近十幾年來(lái)，在高科技的滲透和支持下，常規安全監測技術(shù)開(kāi)始在醞釀更新?lián)Q代。尤其是Smart結構的提出和研制。在各國競相發(fā)展的安全監測高新技術(shù)中，光纖傳感檢測技術(shù)以其獨特優(yōu)勢而處于中心地位。隨著(zhù)光通信的迅猛發(fā)展，光纖及儀表降價(jià)，經(jīng)濟上也有競爭力。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（原葛洲壩水電工程學(xué)院，現三峽大學(xué)）創(chuàng )建了光纖傳感監測技術(shù)研究室，致力于分布式光纖傳感監測技術(shù)在大壩工程中的應用研究，著(zhù)力解決水電工程中的技術(shù)難題。2002年，在總結研究團隊六年初期成果的基礎上，我出版了《光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應用》。時(shí)隔十年，再將《分布式溫度測量系統（DTS）和光纖陀螺（FOG）技術(shù)在大壩工程中的應用研究》奉獻給廣大的讀者。本專(zhuān)著(zhù)共計六篇35章，核心內容由二大部分組成：一是分布式光纖溫度測量系統（DTS）在大壩工程中的應用研究；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用研究。前者解決了大體積混凝土施工和運行中溫度場(chǎng)的分布式監測問(wèn)題，后者解決了高混凝土面板堆石壩面板法向撓度的監測問(wèn)題。我們開(kāi)展了不少物理量的光纖傳感監測技術(shù)研究，這兩項成果在大壩工程中的應用取得了突出的成果，也成為目前大型水電工程應用較成熟的技術(shù)。由分布式光纖溫度測量系統（DTS）在大壩工程中的應用研究，我們派生了兩項二次開(kāi)發(fā)的創(chuàng )新成果，一是大壩溫度場(chǎng)的重構，二是大壩滲流分布式監測理論與方法。大壩溫度場(chǎng)的重構就是將由分布式光纖溫度測量系統（DTS）獲得的溫度資料和有限元技術(shù)相結合，應用等參逆變化理論和熱模態(tài)分解理論重構大壩溫度場(chǎng)。重構的溫度場(chǎng)具有光纖監測數據的實(shí)時(shí)性，又有混凝土壩理想熱傳導規律性，它既反映混凝土壩溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度分布規律，又反映混凝土壩溫度場(chǎng)理想狀態(tài)下的溫度分布規律。在此基礎上探討了基于分布式溫度測量系統（DTS）的實(shí)時(shí)有限元仿真技術(shù)，它解決了傳統有限元仿真分析無(wú)法考慮偶然因素和隨機因素影響的弊端。大壩滲流分布式監測理論與方法的內容也比較豐富，基于大比尺模型實(shí)驗，詳細研究了光纖與多孔介質(zhì)傳熱過(guò)程，建立了滲流監測理論方程式。在試驗數據分析的基礎上，得出溫升和功率及導熱系數經(jīng)驗公式、溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗公式。其中，基于分布式溫度測量系統（DTS），滲漏點(diǎn)位置的確定即方便，又準確。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(shū)中都有一些創(chuàng )新的闡述。另外，在應用光纖陀螺（FOG）技術(shù)監測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測壩體沉降的問(wèn)題。

蔡德所，男，1952年11月出生于武漢市。博士后、教授、博士生導師；湖北省有突出貢獻中青年專(zhuān)家、原國家電力公司跨世紀學(xué)術(shù)帶頭人。畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院水工建筑專(zhuān)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)結構力學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，1995年獲四川大學(xué)巖土工程專(zhuān)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，師從王光遠院士做光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，并獲國家人事部博士后證書(shū)。曾任葛洲壩水電工程學(xué)院水工系副主任、武漢大學(xué)宜昌校區土木建筑工程系主任、學(xué)?？萍继幪庨L(cháng)。2000年5月至今，（掛）任廣西壯族自治區水利廳副廳長(cháng)，兼任廣西水利學(xué)會(huì )理事長(cháng)、廣西水土保持學(xué)會(huì )理事長(cháng)；三峽大學(xué)“三峽學(xué)者”特聘教授、武漢大學(xué)、廣西大學(xué)博士生導師、中國科學(xué)院亞熱帶農業(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)勘察設計研究院博士后科研工作站合作導師。

目前的主要研究方向：一是水利水電工程安全監測的光纖傳感技術(shù)；二是生態(tài)修復與生物監測技術(shù)。共承擔國家和地方主要科研項目26項。近十年來(lái)，獲省級人民政府科技進(jìn)步特等獎2項（主研）、一等獎3項（項目主持人，排名第一）、二等獎3項（項目主持人，排名第一）。在《水利學(xué)報》、《巖土工程學(xué)報》、《生態(tài)學(xué)報》等刊物上發(fā)表科研論文86篇，出版專(zhuān)著(zhù)6部。獲國家發(fā)明專(zhuān)利3項、新型實(shí)用專(zhuān)利5項。培養博士后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)監測百色水利樞紐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)在結構損傷評估中的應用3…………………………………………

1.3 光纖傳感技術(shù)在裂縫、應力、應變檢測方面的應用4………………………………

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

1.5 光纖傳感技術(shù)在溫度檢測方面的應用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解調方法10…………………………

2.2 DTS系統的組成與結構13…………………………………………………………

2.3 DTS系統的測控流程14……………………………………………………………

2.4 DTS光纖測溫系統的性能和率定15………………………………………………

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

2.4.2 單端和雙端測量方法的比較16…………………………………………………

2.4.3 大量程測溫傳感光纖的率定17…………………………………………………

第3章 分布式光纖溫度傳感監測技術(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(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應用研究

3.3 溫度監測的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò )設計21…………………………………………

3.4 網(wǎng)絡(luò )光纜的標定和光纖測頭的保護21……………………………………………

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

3.6 監測成果分析25……………………………………………………………………

第4章 分布式光纖傳感監測百色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 )設計32………………………………………………………

4.3 測溫光纖的埋設工藝研究和保護33………………………………………………

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

4.5 溫度監測成果分析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分析51…………………………………………………

4.5.4 與常規溫度計監測資料的比較52………………………………………………

4.6 百色RCC壩5

#、6A#壩段典型高層溫度監測結果趨勢分析53…………………

4.6.1 5

#壩段1號光路(傳感光纜埋設圖見(jiàn)附圖3)53………………………………

4.6.2 6

#壩段2號光路(傳感光纜埋設圖見(jiàn)附圖3)54………………………………

4.6.3 6

#壩段3號光路(傳感光纜埋設圖見(jiàn)附圖3)54………………………………

4.6.4 6

#壩段4號光路(傳感光纜埋設圖見(jiàn)附圖3)55………………………………

4.6.5 6

#壩段5號光路(傳感光纜埋設圖見(jiàn)附圖3)55………………………………

4.6.6 6

#壩段6號光路(傳感光纜埋設圖見(jiàn)附圖3)55………………………………

4.7 高溫季節澆筑混凝土的溫控措施55………………………………………………

第5章 結論58…………………………………………………………………………………

2

目錄

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

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

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

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

1.3 本篇研究工作的主要內容69………………………………………………………

第2章 溫度場(chǎng)仿真計算與監測數據的對比分析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構布置及材料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 分布式光纖測溫系統實(shí)測值與溫度場(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)間歷程與光纖測試值的比較分析89…………………………

2.5 小結94………………………………………………………………………………

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

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

3.1.1 溫度場(chǎng)有限元計算原理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重構理論的研究及應用101………………………………

3.2.1 基于分片光滑插值函數重構理論的研究101……………………………………

3

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

3.2.2 基于分片光滑插值函數重構理論的應用104……………………………………

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

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

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

3.4 小結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130………………………………………………………………………………

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

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

5.2 系統構成原理131……………………………………………………………………

5.3 數據庫結構與系統結構132…………………………………………………………

5.3.1 數據庫結構132……………………………………………………………………

5.3.2 系統結構132………………………………………………………………………

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

5.4.1 系統的主要功能133………………………………………………………………

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

第6章 結論142………………………………………………………………………………

第三篇 基于DTS的滲流監測技術(shù)研究及其工程應用

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

1.1 大壩滲流監測現狀綜述147…………………………………………………………

4

目錄

1.1.1 滲流檢測方法概述147……………………………………………………………

1.1.2 滲流量的監測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機理及滲流監測原理159………………………………

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

2.1.1 DTS測溫原理159………………………………………………………………

2.1.2 分布式光纖溫度傳感系統的組成與結構160……………………………………

2.1.3 滲流監測系統的組成161…………………………………………………………

2.2 滲流監測原理161……………………………………………………………………

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

2.2.2 線(xiàn)熱源法理論164…………………………………………………………………

2.2.3 巖土材料導熱系數計算討論166…………………………………………………

2.3 小結174………………………………………………………………………………

第3章 模型試驗與數據分析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 試驗模型設計177……………………………………………………………………

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

3.2.2 滲流系統179………………………………………………………………………

3.2.3 監測及加溫系統180………………………………………………………………

3.2.4 輔助測量設備和儀器180…………………………………………………………

5

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

3.2.5 光纖的布設180……………………………………………………………………

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

3.2.7 監測系統工作流程182……………………………………………………………

3.3 試驗過(guò)程183…………………………………………………………………………

3.3.1 試驗工況183………………………………………………………………………

3.3.2 試驗模式185………………………………………………………………………

3.4 試驗數據整理185……………………………………………………………………

3.4.1 有效數據的選擇186………………………………………………………………

3.4.2 有效數據的處理186………………………………………………………………

3.5 試驗結果與分析186…………………………………………………………………

3.5.1 不同加熱功率下光纖溫升的變化規律187………………………………………

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

3.5.3 不同導熱系數下光纖溫升的變化規律203………………………………………

3.5.4 加熱光纖長(cháng)短對光纖溫升的影響206……………………………………………

3.5.5 不同滲流流速下光纖溫升的變化規律208………………………………………

3.5.6 滲流情況下,不同功率下溫升的變化規律210…………………………………

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

3.5.8 補充對照試驗及討論214…………………………………………………………

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

3.6 小結216………………………………………………………………………………

第4章 分布式光纖溫度傳感系統監測滲流的理論研究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 滲流監測理論方程式推導222………………………………………………………

6

目錄

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

4.4.2 非滲流情況監測理論方程式223…………………………………………………

4.4.3 滲流情況監測理論方程式224……………………………………………………

4.5 小結224………………………………………………………………………………

第5章 滲流監測經(jīng)驗公式的建立226………………………………………………………

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

5.2 溫升和功率及導熱系數經(jīng)驗公式的建立226………………………………………

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

5.2.2 SPSS軟件非線(xiàn)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 溫升和導熱系數的關(guān)系231………………………………………………………

5.2.5 溫升和功率及導熱系數的經(jīng)驗公式233…………………………………………

5.3 溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗公式建立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)驗公式238…………………………………………

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

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

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

5.5 小結250………………………………………………………………………………

第6章 采用DTS對思安江面板壩滲流監測研究251………………………………………

6.1 思安江水庫樞紐工程概述251………………………………………………………

6.2 傳感光纖的埋設與工藝252…………………………………………………………

6.2.1 傳感光纖的布置設計252…………………………………………………………

6.2.2 思安江大壩滲流監測的傳感光纖網(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(DTS)和光纖陀螺(FOG)技術(shù)在大壩工程中的應用研究

6.3 現場(chǎng)試驗及分析255…………………………………………………………………

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

6.3.2 分布式光纖檢測19

#面板滲漏的曲線(xiàn)分析258…………………………………

6.3.3 分布式光纖檢測15

#面板滲漏的曲線(xiàn)分析261…………………………………

6.4 監測結論263…………………………………………………………………………

6.5 小結265………………………………………………………………………………

第7章 結論266………………………………………………………………………………

第四篇 高砼面板堆石壩面板撓度和壩體沉降監測的光纖陀螺技術(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280…………………………………………………………

2.2 光纖陀螺的光學(xué)結構280……………………………………………………………

2.3 數字閉環(huán)光纖陀螺信號處理方法281………………………………………………

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

第3章 光纖陀螺(FOG)檢測系統運行管道設計與研究286………………………………

3.1 FOG系統運行管道的設計思想286………………………………………………

3.2 FOG系統運行管道的優(yōu)化設計286………………………………………………

3.3 不銹鋼波紋管的設計與生產(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)性能測試與小車(chē)試通行室內實(shí)驗289………………………

8

目錄

第4章 光纖陀螺(FOG)檢測系統小車(chē)設計與研究290……………………………………

4.1 測量裝置290…………………………………………………………………………

4.2 測試小車(chē)設計291……………………………………………………………………

4.3 FOG檢測系統運行管道底部鋼管設計294………………………………………

4.4 水布埡高強度FOG檢測系統小車(chē)優(yōu)化設計295…………………………………

4.4.1 水布埡高強度FOG檢測系統小車(chē)及萬(wàn)向滾輪295……………………………

4.4.2 萬(wàn)向牽引環(huán)設計296………………………………………………………………

4.4.3 測量小車(chē)使用方法297……………………………………………………………

第5章 光纖陀螺(FOG)檢測系統研制299…………………………………………………

5.1 主要研制內容299……………………………………………………………………

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

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

5.2.2 小動(dòng)態(tài)測量301……………………………………………………………………

5.3 光纖陀螺測試302……………………………………………………………………

5.4 FOG可靠性設計303………………………………………………………………

5.5 FOG數字信號處理304……………………………………………………………

第6章 0+212面板FOG運行管道的埋設與安裝及施工期監測307……………………

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

6.2 FOG檢測系統運行管道的布置方案307…………………………………………

6.2.1 FOG運行管道槽放線(xiàn)308………………………………………………………

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

6.2.3 FOG運行管道槽內預鋪ⅡAA料308……………………………………………

6.3 FOG檢測系統運行管道的埋設與安裝309………………………………………

6.4 FOG系統施工期監測0+212面板撓度314………………………………………

6.4.1 初始數據的多項式擬合317………………………………………………………

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

9

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

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

6.4.4 面板撓度測試曲線(xiàn)的修正321……………………………………………………

6.4.5 水布埡撓度測試結果與常規方法測試撓度換算結果對比323…………………

第7章 FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量0+212砼面板撓度325……………………………

7.1 2007年主汛期前(3、4月)FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量0+212砼面板撓度

325……………………………………………………………………………………

7.1.1 測試曲線(xiàn)325………………………………………………………………………

7.1.2 測試曲線(xiàn)匯總336…………………………………………………………………

7.1.3 面板全程檢測與一、二期面板測試數據的初步比較分析336…………………

7.1.4 測試數據337………………………………………………………………………

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

7.2 2007年主汛期(5、6、7、8月)FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量0+212砼面板撓度

338……………………………………………………………………………………

7.2.1 2007年5月監測月報338………………………………………………………

7.2.2 2007年6月監測月報341………………………………………………………

7.2.3 2007年7月監測月報344………………………………………………………

7.2.4 2007年8月監測月報347………………………………………………………

7.3 2007年主汛期后(9、10、12月)FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量0+212砼面板撓度

350……………………………………………………………………………………

7.3.1 2007年9月監測月報350………………………………………………………

7.3.2 2007年10月監測月報352………………………………………………………

7.3.3 2007年12月監測月報353………………………………………………………

7.4 考慮壩頂FOG運行管道管口沉降的0+212面板撓度FOG技術(shù)測量355……

7.4.1 0+212面板FOG運行管道管口沉降355………………………………………

7.4.2 0+212面板撓度測量數據(相對測量)357……………………………………

7.4.3 0+212面板絕對撓度測量數據(考慮管口沉降)359…………………………

01

目錄

第8章 FOG檢測系統現場(chǎng)測量371高程0+133.2壩體沉降361………………………

8.1 371高程0+133.2壩體沉降FOG運行管道埋設與安裝361……………………

8.2 壩體沉降監測FOG系統小車(chē)牽引系統及定位研究362…………………………

8.3 2007年主汛期前(3、4月)FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量371高程0+133.2壩體

沉降364………………………………………………………………………………

8.3.1 測試曲線(xiàn)365………………………………………………………………………

8.3.2 測試曲線(xiàn)匯總(見(jiàn)圖8.23)370…………………………………………………

8.3.3 測試數據370………………………………………………………………………

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

8.4 2007年主汛期(5、6、7、8月)FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量371高程0+133.2壩

體沉降371……………………………………………………………………………

8.4.1 2007年5月監測月報371………………………………………………………

8.4.2 2007年6月監測月報373………………………………………………………

8.4.3 2007年7月監測月報374………………………………………………………

8.4.4 2007年8月監測月報375………………………………………………………

8.5 2007年主汛期后(9、10、12月)FOG檢測系統現場(chǎng)全程測量371高程0+133.2

壩體沉降376…………………………………………………………………………

8.5.1 2007年9月監測月報376………………………………………………………

8.5.2 2007年10月監測月報378………………………………………………………

8.5.3 2007年12月監測月報379………………………………………………………

8.6 考慮371高程FOG運行管道管口沉降的FOG技術(shù)測量0+133.2壩體沉降

381……………………………………………………………………………………

8.6.1 371高程0+133.2FOG運行管道管口沉降381………………………………

8.6.2 371高程0+133.2壩體相對沉降(相對測量)383……………………………

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

第9章 應用FOG檢測系統現場(chǎng)測量371高程壩體水平位移388…………………………

9.1 測量原理388…………………………………………………………………………

11

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

9.2 磁感應設計390………………………………………………………………………

9.3 應用FOG檢測系統現場(chǎng)測量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429……………………………………………………………………………………

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序 言

大壩工程既代表了巨額投資和巨大效益，同時(shí)又蘊含著(zhù)潛在的成災風(fēng)險。如垮壩，洪水不僅破壞水庫、水電工程本身，尤其對下游人民的生命和財產(chǎn)造成慘重災難。因此，大壩安全監測顯得尤為重要。雖然大壩安全監測的常規技術(shù)已有百年歷史，但常規觀(guān)測儀器存在若干根本性缺陷：對測點(diǎn)物性有影響、耐久性較差、易受強電磁場(chǎng)干擾、信息量十分有限，無(wú)法實(shí)現分布式檢測。尤其對大體積混凝土結構溫度場(chǎng)監測、高混凝土面板堆石壩面板撓度監測、隨機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，常規安全監測技術(shù)開(kāi)始在醞釀更新?lián)Q代。尤其是Smart結構的提出和研制。在各國競相發(fā)展的安全監測高新技術(shù)中，光纖傳感檢測技術(shù)以其獨特優(yōu)勢而處于中心地位。隨著(zhù)光通信的迅猛發(fā)展，光纖及儀表降價(jià)，經(jīng)濟上也有競爭力。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（原葛洲壩水電工程學(xué)院，現三峽大學(xué)）創(chuàng )建了光纖傳感監測技術(shù)研究室，致力于分布式光纖傳感監測技術(shù)在大壩工程中的應用研究，著(zhù)力解決水電工程中的技術(shù)難題。2002年，在總結研究團隊六年初期成果的基礎上，我出版了《光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應用》。時(shí)隔十年，再將《分布式溫度測量系統（DTS）和光纖陀螺（FOG）技術(shù)在大壩工程中的應用研究》奉獻給廣大的讀者。本專(zhuān)著(zhù)共計六篇35章，核心內容由二大部分組成：一是分布式光纖溫度測量系統（DTS）在大壩工程中的應用研究；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用研究。前者解決了大體積混凝土施工和運行中溫度場(chǎng)的分布式監測問(wèn)題，后者解決了高混凝土面板堆石壩面板法向撓度的監測問(wèn)題。我們開(kāi)展了不少物理量的光纖傳感監測技術(shù)研究，這兩項成果在大壩工程中的應用取得了突出的成果，也成為目前大型水電工程應用較成熟的技術(shù)。由分布式光纖溫度測量系統（DTS）在大壩工程中的應用研究，我們派生了兩項二次開(kāi)發(fā)的創(chuàng )新成果，一是大壩溫度場(chǎng)的重構，二是大壩滲流分布式監測理論與方法。大壩溫度場(chǎng)的重構就是將由分布式光纖溫度測量系統（DTS）獲得的溫度資料和有限元技術(shù)相結合，應用等參逆變化理論和熱模態(tài)分解理論重構大壩溫度場(chǎng)。重構的溫度場(chǎng)具有光纖監測數據的實(shí)時(shí)性，又有混凝土壩理想熱傳導規律性，它既反映混凝土壩溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度分布規律，又反映混凝土壩溫度場(chǎng)理想狀態(tài)下的溫度分布規律。在此基礎上探討了基于分布式溫度測量系統（DTS）的實(shí)時(shí)有限元仿真技術(shù)，它解決了傳統有限元仿真分析無(wú)法考慮偶然因素和隨機因素影響的弊端。大壩滲流分布式監測理論與方法的內容也比較豐富，基于大比尺模型實(shí)驗，詳細研究了光纖與多孔介質(zhì)傳熱過(guò)程，建立了滲流監測理論方程式。在試驗數據分析的基礎上，得出溫升和功率及導熱系數經(jīng)驗公式、溫升和功率及滲流流速的經(jīng)驗公式。其中，基于分布式溫度測量系統（DTS），滲漏點(diǎn)位置的確定即方便，又準確。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(shū)中都有一些創(chuàng )新的闡述。另外，在應用光纖陀螺（FOG）技術(shù)監測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測壩體沉降的問(wèn)題。

上述內容的研究，得到了水利部“948”計劃項目、中國長(cháng)江三峽建設總公司科技項目、廣西水利廳科技配套項目、湖北清江水電開(kāi)發(fā)公司施工項目、廣西右江水利開(kāi)發(fā)有限責任公司施工項目等項目的資助，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！請恕我不一一寫(xiě)出他們的名字，但他們的名字將永遠記在我的心中！十幾年來(lái)，我和我的團隊共獲得省級人民政府科技進(jìn)步特等獎2項、一等獎2項、二等獎2項，這些研究成果應該說(shuō)對推動(dòng)水利水電科技進(jìn)步起到了積極的作用，是對大壩安全監測理論與技術(shù)的貢獻。因此，還要感謝我歷屆的博、碩士研究生，他們?yōu)槲业膶?zhuān)業(yè)方向、為本專(zhuān)著(zhù)的研究?jì)热莩粤瞬簧倏?，付出了聰明才智！?shí)際上，本書(shū)的成果也擱置了幾年，在大家的鼓勵下，想想還是擠時(shí)間整理一下，供相關(guān)專(zhuān)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)間倉促，書(shū)中不足和錯誤在所難免，敬請專(zhuān)家學(xué)者、工程技術(shù)人員和同行們批評指正。

寫(xiě)到序言的結尾，腦海中突然浮現出2008年5月26日在三峽大學(xué)召開(kāi)“光纖陀螺技術(shù)監測水布埡砼面板堆石壩面板撓度和壩體沉降”項目驗收會(huì )的情景，會(huì )議一開(kāi)始，業(yè)主單位的主要領(lǐng)導說(shuō)：“今天，我們在這里召開(kāi)項目驗收會(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，光纖陀螺技術(shù)監測面板撓度和壩體沉降功不可沒(méi)！”看似一席普通的話(huà)，情真意切，使我感到特別溫暖。的確，一項高新技術(shù)，若能夠真正解決工程難題、為重大工程安全起到作用，這比得什么獎都更重要！

蔡德所

2012年10月于綠城南寧

從事水利工程建設，特別是從事水利工程安全監測的工程技術(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。