CN110095201B - 实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，包括顺河向埋设于混凝土坝体的N层浇筑仓坯层内的n个回环分布式光纤构成的光纤螺旋式回环布设结构，N=n且≥1，各层浇筑仓坯层内埋设有一个回环分布式光纤且相邻回环分布式光纤之间相互连接形成光纤螺旋式回环布设结构；最底层的回环分布式光纤与分布式光纤测温系统连接，各回环分布式光纤的每一米光纤形成一个测温点。本发明提供的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法，可以解决现有监测方法精度低，监控空间区域小，无法针对浇筑仓内混凝土温度不均匀性特征及演变规律进行观测研究的问题。

Description

实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其 方法

技术领域

本发明涉及混凝土坝施工技术领域，尤其是一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法。

背景技术

混凝土坝温控防裂一直是大坝施工安全领域和学术研究领域关注的焦点问题。随着国内一批混凝土坝工程的建设，混凝土坝温控防裂理论和方法的研究及工程实践应用均硕果累累。理论和实践表明：准确掌握坝体真实温度分布及其变化规律是拟定科学合理温控措施的基础，也是分析混凝土温度裂缝产生过程的基础。

传统混凝土坝施工过程中普遍采用单仓上、中、下游各埋设1支点式温度计的方式均化处理得到坝体内部温度数据，并据此开展施工期温控措施的拟定和动态调整。然而，受点温度计量测技术在测点覆盖范围和数据采集频次的制约，普遍采用平均化的混凝土温度控制模式，忽略了坝体内部温度的不均匀性及其对坝体温度裂缝的产生可能带来的不利影响。同时，由于受仓内不同区域混凝土龄期、材料属性、散热条件及冷却效果等各方面差异性的影响，仓内混凝土温度分布的不均匀性可能更加明显。目前，尚无针对浇筑仓内混凝土温度不均匀性特征及演变规律的观测研究成果。综上，开展高密度高频次的混凝土坝空间温度分布监测研究势在必行且意义深远。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法，可以解决现有监测方法精度低，监控空间区域小，无法针对浇筑仓内混凝土温度不均匀性特征及演变规律进行观测研究的问题，空间温度监测精度高、监测空间区域大及监测周期长；为坝体三维温度场重构的精准实现及空间温度差值算法的正确性校核等提供了技术基础和数据支撑。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，包括顺河向埋设于混凝土坝体的N层浇筑仓坯层内的n个回环分布式光纤构成的光纤螺旋式回环布设结构，N=n且≥1，各层浇筑仓坯层内埋设有一个回环分布式光纤且相邻回环分布式光纤之间相互连接形成光纤螺旋式回环布设结构；

回环分布式光纤包括由多个U型光纤连接组成的第一高密度监测光纤段和第二高密度监测光纤段、第一高密度监测光纤段和第二高密度监测光纤段两端分别通过连接光纤段以及辅助回环监测光纤段组成；

最底层的回环分布式光纤与分布式光纤测温系统连接，各回环分布式光纤的每一米光纤形成一个测温点。

连接光纤段沿该层浇筑仓坯层的仓中心线方向直线布设，辅助回环监测光纤段布设于混凝土坝体的同侧横缝面0.5m-1m处。

第一高密度监测光纤段的U型光纤数量≥3，第一高密度监测光纤段的布设面积≥10×5m；第二高密度监测光纤段的U型光纤数量≥3，第二高密度监测光纤段的布设面积≥10×5m；连接光纤段的长度≥40米，辅助回环监测光纤段的长度≥50米。

各个回环分布式光纤的埋设深度为距离各所在浇筑仓坯层顶面的25-30cm处。

各个回环分布式光纤均为双股绑扎光纤。

N=n=6

该方法包括以下步骤：

步骤1：在埋设施工准备阶段，提前完成双股绑扎光纤的理线、备线及成卷捆绑任务；同时，绘制光纤埋设线路关键定位点的空间定位尺寸图，并标识关键定位点的光纤埋设米标对应位置；

步骤2：待第一混凝土坝体的浇筑仓坯层的混凝土料即将完全覆盖埋设区域时，先于冷却水管的铺设任务，先行埋设双股绑扎光纤形成第一混凝土坝体的浇筑仓坯层的回环分布式光纤，采用振捣填压法将光纤埋入混凝土内25-30cm位置，按线路顺序依次埋设光纤，并使用花杆标识光纤埋设路线，直至完成第一混凝土坝体的浇筑仓坯层的回环分布式光纤埋设，将剩余埋设光纤收回至靠于混凝土坝体的同侧横缝面0.5-1m处位置，避免干扰施工；

步骤3：重复上述步骤2，直至完成第N层混凝土坝体的浇筑仓坯层内的回环分布式光纤的埋设，完成光纤螺旋式回环布设结构的施工；

步骤4：将最底层的回环分布式光纤与分布式光纤测温系统连接，进行空间各监测点的定位，以便准确获取混凝土坝内空间温度数据；

步骤5：用分布式光纤测温系统监测多组数据后，分析处理数据，实现混凝土坝空间温度分布的实时监测。

在进行下一层混凝土坝体的浇筑仓坯层的浇筑之前，将上一层浇筑仓坯层内已埋设好的回环分布式光纤用管状开口辅助工装进行保护，待下一层混凝土坝体的浇筑仓坯层的振捣完成后再取下管状开口辅助工装。

步骤5中的分析处理数据包括：分析处理实测温度数据绘制空间温度分布图；最后，采用空间插值算法计算全仓内任意点温度，并对比实测温度分析和校验空间插值算法的合理性与准确性。

本发明提供的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法，通过在混凝土坝体的各浇筑仓坯层内各埋设回环分布式光纤形成的光纤螺旋式回环布设结构，各回环分布式光纤的每一米光纤形成一个测温点，在混凝土坝体内形成高密度的光纤测温点，再配合分布式光纤测温系统（DTS），可以解决现有监测方法精度低，监控空间区域小，无法针对浇筑仓内混凝土温度不均匀性特征及演变规律进行观测研究的问题，空间温度监测精度高、监测空间区域大及监测周期长；为坝体三维温度场重构的精准实现及空间温度差值算法的正确性校核等提供了技术基础和数据支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明分布式光纤系统的结构示意图；

图2为本发明光纤螺旋式回环布设结构的示意图；

图3为本发明光纤螺旋式回环布设结构的侧视图；

图4为本发明单个回环分布式光纤的示意图；

图5为本发明单个回环分布式光纤的俯视图；

图6为本发明管状开口辅助工装的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图5所示，一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，包括顺河向埋设于混凝土坝体的N层浇筑仓坯层3内的n个回环分布式光纤构成的光纤螺旋式回环布设结构1，N=n且≥1，各层浇筑仓坯层3内埋设有一个回环分布式光纤2且相邻回环分布式光纤2之间相互连接形成光纤螺旋式回环布设结构1；

回环分布式光纤2包括由多个U型光纤连接组成的第一高密度监测光纤段2-1和第二高密度监测光纤段2-3、第一高密度监测光纤段2-1和第二高密度监测光纤段2-3两端分别通过连接光纤段2-2以及辅助回环监测光纤段2-4组成；

最底层的回环分布式光纤2与分布式光纤测温系统4（DTS）连接，各回环分布式光纤2的每一米光纤形成一个测温点。

连接光纤段2-2沿该层浇筑仓坯层3的仓中心线方向直线布设，辅助回环监测光纤段2-4布设于混凝土坝体的同侧横缝面5 0.5-1m处，此埋设位置便于更好地保护光纤，避免各坯层浇筑施工过程中对光纤的破坏。

第一高密度监测光纤段2-1的U型光纤数量≥3，第一高密度监测光纤段2-1的布设面积≥10×5m；第二高密度监测光纤段2-3的U型光纤数量≥3，第二高密度监测光纤段2-3的布设面积≥10×5m；连接光纤段2-2的长度≥40米，辅助回环监测光纤段2-4的长度≥50米。

各个回环分布式光纤2的埋设深度为距离各所在浇筑仓坯层3顶面的25-30cm处。

各个回环分布式光纤2均为双股绑扎光纤，在混凝土坝体的横缝面位置靠上游侧布置分布式光纤安置房6，其具备存储大量光纤的功能，光纤螺旋式回环布设结构1布设完毕后的剩余光纤存储于分布式光纤安置房6内后再与分布式光纤测温系统4（DTS）连接。

实施例二

一种上述分布式光纤系统实时监测混凝土坝空间温度分布的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：在埋设施工准备阶段，提前完成双股绑扎光纤的理线、备线及成卷捆绑任务；同时，绘制光纤埋设线路关键定位点的空间定位尺寸图，并标识关键定位点的光纤埋设米标对应位置；

步骤2：待第一混凝土坝体的浇筑仓坯层3的混凝土料即将完全覆盖埋设区域时，先于冷却水管的铺设任务，先行埋设双股绑扎光纤形成第一混凝土坝体的浇筑仓坯层3的回环分布式光纤2，采用振捣填压法将光纤埋入混凝土内25-30cm位置，按线路顺序依次埋设光纤，并使用花杆标识光纤埋设路线，直至完成第一混凝土坝体的浇筑仓坯层3的回环分布式光纤2埋设，将剩余埋设光纤收回至靠于混凝土坝体的同侧横缝面0.5-1m处位置，避免干扰施工；

步骤3：重复上述步骤2，直至完成第N层混凝土坝体的浇筑仓坯层3内的回环分布式光纤2的埋设，完成光纤螺旋式回环布设结构1的施工；

步骤4：将最底层的回环分布式光纤2与分布式光纤测温系统4（DTS）连接，进行空间各监测点的定位，定位方法采用中国发明专利公开号为CN108763824A，发明名称为《一种基于数据对称分析的混凝土坝新浇仓有效测温光纤精准定位方法》公开的方法，以便准确获取混凝土坝内空间温度数据；

步骤5：用分布式光纤测温系统4（DTS）监测多组数据后，分析处理数据，实现混凝土坝空间温度分布的实时监测。

在进行下一层混凝土坝体的浇筑仓坯层3的浇筑之前，将上一层浇筑仓坯层3内已埋设好的回环分布式光纤2用管状开口辅助工装进行保护，待下一层混凝土坝体的浇筑仓坯层3的振捣完成后再取下管状开口辅助工装，管状开口辅助工装如图6所示。

步骤5中的分析处理数据包括：分析处理实测温度数据绘制空间温度分布图；最后，采用空间插值算法计算全仓内任意点温度，并对比实测温度分析和校验空间插值算法的合理性与准确性。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，其特征在于：包括顺河向埋设于混凝土坝体的N层浇筑仓坯层（3）内的n个回环分布式光纤构成的光纤螺旋式回环布设结构（1），N=n且≥1，各层浇筑仓坯层（3）内埋设有一个回环分布式光纤（2）且相邻回环分布式光纤（2）之间相互连接形成光纤螺旋式回环布设结构（1）；

回环分布式光纤（2）包括多个U型光纤连接组成的第一高密度监测光纤段（2-1）和第二高密度监测光纤段（2-3），第一高密度监测光纤段（2-1）和第二高密度监测光纤段（2-3）两端分别通过连接光纤段（2-2）以及辅助回环监测光纤段（2-4）组成一个回环分布式光纤（2）；

最底层的回环分布式光纤与分布式光纤测温主机系统（4）连接，各回环分布式光纤（2）的每一米光纤形成一个测温点。

2.根据权利要求1所述的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，其特征在于：连接光纤段（2-2）沿该层浇筑仓坯层（3）的仓中心线方向直线布设，辅助回环监测光纤段（2-4）布设于混凝土坝体的同侧横缝面0.5m-1m处。

3.根据权利要求2所述的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，其特征在于：第一高密度监测光纤段（2-1）的U型光纤数量≥3，第一高密度监测光纤段（2-1）的布设面积≥10×5m；第二高密度监测光纤段（2-3）的U型光纤数量≥3，第二高密度监测光纤段（2-3）的布设面积≥10×5m；连接光纤段（2-2）的长度≥40米，辅助回环监测光纤段（2-4）的长度≥50米。

4.根据权利要求1所述的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，其特征在于：各个回环分布式光纤（2）的埋设深度为距离各所在浇筑仓坯层（3）顶面的25-30cm处。

5.根据权利要求1所述的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，其特征在于：各个回环分布式光纤（2）均为双股绑扎光纤。

6.根据权利要求1所述的实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统，其特征在于：N=n=6。

7.一种上述权利要求1-6中任一项所述的分布式光纤测温系统实时监测混凝土坝空间温度分布的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：在埋设施工准备阶段，提前完成双股绑扎光纤的理线、备线及成卷捆绑任务；同时，绘制光纤埋设线路关键定位点的空间定位尺寸图，并标识关键定位点的光纤埋设米标对应位置；

步骤2：待混凝土坝体的浇筑仓坯层（3）的混凝土料即将完全覆盖埋设区域时，先于冷却水管的铺设任务，先行埋设双股绑扎光纤形成混凝土坝体的浇筑仓坯层（3）的回环分布式光纤（2），采用振捣填压法将光纤埋入距离该层浇筑仓坯层（3）顶面向下25-30cm位置，按线路顺序依次埋设光纤，并使用花杆标识光纤埋设路线，直至完成混凝土坝体的浇筑仓坯层（3）的回环分布式光纤（2）埋设，将剩余埋设光纤收回至靠于混凝土坝体的同侧横缝面0.5-1m处位置，避免干扰施工；

步骤3：重复上述步骤2，直至完成第N层混凝土坝体的浇筑仓坯层（3）内的回环分布式光纤（2）的埋设，完成光纤螺旋式回环布设结构（1）的施工；

步骤4：将最底层的回环分布式光纤与分布式光纤测温主机系统（4）连接，进行空间各监测点的定位，以便准确获取混凝土坝内空间温度数据；

步骤5：用分布式光纤测温主机系统（4）监测多组数据后，分析处理数据，实现混凝土坝空间温度分布的实时监测。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在进行下一层混凝土坝体的浇筑仓坯层（3）的浇筑之前，将上一层浇筑仓坯层（3）内已埋设好的回环分布式光纤（2）用管状开口辅助工装进行保护，待下一层混凝土坝体的浇筑仓坯层（3）的振捣完成后再取下管状开口辅助工装。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤5中的分析处理数据包括：分析处理实测温度数据绘制空间温度分布图；最后，采用空间插值算法计算全仓内任意点温度，并对比实测温度分析和校验空间插值算法的合理性与准确性。

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