光纖分布式溫度測量系統(tǒng)（DTS）在張河灣抽水蓄能電站上水庫工程中的應(yīng)用研究

張利軍，貢保臣，鄭慶堯，劉占海

（1.北京勘測設(shè)計研究院,北京 100024；2.北京木聯(lián)能工程科技有限公司，北京 100120；3.北京市大興城鎮(zhèn)建設(shè)開發(fā)集團有限公司，北京 102600）

0 概 述

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，電站總裝機容量1 000 MW，裝機4臺，單機容量250 MW。電站樞紐主要由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面出線場、下水庫攔河壩和攔排沙工程等組成，工程等級為一等。上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成，主要包括堆石壩、庫盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統(tǒng)、庫岸基礎(chǔ)處理等，采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，總防滲面積34.7萬m2。設(shè)計采用背陰向陽的原則，在典型斷面布置光纖測溫系統(tǒng)進行面板溫度和滲流定位監(jiān)測［1］。

1 DTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

DTS光纖分布式溫度測量系統(tǒng)是在線監(jiān)測最有效的手段，在國外已經(jīng)取代傳統(tǒng)的線性感溫材料，在技術(shù)上已非常成熟完善。通過采用不同外護套材料的光纜，DTS監(jiān)測系統(tǒng)可以適應(yīng)各種環(huán)境，如采用合金材料外護套光纜可以在550℃高溫下生存3 h以上。系統(tǒng)由DTS主機（含工控機）、加熱裝置、高強度耐高溫專用綜合光纜以及相關(guān)的保護裝置和附件組成。

光纖測溫的機理是依據(jù)后向拉曼（Raman）散射效應(yīng)。激光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生多種散射，如瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等。其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，它會產(chǎn)生一個比光源波長長的光——斯托克斯（Stokes）光和一個比光源波長短的光——反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理實現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量，結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源和高速的信號采集與處理技術(shù)，就可以得到沿光纖所有點的準(zhǔn)確溫度值，工作原理如圖1。

圖1 DTS系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Principle of DTS

DTS系統(tǒng)還可用來進行滲流定位監(jiān)測，主要是利用滲漏水能導(dǎo)致監(jiān)測對象溫度場不規(guī)則變化的物理現(xiàn)象。監(jiān)測滲流有“梯度法”和“加熱法”兩種：“梯度法”需要知道水庫滲水和光纜周圍之間的溫度差，光纜和密封材料及水庫之間需要有足夠的距離，密封材料的滲水和異常滲水可以根據(jù)基礎(chǔ)溫度變化的異常情況探測出來；當(dāng)光纖電纜必須安裝在靠近水庫上游面時，“加熱法”更適用，通過對光纜里的銅線通電，銅線就會發(fā)熱，溫度的增高取決于周圍材料的熱容量和熱傳導(dǎo)率，在有滲流的情況下，由于水的熱傳導(dǎo)作用會有熱量疊加，傳至土中的熱量又會很快擴散，因此，在電纜通電加熱的情況下，滲漏部位的溫度會表現(xiàn)出明顯的異常現(xiàn)象。光纜結(jié)構(gòu)示意如圖2。本工程采用“加熱法”。

圖2 高強度耐高溫專用綜合光纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of specific synthetic fiber cables

3 主要技術(shù)參數(shù)

DTS系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

DTS系統(tǒng)主要技術(shù)特點如下：（1）連續(xù)分布式測量；（2）抗電磁干擾，在高電磁環(huán)境中可以正常工作；（3）測量距離遠(yuǎn)，適于遠(yuǎn)程監(jiān)控；（4）溫度實時監(jiān)控，做到早期預(yù)警；（5）靈敏度高，測量精度高；（6）本征防雷，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊；（7）壽命長，成本低，系統(tǒng)簡單。

表1 DTS系統(tǒng)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)Table 1:Main parameters of DTS equipment

高強度耐高溫專用綜合光纜主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 高強度耐高溫專用綜合光纜主要技術(shù)參數(shù)Table 2:Main parameters of multimode armoured fiber cable

4 DTS系統(tǒng)布置

張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土防滲面板采用DTS系統(tǒng)進行溫度和滲流定位監(jiān)測，共設(shè)置2個監(jiān)測斷面，樁號分別為1+300 m、2+283.5 m，各布置測溫光纜2條。其中一條在面板排水層攤鋪前，從壩頂開始沿斜坡整平膠結(jié)層頂面垂直壩軸線向下鋪至反弧段前（平行樁0-055.60 m），隨排水層攤鋪以1.5 m半徑劃半圓返回抬升至排水層頂面向上鋪至壩頂，呈“U”形布置；另一條呈“1”形布置在面板防滲層中間，如圖3所示。

高強度耐高溫專用綜合光纜分別安裝埋設(shè)于整平膠結(jié)層頂面、排水層頂面和防滲層的中間位置。根據(jù)瀝青混凝土攤鋪順序，在瀝青混凝土整平膠結(jié)層（或排水層、防滲層）施工后，按設(shè)計位置測放光纜線路及關(guān)鍵點位置，標(biāo)記好線路（轉(zhuǎn)彎處轉(zhuǎn)彎半徑≥1.5 m），之后用導(dǎo)熱材料的卡子將光纜沿標(biāo)記好的線路固定。光纜固定后，沿長度方向每5 m設(shè)定一個標(biāo)定點，并量測標(biāo)定點的空間位置（包括樁號和高程），然后用電吹風(fēng)加熱標(biāo)定點處光纜，用測溫儀讀取標(biāo)定點在光纜中的位置，建立標(biāo)定點及其在光纜中空間對應(yīng)關(guān)系，并填入光纜安裝埋設(shè)記錄表中永久保存。

圖3 DTS系統(tǒng)光纖布置剖面示意圖Fig.3 Profile of DTS fiber layout

高強度耐高溫專用綜合光纜與瀝青混凝土之間嚴(yán)禁使用隔熱材料，下料前考慮10%的富裕量。光纜的最大鋪設(shè)長度不超過2 000 m，其兩端在電纜溝內(nèi)的裕留長度在10 m以上。對于雙端回路光纜，其雙端回路要留在外邊，以備與尾纖熔接并接到DTS測溫儀上。對于非回路光纜，其置于瀝青混凝土內(nèi)的一端做防水保護，并使電加熱線形成回路，另一端要留在外面，以備與尾纖熔接到DTS測溫儀上。

埋設(shè)完成后，用信號傳輸光纜和加熱電源線與探測光纖連接，沿壩頂電纜溝引到上水庫監(jiān)測室，然后與DTS主機和加熱裝置連接，進行在線實時監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 DTS系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of DTS layout

5 觀測成果對比分析

5.1 光纖埋設(shè)區(qū)域淹沒前觀測成果

張河灣抽水蓄能電站上水庫蓄水位較低，光纖埋設(shè)區(qū)域還沒有淹沒時，所觀測到的信息主要是受環(huán)境氣溫的影響，兩個斷面的具體成果見圖5和圖6。

圖5 防滲面板2+282斷面淹沒前溫度分布Fig.5 Temperature distributed on the section 2+282 before submerged

圖6 防滲面板1+300斷面淹沒前溫度分布Fig.6 Temperature distributed on the section 1+300 before submerged

從以上分布線可以看出：

（1）2+282斷面在高溫時進行觀測，整平層、排水層、防滲層溫度呈階梯狀分布，且溫度由上到下呈遞減；1+300斷面在溫度下降時進行觀測，且溫度下降到防滲層與排水層、整平層接近時，由于溫度傳遞的滯后，防滲層溫度會略小于排水層，溫度由上到下呈遞增，觀測結(jié)果與工程實際情況相符；

（2）因埋設(shè)于各整平層、排水層、防滲層的光纖所處環(huán)境相同，所以同一層面溫度分布均勻，觀測結(jié)果也與此工程實際相符，同時表明該系統(tǒng)的靈敏度較高。

5.2 光纖埋設(shè)區(qū)域淹沒后觀測成果

光纖埋設(shè)區(qū)域部分淹沒后溫度分布對比見圖7和圖8。

對以上2組曲線分析如下：

（1）由于冬季外界氣溫低，庫水溫高于外界氣溫，淹沒區(qū)溫度高于未淹沒區(qū)溫度；

（2）整平層、排水層、防滲層未淹沒部分溫度沿高程由高到低降低；

（3）整平層、排水層、防滲層淹沒部分溫度沿高程由高到低升高，即淹沒越深溫度越高；

圖7 防滲面板2+282斷面淹沒后溫度分布Fig.7 Temperature distributed on the section 2+282 after sub-merged

圖8 防滲面板1+300斷面淹沒后溫度分布Fig.8 Temperature distributed on the section 1+300 after sub-merged

（4）加熱后，所有測點溫度較加熱前有明顯上升，未見異常，表明沒有產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。

總之，光纖溫度測值主要隨氣溫和庫水溫的變化而變化，目前沒有產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。

6 結(jié) 語

（1）DTS系統(tǒng)自投入張河灣抽水蓄能電站上水庫運行以來，整個系統(tǒng)未出現(xiàn)任何故障，表明該系統(tǒng)的安全可靠性較好。

（2）DTS系統(tǒng)靈敏度高，性能可滿足工程要求，可廣泛應(yīng)用于瀝青混凝土面板溫度場監(jiān)測、壩前水溫監(jiān)測、防滲體滲漏定位監(jiān)測等。

（3）DTS光纖分布式溫度測量系統(tǒng)是在線監(jiān)測的有效手段，在技術(shù)上已較成熟完善，今后在大壩安全監(jiān)測中具有較好的應(yīng)用價值。

[1]貢保臣,劉愛梅,陸聲鴻,等.堆石壩內(nèi)部沉降觀測方法淺析[J].水力發(fā)電,2005,31(10):98-100.

[2]李端有,熊健,於三大，等.土石壩滲流熱監(jiān)測技術(shù)研究[J].長江科學(xué)院院報，2005，22（6）：29-33.