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近十幾年來(lái)，在高科技的滲透和支持下，常規(guī)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始在醞釀更新?lián)Q代。尤其是Smart結(jié)構(gòu)的提出和研制。在各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的安全監(jiān)測(cè)高新技術(shù)中，光纖傳感檢測(cè)技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而處于中心地位。隨著光通信的迅猛發(fā)展，光纖及儀表降價(jià)，經(jīng)濟(jì)上也有競(jìng)爭(zhēng)力。分布式光纖傳感是傳感技術(shù)發(fā)展中的尖端領(lǐng)域和研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。

我于1996年在武漢水利電力大學(xué)宜昌校區(qū)（原葛洲壩水電工程學(xué)院，現(xiàn)三峽大學(xué)）創(chuàng)建了光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究室，致力于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究，著力解決水電工程中的技術(shù)難題。2002年，在總結(jié)研究團(tuán)隊(duì)六年初期成果的基礎(chǔ)上，我出版了《光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用》。時(shí)隔十年，再將《分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）和光纖陀螺（FOG）技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究》奉獻(xiàn)給廣大的讀者。本專著共計(jì)六篇35章，核心內(nèi)容由二大部分組成：一是分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）在大壩工程中的應(yīng)用研究；二是光纖陀螺（FOG）技術(shù)在混凝土面板堆石壩壩工程中的應(yīng)用研究。前者解決了大體積混凝土施工和運(yùn)行中溫度場(chǎng)的分布式監(jiān)測(cè)問(wèn)題，后者解決了高混凝土面板堆石壩面板法向撓度的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。我們開(kāi)展了不少物理量的光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，這兩項(xiàng)成果在大壩工程中的應(yīng)用取得了突出的成果，也成為目前大型水電工程應(yīng)用較成熟的技術(shù)。由分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）在大壩工程中的應(yīng)用研究，我們派生了兩項(xiàng)二次開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新成果，一是大壩溫度場(chǎng)的重構(gòu)，二是大壩滲流分布式監(jiān)測(cè)理論與方法。大壩溫度場(chǎng)的重構(gòu)就是將由分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）獲得的溫度資料和有限元技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用等參逆變化理論和熱模態(tài)分解理論重構(gòu)大壩溫度場(chǎng)。重構(gòu)的溫度場(chǎng)具有光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又有混凝土壩理想熱傳導(dǎo)規(guī)律性，它既反映混凝土壩溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度分布規(guī)律，又反映混凝土壩溫度場(chǎng)理想狀態(tài)下的溫度分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上探討了基于分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）的實(shí)時(shí)有限元仿真技術(shù)，它解決了傳統(tǒng)有限元仿真分析無(wú)法考慮偶然因素和隨機(jī)因素影響的弊端。大壩滲流分布式監(jiān)測(cè)理論與方法的內(nèi)容也比較豐富，基于大比尺模型實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究了光纖與多孔介質(zhì)傳熱過(guò)程，建立了滲流監(jiān)測(cè)理論方程式。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得出溫升和功率及導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式、溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗(yàn)公式。其中，基于分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS），滲漏點(diǎn)位置的確定即方便，又準(zhǔn)確。難點(diǎn)是滲流流速的確定，也就是滲漏量是多少？這些在本書中都有一些創(chuàng)新的闡述。另外，在應(yīng)用光纖陀螺（FOG）技術(shù)監(jiān)測(cè)高混凝土面板堆石壩面板法向撓度的同時(shí)，我們還很好地解決了分布式監(jiān)測(cè)壩體沉降的問(wèn)題。

蔡德所，男，1952年11月出生于武漢市。博士后、教授、博士生導(dǎo)師；湖北省有突出貢獻(xiàn)中青年專家、原國(guó)家電力公司跨世紀(jì)學(xué)術(shù)帶頭人。畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院水工建筑專業(yè)，曾在清華大學(xué)，成都科技大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)求學(xué)、深造。1991年獲武漢水利電力大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，1995年獲四川大學(xué)巖土工程專業(yè)博士學(xué)位。1996年～1998年進(jìn)哈爾濱建筑大學(xué)力學(xué)博士后流動(dòng)站，師從王光遠(yuǎn)院士做光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，并獲國(guó)家人事部博士后證書。曾任葛洲壩水電工程學(xué)院水工系副主任、武漢大學(xué)宜昌校區(qū)土木建筑工程系主任、學(xué)?？萍继幪庨L(zhǎng)。2000年5月至今，（掛）任廣西壯族自治區(qū)水利廳副廳長(zhǎng)，兼任廣西水利學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、廣西水土保持學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)；三峽大學(xué)“三峽學(xué)者”特聘教授、武漢大學(xué)、廣西大學(xué)博士生導(dǎo)師、中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所客座研究員，廣西大學(xué)土木博士后流動(dòng)站、廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院博士后科研工作站合作導(dǎo)師。

目前的主要研究方向：一是水利水電工程安全監(jiān)測(cè)的光纖傳感技術(shù)；二是生態(tài)修復(fù)與生物監(jiān)測(cè)技術(shù)。共承擔(dān)國(guó)家和地方主要科研項(xiàng)目26項(xiàng)。近十年來(lái)，獲省級(jí)人民政府科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)2項(xiàng)（主研）、一等獎(jiǎng)3項(xiàng)（項(xiàng)目主持人，排名第一）、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（項(xiàng)目主持人，排名第一）。在《水利學(xué)報(bào)》、《巖土工程學(xué)報(bào)》、《生態(tài)學(xué)報(bào)》等刊物上發(fā)表科研論文86篇，出版專著6部。獲國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)、新型實(shí)用專利5項(xiàng)。培養(yǎng)博士后4名、博士生11名、碩士生20名。

目　錄

第一篇 分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)百色水利樞紐5

#、6A#壩段溫度場(chǎng)

第1章 光纖傳感技術(shù)研究綜述3……………………………………………………………

1.1 引言3…………………………………………………………………………………

1.2 光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估中的應(yīng)用3…………………………………………

1.3 光纖傳感技術(shù)在裂縫、應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)方面的應(yīng)用4………………………………

1.4 光纖傳感技術(shù)在彎曲和位移檢測(cè)方面的應(yīng)用5……………………………………

1.5 光纖傳感技術(shù)在溫度檢測(cè)方面的應(yīng)用6……………………………………………

第2章 分布式光纖溫度傳感技術(shù)的基本理論8……………………………………………

2.1 分布式光纖溫度傳感技術(shù)的基本原理8……………………………………………

2.1.1 光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)9………………………………………………………

2.1.2 拉曼分布式光纖溫度傳感器的溫度信號(hào)解調(diào)方法10…………………………

2.2 DTS系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)13…………………………………………………………

2.3 DTS系統(tǒng)的測(cè)控流程14……………………………………………………………

2.4 DTS光纖測(cè)溫系統(tǒng)的性能和率定15………………………………………………

2.4.1 光纖的傳輸損耗15………………………………………………………………

2.4.2 單端和雙端測(cè)量方法的比較16…………………………………………………

2.4.3 大量程測(cè)溫傳感光纖的率定17…………………………………………………

第3章 分布式光纖溫度傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本實(shí)踐19………………………………………

3.1 引言19………………………………………………………………………………

3.2 分布式光纖溫度傳感的可靠性分析19……………………………………………

1

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究

3.3 溫度監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)21…………………………………………

3.4 網(wǎng)絡(luò)光纜的標(biāo)定和光纖測(cè)頭的保護(hù)21……………………………………………

3.5 溫度光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的埋設(shè)工藝研究與出口保護(hù)23………………………………

3.6 監(jiān)測(cè)成果分析25……………………………………………………………………

第4章 分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)百色RCC壩5

#、6A#壩段溫度場(chǎng)31………………………

4.1 百色水利樞紐概況31………………………………………………………………

4.2 分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)32………………………………………………………

4.3 測(cè)溫光纖的埋設(shè)工藝研究和保護(hù)33………………………………………………

4.4 壩址氣象條件分析36………………………………………………………………

4.5 溫度監(jiān)測(cè)成果分析37………………………………………………………………

4.5.1 壩體混凝土水化熱過(guò)程分析38…………………………………………………

4.5.2 壩體混凝土溫度影響因素分析48………………………………………………

4.5.3 冷卻水管降溫冷卻效應(yīng)分析51…………………………………………………

4.5.4 與常規(guī)溫度計(jì)監(jiān)測(cè)資料的比較52………………………………………………

4.6 百色RCC壩5

#、6A#壩段典型高層溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)分析53…………………

4.6.1 5

#壩段1號(hào)光路(傳感光纜埋設(shè)圖見(jiàn)附圖3)53………………………………

4.6.2 6

#壩段2號(hào)光路(傳感光纜埋設(shè)圖見(jiàn)附圖3)54………………………………

4.6.3 6

#壩段3號(hào)光路(傳感光纜埋設(shè)圖見(jiàn)附圖3)54………………………………

4.6.4 6

#壩段4號(hào)光路(傳感光纜埋設(shè)圖見(jiàn)附圖3)55………………………………

4.6.5 6

#壩段5號(hào)光路(傳感光纜埋設(shè)圖見(jiàn)附圖3)55………………………………

4.6.6 6

#壩段6號(hào)光路(傳感光纜埋設(shè)圖見(jiàn)附圖3)55………………………………

4.7 高溫季節(jié)澆筑混凝土的溫控措施55………………………………………………

第5章 結(jié)論58…………………………………………………………………………………

2

目錄

第二篇 基于DTS的溫度場(chǎng)重構(gòu)理論及實(shí)時(shí)仿真分析

第1章 概述63…………………………………………………………………………………

1.1 引言63………………………………………………………………………………

1.2 溫度場(chǎng)分析的研究現(xiàn)狀64…………………………………………………………

1.3 本篇研究工作的主要內(nèi)容69………………………………………………………

第2章 溫度場(chǎng)仿真計(jì)算與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析71…………………………………………

2.1 引言71………………………………………………………………………………

2.2 百色水利樞紐大壩三維模型的建立72……………………………………………

2.2.1 百色水利樞紐大壩的結(jié)構(gòu)布置及材料72………………………………………

2.2.2 百色水利樞紐大壩的實(shí)際澆筑施工進(jìn)度75……………………………………

2.2.3 百色水利樞紐大壩有限元模型的建立76………………………………………

2.3 碾壓混凝土筑壩的溫度場(chǎng)特性分析78……………………………………………

2.3.1 壩體橫斷面溫度場(chǎng)特性分析78…………………………………………………

2.3.2 壩體水平剖面溫度場(chǎng)特性分析80………………………………………………

2.3.3 壩體特征點(diǎn)溫度時(shí)間歷程特性分析82…………………………………………

2.4 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)測(cè)值與溫度場(chǎng)仿真值的比較84…………………………

2.4.1 同時(shí)刻溫度場(chǎng)仿真與光纖測(cè)試值的比較分析84………………………………

2.4.2 同部位溫度場(chǎng)時(shí)間歷程與光纖測(cè)試值的比較分析89…………………………

2.5 小結(jié)94………………………………………………………………………………

第3章 基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的溫度場(chǎng)重構(gòu)理論研究96………………………………

3.1 碾壓混凝土壩溫度場(chǎng)的計(jì)算原理96………………………………………………

3.1.1 溫度場(chǎng)有限元計(jì)算原理96………………………………………………………

3.1.2 碾壓混凝土壩溫度組成與影響因素的分析100…………………………………

3.2 基于分片光滑插值函數(shù)重構(gòu)理論的研究及應(yīng)用101………………………………

3.2.1 基于分片光滑插值函數(shù)重構(gòu)理論的研究101……………………………………

3

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究

3.2.2 基于分片光滑插值函數(shù)重構(gòu)理論的應(yīng)用104……………………………………

3.3 基于基本解空間映射的溫度場(chǎng)重構(gòu)理論的研究及應(yīng)用106………………………

3.3.1 基于基本解空間映射的溫度場(chǎng)重構(gòu)理論的研究106……………………………

3.3.2 基于基本解空間映射的溫度場(chǎng)重構(gòu)理論的應(yīng)用109……………………………

3.4 小結(jié)113………………………………………………………………………………

第4章 基于分布式光纖傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)仿真研究115……………………………………

4.1 溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)仿真理論115……………………………………………………………

4.2 百色RCC重力壩溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)仿真分析117………………………………………

4.3 重力壩溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)仿真誤差分析126………………………………………………

4.4 小結(jié)130………………………………………………………………………………

第5章 基于空間信息的溫度光纖三維可視化系統(tǒng)(DamAna3D)131……………………

5.1 引言131………………………………………………………………………………

5.2 系統(tǒng)構(gòu)成原理131……………………………………………………………………

5.3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)132…………………………………………………………

5.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)132……………………………………………………………………

5.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)132………………………………………………………………………

5.4 系統(tǒng)功能介紹及操作說(shuō)明133………………………………………………………

5.4.1 系統(tǒng)的主要功能133………………………………………………………………

5.4.2 界面操作說(shuō)明134…………………………………………………………………

第6章 結(jié)論142………………………………………………………………………………

第三篇 基于DTS的滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及其工程應(yīng)用

第1章 概述147………………………………………………………………………………

1.1 大壩滲流監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀綜述147…………………………………………………………

4

目錄

1.1.1 滲流檢測(cè)方法概述147……………………………………………………………

1.1.2 滲流量的監(jiān)測(cè)154…………………………………………………………………

1.2 各種方法的比較155…………………………………………………………………

1.3 課題研究工作的意義、目的和主要方法156………………………………………

1.3.1 課題研究的意義和目的156………………………………………………………

1.3.2 研究工作的主要方法157…………………………………………………………

第2章 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)機(jī)理及滲流監(jiān)測(cè)原理159………………………………

2.1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)159………………………………………………………

2.1.1 DTS測(cè)溫原理159………………………………………………………………

2.1.2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)160……………………………………

2.1.3 滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成161…………………………………………………………

2.2 滲流監(jiān)測(cè)原理161……………………………………………………………………

2.2.1 傳熱微分方程162…………………………………………………………………

2.2.2 線熱源法理論164…………………………………………………………………

2.2.3 巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算討論166…………………………………………………

2.3 小結(jié)174………………………………………………………………………………

第3章 模型試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析176……………………………………………………………

3.1 引言176………………………………………………………………………………

3.1.1 問(wèn)題的提出176……………………………………………………………………

3.1.2 分析的目的176……………………………………………………………………

3.1.3 分析的思路177……………………………………………………………………

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)177……………………………………………………………………

3.2.1 模型槽177…………………………………………………………………………

3.2.2 滲流系統(tǒng)179………………………………………………………………………

3.2.3 監(jiān)測(cè)及加溫系統(tǒng)180………………………………………………………………

3.2.4 輔助測(cè)量設(shè)備和儀器180…………………………………………………………

5

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究

3.2.5 光纖的布設(shè)180……………………………………………………………………

3.2.6 填充介質(zhì)181………………………………………………………………………

3.2.7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程182……………………………………………………………

3.3 試驗(yàn)過(guò)程183…………………………………………………………………………

3.3.1 試驗(yàn)工況183………………………………………………………………………

3.3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?85………………………………………………………………………

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理185……………………………………………………………………

3.4.1 有效數(shù)據(jù)的選擇186………………………………………………………………

3.4.2 有效數(shù)據(jù)的處理186………………………………………………………………

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析186…………………………………………………………………

3.5.1 不同加熱功率下光纖溫升的變化規(guī)律187………………………………………

3.5.2 不同介質(zhì)、不同含水量下光纖溫升的變化規(guī)律198……………………………

3.5.3 不同導(dǎo)熱系數(shù)下光纖溫升的變化規(guī)律203………………………………………

3.5.4 加熱光纖長(zhǎng)短對(duì)光纖溫升的影響206……………………………………………

3.5.5 不同滲流流速下光纖溫升的變化規(guī)律208………………………………………

3.5.6 滲流情況下,不同功率下溫升的變化規(guī)律210…………………………………

3.5.7 不同介質(zhì)對(duì)光纖溫升的影響212…………………………………………………

3.5.8 補(bǔ)充對(duì)照試驗(yàn)及討論214…………………………………………………………

3.5.9 誤差分析215………………………………………………………………………

3.6 小結(jié)216………………………………………………………………………………

第4章 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)滲流的理論研究218………………………………

4.1 引言218………………………………………………………………………………

4.2 多孔介質(zhì)傳熱過(guò)程218………………………………………………………………

4.3 光纖與多孔介質(zhì)間的傳熱過(guò)程分析219……………………………………………

4.3.1 非滲流情況下,光纖與多孔介質(zhì)間傳熱過(guò)程219………………………………

4.3.2 滲流情況下,光纖與多孔介質(zhì)間傳熱過(guò)程220…………………………………

4.4 滲流監(jiān)測(cè)理論方程式推導(dǎo)222………………………………………………………

6

目錄

4.4.1 基本假定222………………………………………………………………………

4.4.2 非滲流情況監(jiān)測(cè)理論方程式223…………………………………………………

4.4.3 滲流情況監(jiān)測(cè)理論方程式224……………………………………………………

4.5 小結(jié)224………………………………………………………………………………

第5章 滲流監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式的建立226………………………………………………………

5.1 引言226………………………………………………………………………………

5.2 溫升和功率及導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立226………………………………………

5.2.1 Excel軟件線性回歸簡(jiǎn)介226……………………………………………………

5.2.2 SPSS軟件非線性回歸分析簡(jiǎn)介228……………………………………………

5.2.3 溫升和功率的關(guān)系228……………………………………………………………

5.2.4 溫升和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系231………………………………………………………

5.2.5 溫升和功率及導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式233…………………………………………

5.3 溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗(yàn)公式建立234………………………………………

5.3.1 溫升和滲流流速的關(guān)系234………………………………………………………

5.3.2 溫升和功率的關(guān)系237……………………………………………………………

5.3.3 溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗(yàn)公式238…………………………………………

5.4 滲流經(jīng)驗(yàn)公式的討論240……………………………………………………………

5.4.1 滲流前經(jīng)驗(yàn)公式討論240…………………………………………………………

5.4.2 滲流后經(jīng)驗(yàn)公式討論246…………………………………………………………

5.5 小結(jié)250………………………………………………………………………………

第6章 采用DTS對(duì)思安江面板壩滲流監(jiān)測(cè)研究251………………………………………

6.1 思安江水庫(kù)樞紐工程概述251………………………………………………………

6.2 傳感光纖的埋設(shè)與工藝252…………………………………………………………

6.2.1 傳感光纖的布置設(shè)計(jì)252…………………………………………………………

6.2.2 思安江大壩滲流監(jiān)測(cè)的傳感光纖網(wǎng)絡(luò)布置253…………………………………

6.2.3 傳感光纖的施工工藝254…………………………………………………………

7

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究

6.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析255…………………………………………………………………

6.3.1 分布式光纖檢測(cè)周邊縫滲漏的曲線分析255……………………………………

6.3.2 分布式光纖檢測(cè)19

#面板滲漏的曲線分析258…………………………………

6.3.3 分布式光纖檢測(cè)15

#面板滲漏的曲線分析261…………………………………

6.4 監(jiān)測(cè)結(jié)論263…………………………………………………………………………

6.5 小結(jié)265………………………………………………………………………………

第7章 結(jié)論266………………………………………………………………………………

第四篇 高砼面板堆石壩面板撓度和壩體沉降監(jiān)測(cè)的光纖陀螺技術(shù)研究

第1章 概述273………………………………………………………………………………

1.1 問(wèn)題的提出273………………………………………………………………………

1.2 光纖陀螺(FOG)技術(shù)研究綜述276…………………………………………………

第2章 光纖陀螺(FOG)的基本原理280……………………………………………………

2.1 薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)280…………………………………………………………

2.2 光纖陀螺的光學(xué)結(jié)構(gòu)280……………………………………………………………

2.3 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺信號(hào)處理方法281………………………………………………

2.4 FOG用于高砼面板堆石壩面板撓度測(cè)量的基本原理283………………………

第3章 光纖陀螺(FOG)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行管道設(shè)計(jì)與研究286………………………………

3.1 FOG系統(tǒng)運(yùn)行管道的設(shè)計(jì)思想286………………………………………………

3.2 FOG系統(tǒng)運(yùn)行管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)286………………………………………………

3.3 不銹鋼波紋管的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)287……………………………………………………

3.4 不銹鋼波紋管的硫化288……………………………………………………………

3.5 不銹鋼波紋管的力學(xué)性能測(cè)試與小車試通行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)289………………………

8

目錄

第4章 光纖陀螺(FOG)檢測(cè)系統(tǒng)小車設(shè)計(jì)與研究290……………………………………

4.1 測(cè)量裝置290…………………………………………………………………………

4.2 測(cè)試小車設(shè)計(jì)291……………………………………………………………………

4.3 FOG檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行管道底部鋼管設(shè)計(jì)294………………………………………

4.4 水布埡高強(qiáng)度FOG檢測(cè)系統(tǒng)小車優(yōu)化設(shè)計(jì)295…………………………………

4.4.1 水布埡高強(qiáng)度FOG檢測(cè)系統(tǒng)小車及萬(wàn)向滾輪295……………………………

4.4.2 萬(wàn)向牽引環(huán)設(shè)計(jì)296………………………………………………………………

4.4.3 測(cè)量小車使用方法297……………………………………………………………

第5章 光纖陀螺(FOG)檢測(cè)系統(tǒng)研制299…………………………………………………

5.1 主要研制內(nèi)容299……………………………………………………………………

5.2 小型化、光電一體化與小動(dòng)態(tài)測(cè)量300……………………………………………

5.2.1 小型化、光電一體化300…………………………………………………………

5.2.2 小動(dòng)態(tài)測(cè)量301……………………………………………………………………

5.3 光纖陀螺測(cè)試302……………………………………………………………………

5.4 FOG可靠性設(shè)計(jì)303………………………………………………………………

5.5 FOG數(shù)字信號(hào)處理304……………………………………………………………

第6章 0+212面板FOG運(yùn)行管道的埋設(shè)與安裝及施工期監(jiān)測(cè)307……………………

6.1 水布埡面板堆石壩簡(jiǎn)介307…………………………………………………………

6.2 FOG檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行管道的布置方案307…………………………………………

6.2.1 FOG運(yùn)行管道槽放線308………………………………………………………

6.2.2 FOG運(yùn)行管道槽開(kāi)挖308………………………………………………………

6.2.3 FOG運(yùn)行管道槽內(nèi)預(yù)鋪ⅡAA料308……………………………………………

6.3 FOG檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行管道的埋設(shè)與安裝309………………………………………

6.4 FOG系統(tǒng)施工期監(jiān)測(cè)0+212面板撓度314………………………………………

6.4.1 初始數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合317………………………………………………………

6.4.2 面板澆筑4個(gè)月后測(cè)試曲線分析318……………………………………………

9

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究

6.4.3 面板澆筑8個(gè)月后測(cè)試曲線分析319……………………………………………

6.4.4 面板撓度測(cè)試曲線的修正321……………………………………………………

6.4.5 水布埡撓度測(cè)試結(jié)果與常規(guī)方法測(cè)試撓度換算結(jié)果對(duì)比323…………………

第7章 FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量0+212砼面板撓度325……………………………

7.1 2007年主汛期前(3、4月)FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量0+212砼面板撓度

325……………………………………………………………………………………

7.1.1 測(cè)試曲線325………………………………………………………………………

7.1.2 測(cè)試曲線匯總336…………………………………………………………………

7.1.3 面板全程檢測(cè)與一、二期面板測(cè)試數(shù)據(jù)的初步比較分析336…………………

7.1.4 測(cè)試數(shù)據(jù)337………………………………………………………………………

7.1.5 討論與分析338……………………………………………………………………

7.2 2007年主汛期(5、6、7、8月)FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量0+212砼面板撓度

338……………………………………………………………………………………

7.2.1 2007年5月監(jiān)測(cè)月報(bào)338………………………………………………………

7.2.2 2007年6月監(jiān)測(cè)月報(bào)341………………………………………………………

7.2.3 2007年7月監(jiān)測(cè)月報(bào)344………………………………………………………

7.2.4 2007年8月監(jiān)測(cè)月報(bào)347………………………………………………………

7.3 2007年主汛期后(9、10、12月)FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量0+212砼面板撓度

350……………………………………………………………………………………

7.3.1 2007年9月監(jiān)測(cè)月報(bào)350………………………………………………………

7.3.2 2007年10月監(jiān)測(cè)月報(bào)352………………………………………………………

7.3.3 2007年12月監(jiān)測(cè)月報(bào)353………………………………………………………

7.4 考慮壩頂FOG運(yùn)行管道管口沉降的0+212面板撓度FOG技術(shù)測(cè)量355……

7.4.1 0+212面板FOG運(yùn)行管道管口沉降355………………………………………

7.4.2 0+212面板撓度測(cè)量數(shù)據(jù)(相對(duì)測(cè)量)357……………………………………

7.4.3 0+212面板絕對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)(考慮管口沉降)359…………………………

01

目錄

第8章 FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量371高程0+133.2壩體沉降361………………………

8.1 371高程0+133.2壩體沉降FOG運(yùn)行管道埋設(shè)與安裝361……………………

8.2 壩體沉降監(jiān)測(cè)FOG系統(tǒng)小車牽引系統(tǒng)及定位研究362…………………………

8.3 2007年主汛期前(3、4月)FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量371高程0+133.2壩體

沉降364………………………………………………………………………………

8.3.1 測(cè)試曲線365………………………………………………………………………

8.3.2 測(cè)試曲線匯總(見(jiàn)圖8.23)370…………………………………………………

8.3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)370………………………………………………………………………

8.3.4 討論與分析371……………………………………………………………………

8.4 2007年主汛期(5、6、7、8月)FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量371高程0+133.2壩

體沉降371……………………………………………………………………………

8.4.1 2007年5月監(jiān)測(cè)月報(bào)371………………………………………………………

8.4.2 2007年6月監(jiān)測(cè)月報(bào)373………………………………………………………

8.4.3 2007年7月監(jiān)測(cè)月報(bào)374………………………………………………………

8.4.4 2007年8月監(jiān)測(cè)月報(bào)375………………………………………………………

8.5 2007年主汛期后(9、10、12月)FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)全程測(cè)量371高程0+133.2

壩體沉降376…………………………………………………………………………

8.5.1 2007年9月監(jiān)測(cè)月報(bào)376………………………………………………………

8.5.2 2007年10月監(jiān)測(cè)月報(bào)378………………………………………………………

8.5.3 2007年12月監(jiān)測(cè)月報(bào)379………………………………………………………

8.6 考慮371高程FOG運(yùn)行管道管口沉降的FOG技術(shù)測(cè)量0+133.2壩體沉降

381……………………………………………………………………………………

8.6.1 371高程0+133.2FOG運(yùn)行管道管口沉降381………………………………

8.6.2 371高程0+133.2壩體相對(duì)沉降(相對(duì)測(cè)量)383……………………………

8.6.3 371高程0+133.2壩體絕對(duì)沉降變化曲線(考慮兩管口整體沉降)385……

第9章 應(yīng)用FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量371高程壩體水平位移388…………………………

9.1 測(cè)量原理388…………………………………………………………………………

11

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究

9.2 磁感應(yīng)設(shè)計(jì)390………………………………………………………………………

9.3 應(yīng)用FOG檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量371高程壩體水平位移392………………………

9.3.1 2008年5月6日392……………………………………………………………

9.3.2 2008年5月24日394……………………………………………………………

9.3.3 2008年6月14日395……………………………………………………………

9.3.4 2008年6月28日397……………………………………………………………

9.3.5 2008年7月10日400……………………………………………………………

9.3.6 2008年7月26日402……………………………………………………………

9.4 討論與分析404………………………………………………………………………

第五篇 取得的主要研究成果

第1章 DTS引進(jìn)和應(yīng)用方面的主要成果407………………………………………………

第2章 基于DTS的二次研發(fā)成果409………………………………………………………

第3章 FOG技術(shù)在水布埡面板堆石壩的主要應(yīng)用成果412………………………………

第4章 FOG技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新成果417……………………………………………………

附錄419…………………………………………………………………………………………

參考文獻(xiàn)429……………………………………………………………………………………

21

序 言

大壩工程既代表了巨額投資和巨大效益，同時(shí)又蘊(yùn)含著潛在的成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。如垮壩，洪水不僅破壞水庫(kù)、水電工程本身，尤其對(duì)下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成慘重災(zāi)難。因此，大壩安全監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。雖然大壩安全監(jiān)測(cè)的常規(guī)技術(shù)已有百年歷史，但常規(guī)觀測(cè)儀器存在若干根本性缺陷：對(duì)測(cè)點(diǎn)物性有影響、耐久性較差、易受強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾、信息量十分有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)。尤其對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)、高混凝土面板堆石壩面板撓度監(jiān)測(cè)、隨機(jī)裂縫的捕捉等顯得無(wú)能為力。

近十幾年來(lái)，在高科技的滲透和支持下，常規(guī)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始在醞釀更新?lián)Q代。尤其是Smart結(jié)構(gòu)的提出和研制。在各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的安全監(jiān)測(cè)高新技術(shù)中，光纖傳感檢測(cè)技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而處于中心地位。隨著光通信的迅猛發(fā)展，光纖及儀表降價(jià)，經(jīng)濟(jì)上也有競(jìng)爭(zhēng)力。分布式光纖傳感是傳感技術(shù)發(fā)展中的尖端領(lǐng)域和研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。

我于1996年在武漢水利電力大學(xué)宜昌校區(qū)（原葛洲壩水電工程學(xué)院，現(xiàn)三峽大學(xué)）創(chuàng)建了光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究室，致力于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究，著力解決水電工程中的技術(shù)難題。2002年，在總結(jié)研究團(tuán)隊(duì)六年初期成果的基礎(chǔ)上，我出版了《光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用》。時(shí)隔十年，再將《分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）和光纖陀螺（FOG）技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用研究》奉獻(xiàn)給廣大的讀者。本專著共計(jì)六篇35章，核心內(nèi)容由二大部分組成：一是分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）在大壩工程中的應(yīng)用研究；二是光纖陀螺（FOG）技術(shù)在混凝土面板堆石壩壩工程中的應(yīng)用研究。前者解決了大體積混凝土施工和運(yùn)行中溫度場(chǎng)的分布式監(jiān)測(cè)問(wèn)題，后者解決了高混凝土面板堆石壩面板法向撓度的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。我們開(kāi)展了不少物理量的光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，這兩項(xiàng)成果在大壩工程中的應(yīng)用取得了突出的成果，也成為目前大型水電工程應(yīng)用較成熟的技術(shù)。由分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）在大壩工程中的應(yīng)用研究，我們派生了兩項(xiàng)二次開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新成果，一是大壩溫度場(chǎng)的重構(gòu)，二是大壩滲流分布式監(jiān)測(cè)理論與方法。大壩溫度場(chǎng)的重構(gòu)就是將由分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）獲得的溫度資料和有限元技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用等參逆變化理論和熱模態(tài)分解理論重構(gòu)大壩溫度場(chǎng)。重構(gòu)的溫度場(chǎng)具有光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又有混凝土壩理想熱傳導(dǎo)規(guī)律性，它既反映混凝土壩溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度分布規(guī)律，又反映混凝土壩溫度場(chǎng)理想狀態(tài)下的溫度分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上探討了基于分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS）的實(shí)時(shí)有限元仿真技術(shù)，它解決了傳統(tǒng)有限元仿真分析無(wú)法考慮偶然因素和隨機(jī)因素影響的弊端。大壩滲流分布式監(jiān)測(cè)理論與方法的內(nèi)容也比較豐富，基于大比尺模型實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究了光纖與多孔介質(zhì)傳熱過(guò)程，建立了滲流監(jiān)測(cè)理論方程式。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得出溫升和功率及導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式、溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗(yàn)公式。其中，基于分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)（DTS），滲漏點(diǎn)位置的確定即方便，又準(zhǔn)確。難點(diǎn)是滲流流速的確定，也就是滲漏量是多少？這些在本書中都有一些創(chuàng)新的闡述。另外，在應(yīng)用光纖陀螺（FOG）技術(shù)監(jiān)測(cè)高混凝土面板堆石壩面板法向撓度的同時(shí)，我們還很好地解決了分布式監(jiān)測(cè)壩體沉降的問(wèn)題。

上述內(nèi)容的研究，得到了水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)長(zhǎng)江三峽建設(shè)總公司科技項(xiàng)目、廣西水利廳科技配套項(xiàng)目、湖北清江水電開(kāi)發(fā)公司施工項(xiàng)目、廣西右江水利開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司施工項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助，在此表示衷心的感謝！同時(shí)，也非常感謝一直關(guān)心、幫助和支持我的同事、朋友和領(lǐng)導(dǎo)！請(qǐng)恕我不一一寫出他們的名字，但他們的名字將永遠(yuǎn)記在我的心中！十幾年來(lái)，我和我的團(tuán)隊(duì)共獲得省級(jí)人民政府科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)2項(xiàng)、一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，這些研究成果應(yīng)該說(shuō)對(duì)推動(dòng)水利水電科技進(jìn)步起到了積極的作用，是對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)的貢獻(xiàn)。因此，還要感謝我歷屆的博、碩士研究生，他們?yōu)槲业膶I(yè)方向、為本專著的研究?jī)?nèi)容吃了不少苦，付出了聰明才智！實(shí)際上，本書的成果也擱置了幾年，在大家的鼓勵(lì)下，想想還是擠時(shí)間整理一下，供相關(guān)專業(yè)的學(xué)生和工程技術(shù)人員參考。由于自身的學(xué)術(shù)水平有限，時(shí)間倉(cāng)促，書中不足和錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)專家學(xué)者、工程技術(shù)人員和同行們批評(píng)指正。

寫到序言的結(jié)尾，腦海中突然浮現(xiàn)出2008年5月26日在三峽大學(xué)召開(kāi)“光纖陀螺技術(shù)監(jiān)測(cè)水布埡砼面板堆石壩面板撓度和壩體沉降”項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)的情景，會(huì)議一開(kāi)始，業(yè)主單位的主要領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)：“今天，我們?cè)谶@里召開(kāi)項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)，我們感到很自豪，2007年，世界最高的混凝土面板堆石壩水布埡通過(guò)了高水位的檢驗(yàn)，光纖陀螺技術(shù)監(jiān)測(cè)面板撓度和壩體沉降功不可沒(méi)！”看似一席普通的話，情真意切，使我感到特別溫暖。的確，一項(xiàng)高新技術(shù)，若能夠真正解決工程難題、為重大工程安全起到作用，這比得什么獎(jiǎng)都更重要！

蔡德所

2012年10月于綠城南寧

從事水利工程建設(shè)，特別是從事水利工程安全監(jiān)測(cè)的工程技術(shù)成員，和各高校、科研院所教師、學(xué)生比看的參考資料和文獻(xiàn)。