纤监测技术有一系列独特的优点：（1）光纤传感器以光信号作为载体，光纤为媒质，不仅灵敏度高，而且具有抗电磁干扰，防雷击等特点，属本质安全的监测仪器。（2）光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。（3）光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，光纤传感器耐腐蚀，使用寿命长。分布式光纤监测技术除了具有以上的特点外，还具有以下二个显著的优点：（1）可以准确地测出光纤沿线任一点上的监测量，信息量大，成果直观。（2）光纤既作为传感器，又作为传输介质，结构简单，不仅方便施工，潜在故障点大大低于传统技术，可维护性强，可靠性高，而且性能价格比好。由于水电水利工程中，有许多物理场需要监测，如温度场、应力场、位移场、渗流场等等。以往采用单点监测方法，布置测点少，成果不直观，需要通过分析才能最终了解场的情况，这种传统的单点监测方法不仅费工、费时、费钱，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纤监测技术就可以准确地测定光纤沿线任一点上的温度、应力和位移，信息量大，成果直观。如果将光纤按一定的网络铺设，可实现对大坝安全的全方位监测，可以克服传统点式监测容易漏测和渗流难以定位的弊端，极大提高安全监测的有效性，如俄罗斯萨杨•舒申斯克重力拱坝，内部仪器埋设达2500多支，竟未测到坝基长达486mm的水平缝，直到该缝向坝内延伸20余米，引起廊道漏水才被发觉，这充分说明点式监测的局限性。因此，分布式光纤监测技术越来越受到了人们的重视和青睐。从监测内容看，当前我国应用大致可分为四类。第一类是温度监测。如设置于新疆石门子碾压混凝土拱坝的分布式光纤温度监测系统，设置于三峡大坝的分布式测温系统，设置于索风营和景洪碾压砼坝的分布式测温系统，设置于广东长调水电站混凝土面板的温度监测系统，等等。由于分布式光纤监测测点多，信息量大，都获得了较好的监测成果，较全面地反映了大坝温度场的分布情况。第二类是渗流定位监测。如设置于广东长调水电站面板周边缝的分布式光纤温度一渗流监测系统。水库蓄水期间，即发现周边缝有几处渗漏点，对渗漏定位极为有效。第三类是位移和随机裂缝监测。如设置于隔河岩电站水库覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纤位移监测系统，设置于湖北古洞口面板堆石坝面板上的随机裂缝光纤自诊断系统。第四类是裂缝监测。如设置于古洞口面板堆石坝周边缝及板间缝的准分布式光纤测缝计监测系统。通过监测获得了光纤测缝计埋设处缝宽变化的较好成果。2、两种分布式光纤监测系统分布式光纤监测系统其实是分布调制的是光纤传感系统。所谓分布调制，就是沿光纤传输路经上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制（传感），在光纤中形成调制信息谱带，并通过独特的检测技术，解调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大小及空间分布。因此，分布式光纤监测系统通常由激光光源，传感光纤（缆）和检测单元组成，是一种自动化的监测系统。按照调制方式的不同，分布式光纤监测系统分为分布式传光型光纤监测系统和分布式传感型光纤监测系统，或准分布式光纤监测系统和分布式光纤监测系统。分布式传光型（准分布式）光纤监测系统分布式传光型光纤监测系统的特点是：将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调检测出被测量的大小。分布式传光型监测系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统，故又称准分布式光纤监测系统或非本征型分布式光纤监测系统。光纤总线仅起传光作用，不起传感作用。根据寻址方式不同，分布式传光型光纤监测系统可分为时分复用，波分复用、频分复用、偏分复用和空分复用等几类。其中，时分复用、波分复用和空分复用技术较成熟，复用的点数较多。1、时分复用时分复用靠耦合于同一根光纤上的传感器之间的光程差，即光纤对光波的延迟效应来寻址。当一脉宽小于光纤总线上相邻传感器之间的传输时间的光脉冲自光纤总线的输入端注入时，由于光纤总线上各传感器距光脉冲发射端的距离不同，在光纤总线的终端（或始端）将会接收到许多光脉冲，其中每一个光脉冲对应光纤总线上的一个传感器，光脉冲的延时即反应传感器在光纤总线上的地址，光脉冲的幅度或波长的变化即反应该点被测量的大小。在这里，注入的光脉冲越窄，传感器在光纤总线上的允许间距越小，可耦合的传感器越多，但是，对解调系统的要求越苛刻。2、波分复用波分复用是通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。当光源发出的连续宽带光（经光波长编码）注入光纤总线时，在光纤传感器与监测量发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回，其余宽带光则直接透射过去继续前进，遇到第2个光纤传感器，又有选择地反射回相应的一个窄带光。由于各传感器的特征波长不同，通过滤波/解码系统即可求出被测信号的大小和位置。该法由于一些实际部件的限制，总线上允许的传感器数目不多，一般为8-12个。3、频分复用频分复用是将多个光源调制在不同频率上，经过各分立的传感器汇集在一根或多根光纤总线上，每个传感器的信息即包含在总线信号中的对应频率分量上。采用光源强度调制的频分复用技术可用于光强调制型传感器，采用光源光频调制的频分复用技术可用于光相位调制型传感器。4、空分复用空分复用是将各传感器的接收光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制光开关选址。这时，开关网络应合理布置，信道间隔应选择合适，以保证在某一时刻单光源仅与一个传感器通道相连。空分复用的优点是能够准确地进行空间选址，实际复用的传感器不能太多，以少于10个为佳。目前国内北京品傲光电科技有限公司和武汉理工大学研制的准分布式光纤监测系统都是采用了光纤光栅传感器，传感信号为波长调制。系统采用波分复用技术。三峡大学研制了由“光纤测缝计”和“光纤测缝计智能分析仪”组成的准分布式光纤监测系统，采用的是根据光强调制的测缝计，询址采用的是时分复用技术。准分布式光纤监测系统通过将多个相同类型或不同类型的传感在一条光纤上串接复用，减少了传输线路，方便了施工，大大简化了线路的布设。并且，可以实现多点同时测量，避免了以往逐点测量的不便。但是，准分布式光纤监测系统存在如下不足：（1）由于分布式传光型光纤监测系统是通过一条光纤将若干个光纤传感器串接而成，系统的光功率损耗较大，因此，一条光纤只能接入有限的光纤传感器。（2）分布式传光型光纤监测系统实质上是多个单测点光纤传感的串接复用系统。一旦系统埋设安装后，测点无法增加，使用较为单一。分布式传感型（分布式）光纤监测系统分布式传感型光纤监测系统的特点是，利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，光纤总线不仅起传光作用，更起传感作用，所以分布式传感型光纤监测系统又称本征分布式光纤监测系统，或全分布式光纤监测系统。简称分布式光纤监测系统。分布式传感型光纤监测系统有下列优点：1、信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都是“传感器”，它的信息量可以说是海量信息量。2、结构简单，可靠性高。由于分布式传感型光纤监测系统的光纤总线不仅起传光作用，更起传感作用，因此结构异常简单，方便施工，潜在故障少，可维护性好，可靠性高。3、 使用方便。光纤埋设后，测点可以按需要设定，可以取2m距离为一个测点，也可以取lm距离为一个测点，或0.5m距离为一个测点。按需要可以改变设定。因此在病害定位监测时极其方便。4、 性能价格比好。目前，光纤价格不高，但是，一条光纤的测点可达成百上千，每一个测点的价格就远远低于单测点的价格。性能价格比相当好。分布式光纤监测系统相对于以电信号为基础的传感监测系统和点式光纤监测系统而言，无论是从监测技术的难度，监测量的内容及指标，还是从监测的场合和范围都提高到了一个新的阶段。当前，分布式光纤监测系统是一种时域分布式光纤监测系统。它的技术基础是光时域反射技术OTDR(opticaltime-domainreflectormetry。OTDR最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段。其工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中，后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。在实际应用中，从光纤返回的后向散射光有3种成分：由光纤折射率的微小变化引起的瑞利(Rayleigh)散射，其频率与入射光相同；由光子与光声子相互作用而引起的拉曼(Raman)散射，其频率与入射光相差几十太赫兹；由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊(Brillouin散射。其频率与入射光相差几十吉赫兹。因此，时域分布光纤监测系统按光的载体可分为三种型基式于：拉曼散射的分布式光纤监测系统基、于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤监测系统。3、基于拉曼Raman＞散射的分布式光纤温度监测系统

DTS系统是一种基于Raman后向散射的分布式光纤温度监测系统，由激光光源、传感光纤(缆)和检测单元组成，是一种自动化监测系统，并且通过接口可以接入大坝通用安全监测自动化系统中。3.1DTS系统的监测原理当频率为f的激光进入光纤时，在其背向会产生拉曼散射，拉曼散射光的0频率不同于入射光。由于其分子量很少，拉曼散射相当弱，拉曼散射光子的频率既可向低处移动(斯托克斯频移)，也可向高处移动(反斯托克斯频移)，因此拉曼散射在频谱上是由位于瑞利散射两旁的斯托克斯和反斯托克斯谱线组成。在频域中，拉曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯光子。斯托克斯散射光子频率为：f=f-△f (12-1)S0反斯托克斯散射光子频率为：f=f+Af (12-2)a0式中Af为光纤分子的振动频率或称拉曼光频率增量。在光纤L处的斯托克斯散射光子数为N二KSf4Nexp[，(€+€)L]R(T) (12-3)s sSe 0s s在光纤L处的反斯托克斯散射光子数为：N二KSf4Nexp[，(€+€)L]R(T) (12-4)aaae0aa式中：Ka、Ks分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数;S为光纤的背向散射因子；f、f分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率：a、a、sa 0sa分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光纤传输损耗；L为a光纤始端至待测局域处的长度；R(T)、R(T)分别为光纤分子低能级和高能级sa上的布局数有关的系数，它们与光纤局域处的温度有关。Rs(T)和Ra(T)分别为：Rs(T)=[1-exp(-hAfRs(T)=[1-exp(-hAfKT)]，iRa(T)=[exp(■hAf"kt")-1]i12-5)(12-6)式中：Af为拉曼声子频率：h为普朗克常量；K为玻耳兹曼常量。在实际监测温度时，采用了反斯托克斯散射光子数(光强)和斯托克斯散光子数(光强)的比值。当取a=a时，有

NNf -h€fa(s)-1，(〒)4exp( )KKf ktas s令：NsIs，——令：NsIs，——Ks,NaASKa从而有：h€f

~K~Ish€f

~K~Is[ln(- )+4ln(ASfo+€f

fo-€f)]-i12-7)式中：h—普朗克常数（J・S）；k—波尔兹曼常数（J/K）；Is—斯托克斯光强度；【as—非斯托克斯光强度；f。一伴随光的频率d/S）； 拉曼光频率增量（I/S）；T—测点温度，绝对温度（K）。式（12-7）即为基于拉曼散射的分布式光纤温度监测的基本计算式。由式可见，光纤测温直接测量的是斯托克斯光和反斯托克斯光的比值，与绝对值无关，因此，即使光纤随时间老化，沿程光损失的增加，仍可消除光损失的影响，从而可一直保证测温精度。利用入射光和后向散射光之间的时间差^t和光纤内的光传播速度C,可以ik计算不同散射点的位置距入射端的距离L,从而可以得到光纤沿程几乎连续的温i度分布，L可按下式计算：i(12-8)C€t(12-8)L，—K——i

i2式中：C—光纤中的光传播速度（m/s）；^t—后向散射延迟时间（s）。ki由上可见，DTS系统的传感光缆既是温度传感器，又是温度信息传输线路；检测单元能沿传感光缆每0.5m或lm测读一个温度值，因此，具有测温信息密度高、信息量大的特点。DTS系统的应用l测温大坝混凝土温度场的测量，不管是施工期间还是运行期间都具有十分重要的意义。施工期间，为减小坝体温度变化梯度过大，需要采取措施对坝体温度进行控制；在运行期间，坝体温度变化是引起坝体变形和应力变化的主要荷载。因此对坝体温度场进行监测是安全监测的重要内容之一。然而，传统坝体温度监测一般使用点式温度计，一支温度计只可测量一个点的温度，而且，传统点式温度计抗干扰抗腐蚀能力差，不仅安装复杂干扰施工，而且极易损坏，使用寿命不长，使原本很少的温度信息少上加少，因此，传统的点式温度计监测方法，因信息量太少，很难掌握整个坝体内部温度场的变化，如：二滩水电站经过几年运行，在下游右坝肩部位发现了裂缝，可是，埋设的温度计大多已损坏，可用的只剩下5支温度计，终因温度资料太少而无法对实测温度场进行分析。因此，大坝温度监测一直是大坝安全监测的薄弱环节。利用光纤对坝体进行测温，可快速、连续地测量光纤传感网络沿程的温度值，不仅灵敏度高，信息量大，而且施工干扰小，使用寿命长，是一种理想的温度场监测技术。2渗流定位监测当前，渗流（漏）监测主要采用二种方法，一种是监测渗透压力的方法，另一种是监测渗流（漏）量的方法。由于当渗流（漏）处于稳定状态时，堤坝的渗透压力和渗流（漏）量将与水头的大小保持稳定的相应变化。在同样水头情况下，渗透压力和渗流（漏）量显著增加和减少，都意味着渗流稳定的破坏。渗透压力和渗流（漏）量显著增加。有可能发生管涌或集中渗流（漏）通道；渗透压力和渗流（漏）量显著减小，则可能是排水体或渗流通道被堵塞的反映，因此，进行渗透压力和渗流（漏）量的监测，可以判断渗流（漏）是否稳定。但是，以上二种方法都无法判断渗流（漏）区的位置。虽然渗透压力是通过监测坝体内部渗透压力的变化来监测渗流（漏）情况，由于坝内渗透压力测点的布设有限，捕捉到的渗流（漏）信息有限，并且，渗透压力敏感性较差，当渗流（漏）水流动较为顺暢时，渗透压力变化往往不大，因此，渗透压力对渗流（漏）区定位的能力不理想。而渗流（漏）通常又是一个较大范围内的渗流总量，用它作渗流（漏）区定位，效果显然不佳。可以这样说，大坝安全监测中最难的课题之一就是可靠地确定渗漏区的位置。只有快速准确的探明渗流（漏）所在位置，才能采取有效的防范措施，渗流（漏）定位监测意义十分重大。利用DTS系统可以对堤坝进行测温，也可通过测温对堤坝渗漏进行定位。因为水的热传导系数和比热与岩士不同，岩士中若有渗流水其热学参数必然会改变，其温度场也必然会受到明显影响。因此，利用温度测量对渗漏进行定位，无疑是一种十分有效的方法。由于渗漏环境多种多样，在监测渗流时可采用以下两种方法：梯度法和加热法。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提是坝前水温与量测位置的温度需要存在一定温差，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。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（河）水有一定距离。通过加热，使光纤周围温度升高，当堤、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监测所有防渗结构的有效性。3.3DTS系统在长调水电站混凝土面板堆石坝温度及周边缝渗漏监测中的应用长调水电站位于广东省肇庆市怀集县恰水镇境内，是一座引水式水电站。拦河大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高73.7m,上游坝坡1：1.4,下游坝坡1：1.4,坝顶长275.2m,见图12T。面板周边缝采用常规三道止水装置。由于周边缝受力复杂，变形较大，极易引起渗漏，威胁大坝安全，因此，由中南勘测设计研究院和宁波振东光电有限公司合作,在紧靠周边缝的垫层中沿周边缝埋设了800余米传感光缆,图12-2；并在河床混凝土面板中选择了一块面板,沿面板周边埋设了一条n型传感光缆。光缆就近梆扎在上层面板钢筋上，离坝面约10cm左右,对面板的温度及裂缝进行检测。2002年11月,水库畜水,12月17日至24日,当水库水位达到3/4水深时,在现场对周边缝及面板的温度进行了监测。1混凝土面板堆石坝周边缝止水监测激光从右端进入光纤，经面板坝右侧周边缝BCD，转左侧周边缝EFA,最后激光从左端出来，每0.5m测一个读数，图12-3为12月22日通过DTS系统监测的沿周边缝垫层的实测温度分布图。图12-1长调水电站混凝土面板堆石坝布置图图12-2传感光缆埋设示意图图12-3周边缝垫层温度实测分布图(2002.12.22)由实测温度分布图可见：未通电加热时，光纤所测温度较好地反映了长调水电站面板坝周边缝垫层的温度分布情况。从右至左，温度分为7段，这7段依次为：BS,SC,右右CP,PG,GF,FS和S°C°C°C左右。随着高程的提高，面板厚度变薄，坝前水左左温影响逐渐显现。至F点和C点，面板厚度已减至0.4m左右，因此，过了F点和C点，垫层温度随高程提高又逐渐上升，如图中FS和CS所示。S和S左 右 左CCCCC。由上可见，光纤所测温度较好地反映了升高水电站周边缝垫层温右度实际分布情况。周边缝存在局部渗漏水现象，长调水电站是一座新建的水电站，水库首次蓄水，从未通电加热时周边缝垫层实测温度来看，在二侧周边缝的下部GF段和PC段存在局部渗漏现象。左侧a点，a点和a°C°C°C；右侧b点、b点和12312TOC\o"1-5"\h\zb°C°C°C。并且，a、a和a点距F点分别为39m、21m和3m；b、b和b点距C3 1 2 3 1 2 3点分别为44.5m、31m和16.5m。当通电加热后，光纤所测温度趋于均匀,FS和SA以及CS和S°C°C；左 左 右右二侧折坡点F和C以上的温度左侧基本为19CCCC。渗漏点a、a和a的温1 2 3度分别为16°C°C°C,温度分别上升了2°C°C°C；渗漏点b、b和b的温度分别为1 2 316°C°C°C°C°C°C。与无渗漏处相比较，渗漏点的温度虽也上升了，终因渗漏水的影响，温度上升较小。°C°C和渗漏水对近旁的温度影响甚小，当前，渗漏水量不大，坝后不大的渗流量也说明了这一点。2混凝土面板温度监测图12-4为12月22日通过DTS系统监测的混凝土面板温度分布图。图12-4混凝土面板实测温度分布曲线由图可见：蓄水后，混凝土面板温度呈单向分布，图中12和34分别为混凝土面板右侧边和左侧边的温度分布曲线。二侧边温度分布曲线形态一致，它们都有二部分组成：水下部分混凝土温度和水上部分混凝土温度，并且，温度量值左右对称，横向影响甚小。因此，可以认为，蓄水后，混凝土面板温度呈单向分布，随着高程的不同，受水温和气温变化的影响而不同。表12-1首次蓄水阶段的坝前水温 单位：°C水深（m）1481218水温3.4混凝土坝体温度场监测为了把握坝内温度分布及温度变化，光纤在混凝土坝体内的网络布置有二种形式：第一种是平面网络布置形式。取坝体一个典型横断面，光纤从下而上作蛇形（S型）布置；第二种是空间网络布置形式。取坝体一个典型坝段，光纤自下而上连续地沿水平截面从左至右或从右至左作蛇形（S型）布置。第一种布置形式简单，第二种布置形式可以获得多个横断面的温度分布情况，了解施工期和运行期坝体温度空间分布和变化情况，对于碾压混凝土坝，还可以对碾压层面进行渗流定位监测。日本某碾压混凝土重力坝标准剖面如图12-5。最大坝高154.5m,最大坝宽180m。该坝自1991年10月开始浇筑，1994年2月完工。由于采用碾压混凝土的施工方式，不能采取水管冷却的温控措施，主要以以下方法控制坝内最高温度：①骨料预冷并控制浇筑温度，冬天入仓温度不低于5C，夏天7月、8月份夜间浇筑，控制浇筑时气温不高于25C；②C；③采用自然散热和洒水养护。由于底部浇筑块长达180m,只靠以上温控措施难以避免底部温度裂缝的发生，因此,在高程180m以下设一条纵缝，由于没有水管冷却措施，靠坝体自然散热使温度场下降到稳定温度需要十几年时间，而在此期间，纵缝不能灌浆，因此该纵缝事实上成了一条永久缝。经研究，向上游倾斜的纵缝对坝体应力分布带来的影响最小，因此采用了如图12-5所示的倾斜纵缝。为防止纵缝向上扩展，设置了止裂廊道。图12-5碾压混凝土坝的标准剖面与温度计布置图为了把握经以上方法温控后坝内温度分布及温度变化情况，采用平面网络布置形式，在标准断面内铺设了2条光缆温度计C和D。其中D位于180.0m以下，纵缝上游的坝块内，长为547m；光缆C位于纵缝下游坝块和180.0m以上的坝段，长1235m。两条光纤总长为1782m。为了对光纤测温结果进行校核，布置了16支常规热电偶温度计，并将热电偶温度计布置在有光纤测温点的位置上。热电偶温度计基本位于各坝块中间部位，因此所测量的温度值代表了各高程的最大温度变化过程。图12-6给出了若干点的光纤和热电偶温度计过程线。图12-6光纤温度计与热电偶温度计实测温度过程线由过程线可见：（1）光纤温度计的测温结果和热电偶温度计的测温结果吻合良好，除了个别点在浇筑时期二者相差可达到3°C外，一般不超过3°C。（2） 热电偶温度计的测量时间间隔相对长，测点值之间连线的结果曲线显得十分光滑。而光纤温度计是实时的在线监测，温度变化曲线有较小的锯齿状波动，上下波动范围不超过2C，从图上看，两组结果曲线的变化趋势是完全吻合的。（3） 坝内最高温度值取决于入仓温度，基本上等于入仓温度和混凝土绝热温升之和，如1〜2月份浇筑的混凝土的入仓温度为10C左右，其最高温度值为35〜37°C；夏天的入仓温度为20C左右，坝内最高温度可达37°C。（4） 温度下降非常缓慢，部分点的温度进程线呈水平状，温度有所下降的点的温度梯度很小。如1992年2月份浇注的混凝土温度（T4）到1995年5月基本没有温降。分布式光纤温度计的特点是可连续测量光纤沿程的温度分布，因而用图12-5所示的蛇形网络布置可得到断面内详细的温度场分布。图12-7和图12-8分别给出了施工期和运行期若干时刻断面温度场的分布。由图可见：（1）高程180m以下，由于设置了纵缝，分成上下游两块浇注。图中可以看出在施工期上下游形成了两个高温区。上游区最高可达34C，而下游区最高为36C。2）在坝体高度方向存在3个高温区，它们分别与1992年、1993年和1994年3年的夏天浇注部位相对应。由于坝体上部（高程240m以上）较薄，上下游表面的散热效果明显，因此1994年夏天浇注的混凝土温度到1995年春天时即较另外两个高温区低6°C,到1998年夏天则上部高温区消失。（3） 纵缝上部的廊道作为散热条件之一，对周围的温度场有一定的影响。施工期影响较大，随着稳定温度场的形成，影响逐渐变小。（4） 蓄水对温度场有明显影响。由于水位以下的坝体温度边界为第一类边界条件，散热效果提高，再加上库底的水温常年偏低，使坝内高温区向下游移动，尤其是高程较低的部位更为明显。到1998年夏天，纵缝上游坝体的高温区消失。（5） 由温度分布图可以看出，坝内温度的下降是一个很缓慢的过程。如1994年夏天浇筑的混凝土历时4年，到1998年夏天其最高温度仍为30C以上。图12-7施工期坝体温度分布图图12-8运行期坝体温度分布图图12-9是国内某碾压混凝土重力坝分布式光纤监测坝体温度网络设计布置图，该布置为空间网络形式。图12-9我国贵州索风营水电站大坝分布式光纤测温网络也是空间网络。索风营水电站大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高115.8m，两岸坝肩陡峭，为保证岸坡坝段的侧向稳定和便于碾压施工，同时从坝体三维整体稳定考虑，大坝设一条永久横缝和七条诱导缝，诱导缝采用切缝机形成，切缝面积为断面面积的2/3左右。大坝以横缝为界，分为左右两个混凝土碾压仓面，每个仓面以30cm厚为一碾压层，分层铺摊碾压作业。每个碾压层大约要5-8h。两个碾压层之间连续作业，以避免在两个相距碾压层之间形成冷缝。每10个碾压层（即3.0m高）为一个连续上升单元，每个单元连续碾压完成后，停止碾压作业3-4d,以待混凝土硬化达到一定的强度之后，进行下一个碾压单元，如此循环。根据索风营大坝施工要求，光缆布置见图12-10。为了在平面上力争获得各种级配、配比、边界条件下的温度变化规律，在竖向获得任意高程坝体中部的温度变化，最后能绘制坝体温度场，在坝体共布置11个观测高程，间距在10-15m，每个回路极限长度按2.0Km控制，将1-3个观测高程的光缆合成一个回路，因坝体施工分左右块施工，以横缝为界，左、右块形成独立回路，在左、右各设置两个竖向回路，观测两个水平层之间的各高程混凝土温度，全坝共布设14个回路。每个水平回路光缆分布从两岸坝基进入坝体，沿“S”形路线（类似冷却水管）至横缝，通过横缝牵引至相邻的上部观测平面后，再沿“S”形路线至坝岸后，通过坝基牵引至观测房进行观测。图12-10索风营大坝仓面光纤网络布置图为了得到坝体混凝土温度场竖向分布情况，在水平光纤布设时，每一高程的光缆在坝基上的水平投影重合。并且，在每个回路的起始位置均预留了2.0m的光纤，以便在意外发生时，可及时采用单端测量的方式测量数据。光缆埋设时，根据设计长度按5%富裕量下料，铺设时光缆的弯曲半径不小于150mm，并记录每5m标记的纵横桩号，在边界处和拐弯处应加密至每50cm一个记录，对竖向光缆每碾压一层后应准确测量仓面高程和对应光缆长度刻度。竖向光缆埋设时，可采用钢模外套。当混凝土平仓后提升钢模外套，周边采用人工平仓，剔除带棱角的粗骨料。水平光缆应在每层平仓后碾压前挖沟（宽10-15cm,深5-8cm）回填埋设，回填时剔除带棱角的粗骨料，敷设后开始铺料碾压。每个回路应尽量减少接头，接头采用接头盒用熔接机熔接，在装配接头盒时需在接头处加防水硅胶条，以防漏水。图12-11为分布式光纤测得的仓面中详细的温度分布。在仓面内部，混凝土温度分布较为均匀；上、下游因受边界气温的影响，混凝土温度较内部低，约低7°C-9°C，仓面左端受横缝影响，混凝土温度较内部低，但比上、下游混凝土温度高；仓面右端，受基岩影响，随着距岸坡渐近，温度逐渐升高；在右端上、下游方向混凝土温度从上游到下游呈线性递减。图12-11同时绘制了2004年6月22日至7月20日5条仓面混凝土温度分布曲线，由图可见这一个月里仓面混凝土温度变化的情况，温度变幅约3°C。图12-11索风营大坝某一仓面温度实测成果图

4基于瑞利(Rayleigh)散射的分布式光纤监测系统当窄带光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，因此，会产生瑞利散射，瑞利散射为弹性光。与拉曼散射和布里渊散射这些非弹光相比，瑞利散射相当强。因此在1976年巴诺斯基等人就发明了光时域反射计(OTDROpticaltime-domainreflectometry),该系统通过测后向瑞利散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。OTDR开始用于光学检测和测距，后来又被发展用于光纤通讯中的故障定位，现在普遍用于分布式光纤传感系统中。OTDR的监测原理设入射光纤端面的光强为P(Z),则距入射端面Z处的功率P(Z)可表为012-9)P(Z)，P(Z)exp[-€za(z)dz]12-9)01z0(Z。)可表为式中a(z)为光信号从z至z(Z。)可表为当激光从z点后向散射，到达光纤入射端面z处的功率P0R12-10)P(Z)，P(Z)exp[-€za(z)dz]12-10)R0Rz2式中：z0式中：a(Z)为光信号从Z到Z后向散射的衰减系数；20(Z)为散射点Z处的后向散射功率，并有以下关系式。12-11)P(Z)，S(Z)a(Z)P(Z)12-11)RS其中：a是光纤衰减系数中的散射系数。其中：SS(z)为z处后向散射捕获率，系散射点的瞬间后向散射功率与总散射功率之比。用公式可表为：S(z)=0.25(NA/nl)2 (12—12)式中，NA是光纤的数值孔经，n是光纤纤芯的折射率。1将式(12-9)代入式(12-11)，又将(12-11)代入式(12-10)，可得光纤入射端面Z处的功率0 €zP(Z)，S(Z)a(Z)P(Z)exp[—za(z)„a(z)dz]R0 S 0 z01 2 (12-13)但是，实际上由光电接收系统收到反向散射功率P(Z)<P(Z)，这是因TR0 R0为它与光纤端面的反射率，光学系统损耗，探测器转换效率，放大器等因素有关，这些影响用系数K表示，则有P(Z)二KP(Z)二KS„P(Z)exp[，€z„(z)+„(z)dz]TR 0 R 0 S 0 z 1 2 12-14)由式可见，散射系数a的变化和光纤的衰减将引起OTDR信号的变化。当aSS和S均为恒定时，OTDR信号的变化将仅由光纤的衰减引起，即：€z12-16)p(z)=Bexp[—Jz2„(z)dz]TR0z12-16)z0式中，B为常数因此，利用OTDR可以监测光纤损耗的变化。与传统的雷达系统一样，距离Z与双程传输时间At直接相关。在光纤中,Z可由下式给出Z=C… (12-16)k2式中，C—光纤中的光传播速度(n/s).At—后向散射延迟时间(s)。k通过光时反射仪(OTDR)可以检测到光纤全程的散射光强分布，从而可以确定散射系数或损耗中心的空间状态，并加以定位。4.2OTDR的应用1随机裂缝监测裂缝是混凝土材料最常见的损伤形式，也是大坝整体性遭受破坏的最明显信号，因此，裂缝监测在大坝工程安全监测中具有重大价值。但是，大体积混凝土开裂具有时空随机性，对这些随机裂缝监测难度较大，以往传统的单点式测缝计难以奏效。由于光线在直线光纤中传播时，以大于临界角的角度入射到界面表面，光线将全部被反射。而当光线遇到光纤微小变形处时，在纤芯和包层界面上发生的相继反射中，光线以小于临界角的角度入射到界面表面，结果一部分光就传输到包层中去了，从而导致光强损耗。据此，可以将光纤与预计的随机裂缝作斜交网络布置，使混凝土开裂时光纤产生局部弯曲，导致光纤损耗增加，产生衰减，从而被OTDR检测，并准确定位。但是，该法监测裂缝宽度的变化能力有限，它一般仅能监测小于2mm的裂缝。为方便对随机裂缝的监测，三峡大学蔡德教授带领他的弟子研制了“随机裂缝光纤自诊断仪”，该诊断仪主要由1*12路光纤和光时域反射计(OTDR)两部分构成，图12-12为系统框图。其主要技术特征是能监控12路光纤(可任意扩展光纤回路数），能准确测量任一回路光纤的缺陷位置和性质等有关参数，定位的精度为10cm。使用计算机进行控制，有遥测和通信能力，必要时也可手动控制测量。与计算机的连接方式为标准的RS-232接口，并配有相关的监控测量及分析程序，负责向光纤自诊断仪发出控制信号，采集由光纤自诊断仪传输回来的数据，并进行数据分析处理，故障定位，波形显示和故障预警等自动处理。图12-12自诊断仪连接图三峡大学在古洞口混凝土面板堆石坝进行了分布式光纤随机裂缝监测现场试验。古洞口面板堆石坝位于湖北省兴山县境内，坝址座落在长江支流香溪河上游的古夫河的古洞口峡谷之中，大坝基岩为寒武系统上三游洞群中至巨厚度层状白云岩，右岸坝基岩体多呈弱风化状态，弱风化常深8m；左岸岩体风化较严重，强风化带深5m〜15m；坝基河床砂砾石覆盖层厚约20m。坝顶高程334.66m，上游坝体坡度1：1.5，最大坝高120m。由于该坝修建于深覆盖层上，坝体填筑料又是河床料为主，大坝又高于100m，混凝土面板极易开裂。因此，选定B6、B8和B11三块面板作监测对象。据对现有混凝土面板堆石坝面板裂缝的调查，面板裂缝主要呈水平方向分布，为使光纤与水平裂缝交角的有效范围在内60°之内，且保证两组光路之间有一定的夹角，故设计面板光纤传感网络如图12-13所示。图12-13混凝土面板光纤传感网络由于古洞口混凝土面板堆石坝的面板已浇筑形成，因此，对布设传感光纤线路的混凝土面板进行了打磨处理，后用专用胶粘剂将光纤粘结在面板上。经过长期监测，在B8面板上共捕捉到了二条裂缝，一条在110m处，缝宽0.2mm,另一条在350m处，缝宽0.3mm，时隔3个月，该缝扩展为0.6mm。详见图12-14o图12-14B8混凝土面板110米处裂缝波形2边坡内部变形监测将光纤绕行在直径D=36mm的实心橡胶棒的凹槽上，绕行间距20mm，从而形成螺旋型分布式光纤传感器。当该传感器钻孔埋入地下后，若地下深部某一部位发生滑移变形，光纤传感器的相应部位也将发生变形，产生微弯，微弯将破坏光波导的反射条件，使光损耗增加，产生衰减，从而被OTDR监测。从OTDR可以监测到全程的散射光强分布，以此就可确定散射系数或损耗中心的空间状态，确定滑移量。并对滑移面加以定位。显然，螺旋型分布式光纤传感同于钻孔测斜仪，它是一种分布式的监测仪器。三峡大学在清江隔河岩电站水库上游的覃家田滑坡监测中对研制的螺旋型分布式光纤传感器进行了应用性现场试验。覃家田滑坡是1993年隔河岩工程蓄水以来最早发生前缘崩塌滑塌体，并使长陽至五峰县级公路中断。覃家田滑坡下伏康岩屋危岩体，地方政府和工程建设单位都非常关心。因此，对滑坡与危岩体安排了监测。共设置地表位移监测点7个，设置常规钻孔倾斜仪4个，并安装了2支螺旋型分布式光纤传感器，1支在山上，测孔编号为S，另一支在山下，测孔编号为C。两年的观测资料表明，（1）相对于测孔底部来说，位移都呈增大的趋势，但量值不大；光纤中未出现大的光损，表明滑坡处于稳定状态。(2)S测孔在孔深23m〜25m处，每次检测的数据都有突变，是一明显的滑移面，见图12-15；(3)C测孔在孔深37m,25m和21m处的监测数据略有突变，显然滑移面目前还没有形成，见图12-16。图12-15S测孔深部变形曲线 图12-16C测孔深部变形曲线现场应用表明：螺旋型分布式光纤传感器量程较大，且施工方便，埋设简单，光纤以螺旋形式緾绕于橡胶棒上，加大了感应长度，扩充了传感信息，提高了传感灵敏度，并且对传感光纤保护更有效。5基于布里渊(Brillouin)散射的分布式光纤监测系统布里渊光电域反射计BOTDR(全称BrillouinOpticalTime-DomainReflectometer)的监测技术是一种基于布里渊散射的分布式光纤应变监测技术。应用该技术可以测量光纤沿线的应变分布，如果将光纤埋设在结构物内部或者粘贴在结构物的表面，就可以得到结构物相应位置的应变分布信息。BOTDR的监测原理当脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，由于布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的后向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，如图12-17示。(a)应变 (b)温度图12-17布里渊频移与应变/温度的线性关系光纤的应变量与布里渊频移可用下式表示：dU(€)U(€)，U(0)+B€BBd€(12-16)式中：U(e)是一应变为£时的布里渊频率的漂移量；U(0)是应变为0时布BB里渊频率的漂移量，dUf为比例系数，系布里渊频移与应变线性关系的斜率,d€它取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，约为493MHz(/%Strain)；e为光纤的应变量。在使用前需要对UB(0)和进行标定。B d€当后向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊后散光的功率分布，如图12-18(A)所示。之后按照上述方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图，如图12-18(B)所示。理论上布里渊后散光谱为洛仑兹形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移UB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到所测应变量。从而通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量(UB)就可以得到光纤沿线应变分布信息。A）A）B）图12-18BOTDR的应变测量原理图发生散射的位置至脉冲光的入射端的距离乙可以通过F式计算得到：12-17)C€T12-17)Z——2n式中：C为真空中的光速；n为光纤的折射率；为发出的脉冲光与接收到的散射光之间的时间间隔。温度对布里渊频移的影响，依情况进行如下处理：通常温度对布里渊频移的影响要远小于变形的影响，如果温度变化不超过5°C，温度的影响可以忽略不计。当温度变化较大，可以通过下式进行温度补偿：Vb（Vb（，）„吋（T„T0）—Ub*dU(,)

B—d,12-18)式中为温度影响系数，约为lMHz/K；T-T0为温度变化;其它与式（12-16）dT0相同。BOTDR的应用BOTDR的测量技术是国际上近年来研发出来的一项用于光通讯和各类构筑物应变监测的尖端技术。在一些发达国家如日本、加拿大等都在竟相开展这一技术的理论和应用研究，目前BOTDR的空间分辨率可以达到lm,国外已有成功的应用实例，但国