混凝土大坝分布式温度监测系统应用研究.pdf

水利水电技术第 4 5卷2 O l 4年第2期 混凝 土大坝分布式温度监测 系统应用研 究 叶志强 ，焦生杰 ，张亚川 ，叶 敏 ( 长安大学 工程机械学院，陕西 西安7 1 0 0 6 4 ) 摘要 ：为确保混凝土坝施工初期和运行期的质量安全 ，设计 了分布式温度监测系统。通过监测到的 温度数据，详 细分析 了坝体的温度分布情况。测试结果表明传感器存 活率达到 9 0 以上 ，所采集数 据可全面反映混凝土坝体的温度分布，验证 了系统的有效性和可靠性。该温度监控 系统可广泛应用于 水 电站大坝温度监测 ，为大坝安全性评估提供 可靠的依据。 关键词 ：温度监测；混凝土坝 ；温度传感器；存活率 中图分类号 ：T V 6 9 8 1 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 2 9 0 6 Re s e a r c h o n a ppl i c a t i o n o f di s t r i bu t e d t e mpe r a t u r e m o n i t o r i ng s ys t e m t o c o n c r e t e d am Y E Z h i q i a n g ，J I A O S h e n i e ，Z H A N G Y a c h u a n ，Y E Mi n ( C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y S c h o o l ，C h a n g a n U n i v e r s i t y ，X i a n 7 1 0 0 6 4，S h a a n x i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T o e n s u r e t h e q u a l i t y s a f e t y o f c o n c r e t e d a m d u r i n g i t s i n i t i a l p e r i o d o f c o n s t ruc t i o n a n d o p e r a t i o n p e r i o d ， a d i s t r i b u t e d t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g s y s t e m i s d e s i g n e d Ba s e d o n t h e me a s u r e d d a t a o f t h e t e mp e r a t u r e ， t h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e d a m bo d y i s a na l y s e d i n d e t a i l Th e t e s t r e s u l t s h o ws t h a t t h e s ur v i v a l r a t e o f t h e s e ns o r s r e a c h e s o v e r 9 0a n d t h e d a t a c o l l e c t e d c a n r e fle c t t h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f c o n c r e t e da m b o d y c o mpl e t e l y， wh i l e t h e e f f e c t i v e n e s s a n d r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e rn a r e c e r t i fie d a s we l 1 Thi s t e mpe r a t u r e mo ni t o r i n g s y s t e m c a n b e wi d e l y a pp l i e d t o t he t e mpe r a t u r e mo ni t o r i n g o f t h e d a m f o r h y d r o p o w e r p r o j e c t a n d p r o v i d e a r e l i a b l e s c i e n t i fi c b a s i s f o r t h e s a f e t y a s s e s s m e n t o n d a m Ke y wo r d s ： t e mp e r a t u r e mo n i t o rin g ；c o n c r e t e d a m ；t e mp e r a t u r e s e n s o r ；s u r v i v a l r a t e 1 引言 在水电站混凝土大坝施工过程 中，混凝土浇筑时 凝 固释放的大量水化热不易散发 ，致使大坝内部温度 迅速上升。当坝体 内外温差达到一定程度时 ，就会产 生温度应力，进而导致大坝产生裂缝 ，削弱大坝结构 的稳定性 。因此 ，合理 的温度监测 和控制是保证 大坝施工质量的关键 因素 。通过对采集到的大坝温度 信息进行整理 ，可以全面了解坝体各个部位的温度变 化过程 ，为以后工程 的施工提供有益的帮助，具有重 大工程意义。 目前国内外大多采用光栅光纤温度采集 系统，但光栅光纤传感器存活率不高，可靠性差。施 工初期采集温度数据较全面 ，但在大坝运行维护期经 常造成大坝温度数据丢失 ，难 以保证大坝温度场分布 的完整性 。本文基于施工对象 的水文气象条件 ， 提出基于差阻式温度计的分布式温度监测系统 ，通过 W a t e r Re s o u rc e s a n d Hr d r o p o w e r En gin e e r i n g Vo 1 4 5 No 2 传感器合理布点和埋设保护，以获得大坝施工期和运 行期完整的温度分布数据 ，确保 坝体 的安全稳定 运 行。 2 传感器选型及埋设点布设 2 1 温度传感器选型 为保证分布式温度监控系统的可靠性和有效性 ， 实现坝体温度分布数据 的完整性 ，应针对施工对象的 水文地质条件 、坝体的结构进行调查研究后完成传感 器选型 J 。研究对 象选取汉江上游某水 电站混凝土 大坝进行温度监测系统的设计。该水电站处于北亚热 收稿 日期 ： 基金项 目： 作者简介 ： 2 01 3 一 O 9 2 O 国家 自然科学 基金 ( 5 1 3 7 8 0 7 2 ) ；教 育部博 士点基 金( 2 0 1 1 0 2 0 5 1 1 0 0 0 2 ) 。 叶志强( 1 9 7 2 一 ) ，男 ，工程师 ，博士。 1 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶志强， 等混凝士大坝分布式温度监测系统应用研究 表 1 旬 阳和 白河气 象站 资料 项 _ i 旬阳气象站 _1 河气象站 平均温度 多年 均气温 l 5 3 1 5 6 l 5 5 多年最 高月平均气温( 7月 ) 3 1 8 3 2 5 3 2 2 多年最低月平均气温( 1月) 0 2 0 3 一 O 3 极端最高气温 4 1 5 ( 1 9 6 2 0 72 6 ) 4 2 6 f 1 9 6 2 0 71 4 、 4 2 l 极端最低气温 一1 1 6 ( 1 9 9 11 2 2 8 ) 一1 1 6 ( 1 9 9 1 1 2 2 81 l 1 6 带边缘大陆性季风气候区，局地气候受秦岭和巴山制 约 ，具有温暖湿润的山地气候特征。夏季受西太平洋 副热带高压和四川盆地 、河西走廊热低压控制 ，高温 炎热多雷暴雨 ，问有伏旱 ；冬季受西伯利亚冷高压控 制 ，寒冷少雨 ；春暖干燥 ，秋凉湿润并多连阴雨。大 坝邻近的旬阳和白河气象站的多年气象统计资料如表 1所列 ，以两气象站平均值拟合该水电站气象资料。 对汉江流域该水电站某年全年的温度进行收集整 理 ，如图 1 所示。从 图 1中可以看出，全年 6月至 9月份属最高温度区；1月和 1 2月份为全年的最低温 度区，最高温度 出现在 7月份 ，温度值大约 3 8左 右 ，最低温度 出现在 1月份 ，温度值 大约 一6左 右。通过水文气象资料表 明，温度传感器的测温范隔 为 一1 05 0。考虑混凝土水化热的影 响，传感器 的量程设定为 一 3 0 7 0。 0 、 厂 7 、 f 一最 低 温 度 、 、+半划愠厦 温度 一 一 最 高 温 度 2 3 4 5 6 7 8 9 l () l 1 l 2 时间 月 图 1 汉江流域某水电站全年气温变化 目前混凝土大 坝经常采用光栅光纤 温度采集 系 统。水 电站大坝的施工环境恶劣 ，在施 工过程 当中， 无论从 自然环境 、施工环境 、人为因素等方面 ，都有 可能对坝体的温度监测产生影响 ，光纤温度传感器在 施工过程 中的埋设 ，对施工条件有更高的要求 ，在埋 设之前需要进行严格要求的封装 - 9 1 。在恶劣 的施工 环境下，光栅光纤传感器存活率不高 ，可靠性差 ，经 常造成大坝运行期温度数据丢失 ，难以建立大坝整体 温度场分布，进而难 以控制混凝土 内温度裂缝所带来 1 3 0 的负面影响。本文选， j 价格低廉 的差阻式温度计进行坝体的温度 采集 ，采川合理的埋设方法 ，确 保温度计的存活率。所采川的差 阻式温度计主要 由 3部分组成 ： 电阻线圈 ，外壳及电缆 ，结构如 图 2所示 图 2差阻式温度计结构 温度计感温元件采用热敏电阻，热敏电阻在一定 的温度范围内阻值与温度成线性的关系，当温度 计所 在的温度变化时 ，其电阻值 也随着变化 热敏电阻的 阻值一温度特性 曲线 是一条指数 曲线 ，非线性度较 大 ，因此在使用时要进行线性化处理 ，线性化处理虽 然能改善热敏电阻的特性曲线 ，但比较复杂。在测温 范围(一 5 01 5 0 ) 的情况下 ，采用铜 电阻测温 ，具 有很好的稳定性 ，温度系数 比较大 ，电阻值与温度之 间接近线性关系；材料容易提纯，价格低廉 ，从经济 成本来考虑较铂 电阻有较好的经济性 。差阻式温度计 的参数如表 2所列 ，其温度计算公式 为 t =O t X( R ， 一 R () ) ( 1 ) 式 巾，t 为测量点 的温度 ；R ， 为温度 汁实测 电阻值 ； 为温度计零度电阻值 ； 为温度系数。 表 2 差 阻式温度计型号及规格 型 号 数值 温度测 量范 C 一3 O 7 0 引 电缆芯线 根 零度电阻值 I ! 4 6 6 电阻温度 系数 I l 。 。 5 0 温度测量精度 C 0 3 差阻式温度计的测量精度高 ，稳定性好 ，测量范 围广 ；与热 电偶温度计相 比，无需进行 冷端温度补 偿 ，灵敏度高 ，其输出信号 比热电偶要大很多 ，信号 便于远程传送 ，有时测量范同可扩大到 2 0 0 7 0 0 ， 甚至 1 0 0 0 C c。从经济成本 考虑 ，差阻式温 度计 与 其他 温度传感器 相 比，成本较 低 ，在工程 中使用差 阻式 温度计测量 坝体温度 ，大 大减 少了温度监测 的 成本 。 2 2坝体监测点位置布设 混凝土坝各个部位的浇筑时间和方法均不相 同 ， 水利水电技术第4 5卷2 0 l 4年第2期 0 赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为了全面了解坝体不同部位 的温度变化情况 ，在坝体 各个部位需要分别埋入相应 的温度传感 器_ 1 。温 度监测点 的位置选取是进行水电站大坝温度监测的关 键 ，首先要结合工程的实际情况 ，按照工程的施工来 实施位置选取 。不 同体积或不同结构 的水 电站大坝 ， 温度监测传感器的埋设部位 、埋设方法 、埋设数量均 不相同。在选取监测位置的同时，要充分考虑坝体的 施工情况 ，包含坝体的施工方法 、施工技术和施工时 间等。温度监 测传感器在坝体各部位 的布置要合理 ， 监测点位置的选 择要恰 当，过多的选择监测点位置 ， 会增加温度传感器在坝体 中的使用数量，给施工带来 不必要的经济成本，同时也给施工增加 了不少麻烦； 过少的选择监测点 ，则不能更为全面的监测坝体各个 部位的温度。因此 ，监测点数量应适 中，并且要监测 全面而合理。根据监测位置的选取原则，本文结合工 程的实际情况 ，并按照水电站大坝的结构设计特点 ，共 选取温度监测点9 2 个 ，如图3 所示 ，从左至右、从上至 下分别用编号( T ，T 2 ，T ， ， ) 表示。 图3 坝体监测点分布( 高程单位 ：IT I ) 2 3温度计埋设方法 温度监控系统的关键是传感器的存活率，若存 活率较低 ，所得温度数据不完全 ，无法全面反 映坝 体温度分布 ，则会 降低监 控 系统的实 际应用 意义 ， 难以保证 坝 体 的安 全性 。因此 应在传 感器 选 型 、埋 设 和后期 温 运行维护中采取各种有效措施 ， 以确保传 感 器 的存 活率。埋设 时 ，应使温度计轴线平行坝面 ， 坝体安 装 结 构如 图 4所 示。埋 设方法 如下 ：( 1 ) 按设计 要求 ， 先测量 放样 ，确 定 温度 计 的高j一 程 、埋设位置 。( 2 ) 预埋两根直 信 径 1 2 to n i 的插筋 ，并将一 根水 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 2期 叶志强， 等混凝土大坝分布式温度监测系统应用研究 平向的直径 1 2 m m 钢筋点焊在预埋插筋 上，以 固定 温度计。( 3 ) 当混凝土 浇筑 面距埋设点约 2 0 e m时 ， 用黑胶布将温度计缠 3层 ，以防传感器受碰损坏 ，并 用黑胶布将其固定在水平钢筋上。( 4 ) 混凝土下料时 应距传感器 1 5 m以上，振捣器不得接近 1 0 I l l_ 范围 以内 ，传感器周围人工 回填剔 除粒径 8 c m 以上的混 凝土 ，用人工捣实且不得触及传感器。( 5 ) 埋设在混 凝土内的温度计 ，可在该层混凝 土碾压后挖坑埋人 ， 再回填混凝土，并人工捣实。( 6 ) 传感器埋设过程中 及混凝土振捣密实后应进行观测 ，如发现不正常应立 即处理或更换传感器重埋。 插筋 图 4温度计埋设分布 3 分布式温度监测系统 基于混凝土坝采用的差阻式温度计 ，设计 了两层 体系结构的分布式温度采集系统。该系统 由温度监控 管理层和数据 自动采集层 两部分组成 ，如图 5所示 。 顶层温度监控管理层采用现代微电子技术和网络通信 技术 ，在 Wi n d o w s X P工作平台上基 于组态软件开发 的智能温度监控管理系统 。系统由控制主机 、微机工 作站 、微机服务器等构成局域网络工作组 ，对外可以 与各局域网和广域网互联 。异地的上级有关管理部 门 可在任何时间透明地监控远端的 自动化监测系统 ，完 成操作者所希望进行的各种操作。其监控管理系统为 多任务网络运行方式，Wi n d o w s X P图形操作环境 、人 机接 口以图形界面方式实现。操作者只需按图形窗口 H A D ： 数据采集模块 微控 制器 FS K 存储器 卤 卤 图 5 分 布式 温度 自动采集 系统原理 1 31 釜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶志强， 等混凝土大坝分布式温度监测系统应用研究 图9 运行期温度分布等值线( 高程单位：m；温度单位 ： o C) 温度传感器存活率可达 9 0 以上，验证了传感器选 型和埋设方法的可行性 。( 2 ) 利用 系统采集 的温度 数 据，绘制了坝体温度分布等值线图，在运行期坝体总 体温度最大温差为 3 o C左右，温度测值沿高程和水平 方 向变化较均匀，温度梯度小 ，基本处于稳定状态 。 验证了混凝土温度采集系统可行性和有效性。 参考文献 ： 2 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京 ：中国 电力出版社 ，2 0 1 0 黄达海，陈彦玉，王祥峰，等 基于分布式光纤测温的特高拱 坝温控预报研究 J 水利水 电技术 ， 2 0 1 0 ，4 1 ( 9 ) ：4 2 4 6 3 周柏兵 ，万永波 ，徐国龙，等 分布式 光纤 监测 系统在混凝 L 坝的研究与应用 J 水 利信息化 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ：3 2 3 6 4 曹锐 ，刘兴 D T S在某碾 压混凝 土重 力坝温度场监测 中的应用 J 大坝与安全 ，2 0 1 0 ( 4) ：3 2 3 5 5 胡平 ，杨萍 ，吴志朋 ，等环境温度条件对混凝 土坝长期 运行 的影 响 J 水利水电技术 ，2 0 1 2 ，4 3 ( 9 ) ：2 6 2 9 6 张金凯 ，李守义，吴忠明，等 考虑昼夜温差的碾压混凝 t 坝温 度场仿真分析 J l西安理T久学学报，2 0 0 8 ，2 4 ( 3 ) ：3 1 1 3 1 5 7 刘高平 ，杨 如祥 ，秦一涛 光纤温度传感器在水库水位监测 中 的应用 J 电子测量与仪器学报 ，2 0 0 8 ，2 2 ( 5 ) ：1 1 2 1 1 6 8 周柏 兵，万永波 ，徐同龙 ，等 分布式比纤监测系统在混凝 卜 坝的研究与应用 J 水利信息化 ，2 0 1 0 ( 6) ：3 2 3 6 9 Wa n k t ，l u n g c k y A p p l i c a t io n o f a d i s t r i b u te d fi b e r o p t ic c r a c k s e n s o r f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e J S e n s o r s a n d a c t u a t o r A：p h y s i c a l ， 2 0 0 7 ，1 3 5 ( 2 ) ：4 5 8 - 4 6 4 1 0 赵仲 ，王红军 小湾水 电站大坝混 凝 j 温 控施 丁T艺 J 施 T技术 ，2 0 1 0 3 9 ( 1 2 ) ：4 5 4 9 1 1 Z h o n g D e n g H u a ，Z h a o C h e n s h e n g ，R e n B i n g Y u R e s e a r e h o n a n a l y s i s me t h o d for t e mp e r a t u r e c o n t r o l i n f o r ma t i o n o f h i g h a r c h d a m c o n s t r u c t io n J S c ie n c e C h i n a ，2 0 1 1 ，5 4 ( 1 ) ：4 0 - 4 6 1 2 高红军 高速公路路基 温度采 集器 的设计 与实 现 D 太原 ： 太原理T大学 ，2 0 1 0 1 3 唐忠敏 ，李松辉 ，张国新 ，等 高混凝 拱坝一期水冷温度 对 水管周边混凝土 的影 响 J 中 国水 利水 电科学 研 究院学 报 ， 2 0 1 0，8 ( 4 ) ：2 9 9 3 0 3 1 4 朱伯芳 混 凝 土坝 施 T期 温度 场计 算 J 水 利 水 电技 术 ， 2 0 1 0，4 1 ( 9 ) ：3 6 - 4 1 ( 责任编辑郭利娜) ( 上接第1 2 8页) 4 结语 ( 1 ) 大坝安全评价系统为我国首个 系统化 的大坝 安全评价软件 ，集水利行业多种专业知识( 水文 、水 力学、水工结构 、金属结构 、工程管理 等 ) 为一体 ， 并将这些专业的相关计算和要求按照工作流程有机结 合在一起 ，使上 、下游成果 自动衔接 ，形成面向大坝 安全评价工作的一体化系统 ，有效解决 了大坝安全评 价中评价专业多 、评价内容复杂( 定量评价 、定性评 价 、专家经 验评 价 、单 项评 价、综合 评 价等 ) 的 问 题 ，为流程化 、专业化 、管现代化 的大坝安全评价提 供了参考。 ( 2 ) 评价系统软件采用三层架构 的分层设计。各 系统分工协作 ，这样 的分层设计 ，使系统更 易操作 、 维护与扩展。 ( 3 ) 系统软件经实际的工程化应用验证 ，能在局 部和整体上均满足要求 ，减少了水库大坝安全评价重 1 3 4 复劳动，提高了评价工作效率，降低人为主观因素对 评价结论的影响，具有广阔的应用前景。 参考文献 ： 谭界雄 ，位 敏 我 国水库 大坝病 害特点 及除 险加 同技术 概述 J 中国水利 ，2 0 0 9 ( 1 8) ：1 7 2 0 郭江，林霖 ，曹 禹，等 基 于 We b的水 电站大坝 巡检 系统设 计 与开发 J 水电能源科学 ，2 0 1 0，2 8 ( 7 ) ：5 4 - 5 6 陆路 ，李昕 ，周 晶 灾害荷载下 大坝风险管理决策 支持系统研 究 J 水电能源科学 ，2 0 0 9 ，2 7 ( 3 ) ：5 8 6 1 耿庆斋 ，朱 星明 基于 We b G I S的中国大坝空 问数 据发布系统 的设计与开发 J 水电能源科学 ， 2 0 0 7 ，2 5 ( 6 ) ： 4 4 4 7 赵斌 ，吴中如，沈振 中 基于网络环境的大坝安全评价专 家系 统的开发 J 河海大学学报 ，1 9 9 9 ，2 7 ( 4 ) ：6 8 - 7 2 温志萍 ，吴中如 ，顾 冲时 大坝安全分析和评估资源管理 系统 J 河海大学学报(自然科学版 ) ，2 0 0 8，3 6 ( 5 ) ：6 4 0 6 4 5 吴中如 ，顾冲时 ，胡群革 ，等 综论 大坝安全综 合评价专家 系 统 J 水 电能源科学 ，2 0 0 0 ，l 8 ( 2 )：1 5 吴道仓 隔河岩 大坝安 全管 理信息 系统的 开发和应用 J 湖 北水力发电 ，2 0 0 3 ( 1 ) ：6 1 6 3 ( 责任编辑郭利娜) 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第2期 1 j j ll _寸l l卜 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m