基于分布式光纤传感技术的云南万家口子RCC拱坝三维温度场研究

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随着我国筑坝技术的进一步提升,相关的研究也取得了国际领先成果。云南万家口子水电站碾压混凝土RCC拱坝为当前世界上第一高碾压混凝土拱坝,对其进行相关研究意义重大。   大体积混凝土的温度监测异常重要,利用分布式光纤传感技术来监测大坝内部温度场较之传统的电参量点式温度计具有经济、节约和大量获取内部温度数据等优势。同样,分布式光纤测温系统的应用,为大体积混凝土结构的智能化监测、远程监控和物联网中央监控平台的建设打下了基础。   本文的工作主要在以下方面:   (1)研究和分析了分布式光纤温度传感系统的原理及精度影响因素,并通过仪器调试,本文提出了系统测温的三个误差,其分别是系统误差、离散误差与跳跃误差。根据在工程应用(野外)可能碰到的问题,提出了依据DTS的误差性质的改善方案,使之在工程应用中的测温精度由仪器出厂时的±0.7℃提高至±0.3℃。   (2)根据蔡德所教授在光纤应用多年的工作经验,选定了50/125μm型号的铠装光纤光缆,并结合实际应用条件,得出了以开(钩)槽法为主,支架法和贴附法为辅的光纤埋设方法,目前在实际应用中光纤成活率为100%。鉴于传统点式温度计在汛期监测中难以发挥全面作用,甚至不能监测的现象,本文研究了汛期坝体内部温度监测的光纤光缆的牵引方案,并获得了珍贵的高薄拱坝汛期过水的温度资料,为大坝的安全施工和安全运行提供了全天候监测保障。   (3)通过和传统的点式温度计测温效果对比,研究了光纤测温在当今世界第一高RCC拱坝的云南万家口子工程应用的可靠性问题。研究表明两者的测温误差很小,监测的温度曲线发展趋势一致,而且几乎重合,可论证了分布式光纤传感技术应用在坝体监测的可靠性和高精度性。通过对DTS的温度监测成果分析,得出了气温对坝体内部混凝土的影响很小,但是对坝体表层混凝土的影响很大,故而应该尽量避开在高温季节浇筑混凝土。通过对云南万家口子水电站的RCC拱坝浇筑的碾压混凝土的水化热过程进行监测数据分析,得出了该段坝体碾压混凝土水化热过程为11天,而其常态混凝土的水化热过程为7天。在实际监测进行施工指导中,可有效指导工程施工。   (4)本文由监测数据得出了坝体内部混凝土温度的真实变化,1289.5m高程坝体最高温度在初期发生在二级配碾压混凝土拱冠梁中心线附近,最高温度为在4月18日的27.8℃,后来随着二期冷却通水降温结束,坝体温度在慢慢上升,最高温度区域在坝体拱冠梁中心线中心部位,至9月18日所监测的数据显示,最高温度为26℃,在光纤位置ED部位;1298m高程在5月18日监测的温度数据最高,最高温度值为43.3℃,在上游光纤中心线(拱冠梁中心线靠近上游坝面3m位置)处,此处为常态混凝土浇筑区。根据监测成果的特征点的历时温度过程线分析,其可较为真实反映了坝内混凝土的温度变化过程和通水冷却的过程。   (5)利用ANSYS软件,以云南万家口子4#坝段的坝体混凝土三维温度场仿真模拟为例,结合模拟参数和监测的温度数据进行模拟计算,得出了该坝段已经浇筑的混凝土的三维仿真温度场。对比仿真温度温度场的值和DTS实际监测的数据,发现各特征点上的温度值在同时刻低于实测值1~2℃,这与边界条件恒温16.5℃模拟、浇筑环境去掉了高温浇筑对坝体影响和冷却水管的模拟偏差等有关。但是,仿真温度场中各特征点的温度值历时过程线变化趋势和实际监测的一致,其中最小的误差为0.7℃。
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