嚴寒地區大壩越冬保溫遠程光纖監測方法研究

林建濱，羅福生，郝二峰，黃達海，皇甫澤華

（1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京100191；2.河南省水利第二工程局，河南鄭州450016；3.前坪水庫建設管理局，河南鄭州450003）

冬季保溫是嚴寒地區大壩混凝土施工的關鍵［1-3］,越冬期間混凝土施工是否停工一直是建設者反復論證的問題。豐滿大壩所在地區冬季氣溫極低,每年低溫持續時間長達五六個月,專家們經過論證決定中止施工,對已澆混凝土進行越冬保溫。業主單位、施工單位及科研單位對保溫方法、保溫材料、保溫厚度、保溫起止時間等取得了共識［4］,但是保溫的實際效果如何,需要系統全面地監測。過去,工程上長期依賴的人工點式溫度計測溫方式存在測量點稀疏、數據有限、代表性不強,測量時間間隔長（通常每隔幾小時測量一次)、難以捕捉到最不利時刻,易出現數據錯記、漏記等問題,而利用分布式光纖測溫技術進行遠程在線監測,可解決上述問題。

1 工程概況與保溫措施

在建的豐滿新壩位于吉林省吉林市,在1937年始建的豐滿老壩下游120 m處,壩址多年平均氣溫在5℃以下,極端最高氣溫為37℃,極端最低氣溫低于-40℃,冬季嚴寒而漫長。

在嚴寒地區修建大壩,往往夏季澆筑混凝土,冬季停工,大壩基礎溫差、上下層溫差、內外溫差巨大［5］。豐滿新壩主體采用碾壓混凝土,上下游防滲面、廊道等部位采用變態混凝土,每年10—11月至來年3—4月為冬歇期,暫停施工。

碾壓混凝土水化熱反應緩慢［6］,冬季停工前澆筑的混凝土成熟度低、強度增長緩慢,較大的內外溫差容易使越冬面混凝土開裂［7］,因此應采用越冬面保溫的方法,保證大壩安全平穩度過越冬期 。

按照豐滿大壩越冬保溫設計要求,大壩保溫等效放熱系數β≤29.79 kJ/（m2·d·℃),大壩越冬面采用臨時保溫措施,頂面保溫材料自下而上為：1層0.6 mm塑料薄膜,2層2 cm聚乙烯保溫被,13層2 cm棉被,1層三防帆布。實際保溫施工中,采用的是1層0.6 mm塑料薄膜,9層2 cm厚橡塑海綿,1層三防帆布,并且在大壩上下游及側面設置0.8 m高沙袋防風墻以減小風速對保溫效果的影響［9］。上下游面及側面壩頂以下3 m處采用的是2層8 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。

2 仿真分析

對保溫效果進行仿真分析,可以檢驗保溫方案的合理性,尤其是調整了保溫措施、實際施工方案與設計方案不一致的情況下,更需要分析保溫效果,為越冬期間可能出現的各種狀況做理論準備。

2.1 模型信息

依據在建的豐滿新壩33＃壩段對大壩模型幾何尺寸進行優化以方便建模。2016年10月最后一倉混凝土澆筑完畢后進入冬歇,33＃壩段高程達到220 m,即從壩基到越冬面高度約30 m。以大壩左右岸、上下游及高程方向分別為x、y、z軸,基巖在高度及上下游方向各延伸120 m?；鶐r四周及壩體左右側面為絕熱邊界,基巖溫度設為恒定值,表面為第三類邊界,大壩有限元模型如圖1所示。

圖1 大壩有限元模型

仿真計算與大壩設計、施工方案結合,根據施工進度設置混凝土澆筑計劃,混凝土入倉溫度采用現場監測值。環境氣溫采用多年氣溫觀測值,根據時間的變化用三角函數公式計算：

式中：T為環境氣溫；τ為時間。

2.2 混凝土材料參數與澆筑計劃

2.2.1 材料參數

大壩內部主體采用碾壓混凝土,上下游防滲面和局部地方采用變態混凝土。豐滿大壩混凝土和基巖的熱學參數取值及絕熱溫升試驗數據見表1。

表1 材料熱學試驗結果

2.2.2 澆筑進度計劃

為準確模擬及預測冬季保溫效果,混凝土澆筑進度計劃設置與實際施工時間相同,見表2。保溫時間設置為2016年10月20日至2017年3月31日,等效放熱系數β≤29.79 kJ/（m2·d·℃)。

2.3 仿真計算結果

仿真計算結果如圖2所示。201～216 m高程的壩體中部最高溫度達29℃。大壩內部混凝土溫度在整個冬季較穩定,無明顯變化。保溫材料下混凝土表面溫度呈現中間高、兩邊低的分布規律。越冬面中部溫度總體較為均勻,但應特別關注上下游面及側面等棱角處,這些部位屬于雙向散熱,熱量損失快,溫度較低,易引起開裂。33＃壩段上、中、下游3個特征點溫度變化情況見圖3。

表2 混凝土澆筑進度計劃

圖2 保溫效果仿真計算結果（單位：℃)

圖3 保溫材料內混凝土表面溫度及內外溫差變化情況

從臨時保溫施工開始至保溫材料揭除,混凝土表面溫度變化主要經歷了三個階段：覆蓋保溫材料后,隨混凝土水化熱不斷進行,混凝土表面溫度快速上升,隨著溫度升高,上升速率變緩,直至放熱速率和散熱速率持平,混凝土表面達到最高溫；隨著冬季氣溫逐漸變冷,混凝土水化熱速率減緩,溫度開始緩慢下降,一直持續到2月中旬；之后環境溫度回升,混凝土表面溫度趨于穩定或略有上升。

冬歇期在保溫材料揭除前,混凝土表面溫度始終在0℃以上。溫度上升階段,上、中、下游上升到最高溫所需時間不同,分別為15、34、19 d,最高溫分別為14.5、21.3、17.8℃。溫度上升至最高后,在整個漫長的冬季,上、下游混凝土表面溫度逐漸降低,尤其是上游棱角處保溫材料揭除前已接近0℃,而中游混凝土表面溫度則相對穩定,降溫幅度低于3℃。在保溫期間,上游棱角溫度下降最快而與中游交界處溫度下降緩慢,二者溫差逐漸增大,最大溫差可達20℃,由此可見,上、下游棱角處的雙向散熱情況對混凝土保溫極為不利。與上游垂直的棱角相比,下游鈍角形棱角雙向散熱情況嚴重程度較輕。因此,大壩越冬保溫應重點關注上、下游及側面,防止溫度過低而開裂。

總體而言,預測整個越冬期保溫被內溫度均在0℃以上,日均降溫幅度極小,保溫被內外溫差與環境溫度先降后升相反,為先升后降,最大內外溫差可達35℃,在施工質量有保障的情況下,大壩越冬保溫方案可行。

3 監測效果對比分析

3.1 監測方案

溫控監測采用分布式光纖遠程在線監測技術［10］,該測溫系統包括測溫光纖、DTS測溫主機、電腦及配套軟件、無線上網設備等（如圖4所示)。其中感應溫度的“神經”——測溫光纖可埋設在混凝土內部及敷設在保溫材料下,通過DTS測溫主機、電腦及配套軟件可將測得的物理信號轉換成溫度數據,而無線上網設備可將施工現場監控電腦接入互聯網,實時在線傳輸監測數據。

圖4 遠程在線監測方案示意

溫度監測分為施工與運行期混凝土溫控監測和冬季停工期越冬面保溫效果監測。夏季施工期間,測溫光纖與碾壓混凝土澆筑高程同步上升,每一倉混凝土高程中部埋設測溫光纖,可長期監測從施工到運營期大壩內部混凝土溫度。冬季停工后,將測溫光纖敷設于越冬面表面,再覆蓋保溫材料。測溫光纖敷設方案見圖5。

圖5 測溫光纖敷設示意

3.2 遠程在線監測優勢

與傳統測溫技術相比,分布式光纖在線監測系統主要有三方面優勢：實時自動監測,遠程在線監測,高密度監測。

通過設置儀器測量時間可實現自動監測,測溫主機測量頻率極高,每兩次測量時間間隔可小于10 s；與測溫主機連接的電腦上加裝無線上網設備,并安裝遠程監控軟件,可在任何有互聯網的地方對現場測溫系統進行操控,還可實現監測數據實時上傳；測溫主機發射激光,通過光纖回傳的光信號,即可測定光纖任意點的溫度,故光纖所到之處均是監測點,可達到極高的監測密度。

在保溫材料內密集敷設測溫光纖,可實時監測大壩整個越冬面任何部位的保溫效果。當寒潮來臨、局部保溫施工不可靠、保溫材料受潮導致保溫效果降低等引起的混凝土表面或局部（或大面積)溫度驟降,均可通過實時監測,定位保溫薄弱點,以便采取緊急補救措施,防止冷季開裂。測溫光纖還具有耐久性強等特點［11］,與大壩施工同步埋設在大壩內部的測溫光纖可使用幾十年甚至上百年,實現大壩運營期間的全生命周期監測。當大壩出現裂縫時,壩體滲漏、溫度較低的庫水滲流經過測溫光纖時造成光纖局部溫度降低,通過定位,能夠準確判定大壩裂縫位置［12］。

3.3 監測結果對比

2016—2017年度大壩冬季越冬臨時保溫從2016年10月中旬開始施工,11月初全壩保溫施工完畢,保溫時間約5個月,從2017年3月中旬開始逐步逐層揭除保溫被,至4月初全部揭除。保溫效果監測時間貫穿2016—2017年度冬歇期,自動監測頻率設置為每10 min監測一次,當保溫被內混凝土表面溫度驟降速度達5℃/d時可觸發報警。

3.3.1 實測結果與仿真結果對比

根據監測及仿真結果,各選取33＃壩段上、中、下游3個特征點進行對比分析,見圖6。

圖6 實測與仿真結果對比

圖6 中,實測溫度過程線（實線)與仿真所得溫度過程線（光滑虛線)相比較為粗糙,這與每日早晚溫差波動及監測儀器極小的系統誤差有關,其中2016年11月16日—11月21日、2016年12月29日—2017年1月4日及2017年2月18日—3月10日因大壩現場停電及監測房改移而無實測數據?？梢钥闯觯簩崪y溫度與仿真結果具有一致的變化趨勢,且中游溫度＞下游溫度＞上游溫度,上、中、下游溫度差異與上、下游棱角雙向散熱及棱角形態有關；實測的上、中、下游溫度雖有一定差異,但與仿真結果的20℃溫差相比差異較小,約為5℃,溫度分布較均勻。由于實際保溫施工措施中,為了防止棱角效應,在上、下游棱角處約3 m范圍內加強了保溫措施,保溫材料增厚一倍,且在上、下游和側面采用沙袋設置防風墻,故棱角處保溫效果良好,實測溫度較仿真結果高。對此,在仿真計算模型上、下游棱角處增厚保溫材料,使仿真模型與實際保溫施工方案相同,所得結果見圖7,考慮到實際施工情況復雜,加強棱角保溫后的仿真結果與實測最大絕對溫差在2℃內,二者較為吻合。

圖7 上下游棱角加強保溫后的仿真結果與實測結果對比

3.3.2 保溫施工時間對保溫效果的影響

值得注意的是,由于大壩越冬臨時保溫施工面積極大,從開始保溫施工到施工完畢歷時約20 d。不同壩段及不同部位保溫施工在時間上有前后差異,選取3個不同壩段越冬面中游處的特征點,對比保溫施工時間差異對保溫效果的影響。3個特征點的保溫施工時間分別為2016年10月12日、2016年10月23日及2016年11月4日,溫度變化曲線見圖8。在溫度上升階段,保溫施工較早部位混凝土表面溫度峰值較高,特征點1最高溫度為22℃；保溫施工越晚,保溫被內溫度峰值越低,特征點3保溫施工時間最晚,溫度僅上升至最高13.5℃。特征點1與特征點3保溫施工時間前后相差23 d,最大溫差8.5℃,即使后期溫度趨于穩定后,依然相差2℃左右。因此在工期允許條件下,保溫施工越早,保溫效果越好。

圖8 不同保溫施工時間3個特征點的溫度變化情況

3.3.3 保溫效果評價

（1)在保溫監測期間,外界環境氣溫總體先降后升,根據現場監測數據,2016—2017年度冬歇期間極端低溫出現于2017年1月23日,為-25.35℃,此時保溫被內混凝土表面溫度為13.45℃,內外溫差達38.80℃。

（2)大壩越冬面上、下游及側面棱角處加強保溫措施得當,未出現溫度過低情況,在整個越冬保溫期間,溫度均在10℃以上。

（3)混凝土內部溫度相對穩定,大壩內部距越冬面5 m處混凝土溫度為20～25℃,內外溫度梯度約為2℃/m,符合設計要求。

4 結 論

通過對豐滿大壩2016—2017年度冬歇期間越冬面臨時保溫效果的遠程在線監測,并與仿真分析結果對比,得出如下結論：分布式光纖即使在室外氣溫-25～-30℃的情況下,也能正常測溫,這是我國首次將分布式光纖在極寒的氣溫條件下用于大壩混凝土溫度監測,具有較強的示范效應；豐滿大壩施工采取的保溫措施效果良好,冬歇期間大壩混凝土表面溫度為13～16℃,混凝土內部溫度與表面溫度差別不大,保溫措施起到了防止混凝土表面開裂的作用；大壩越冬面上、下游及側面棱角處雙向散熱,上游棱角處與中游水平面相比溫度約低20℃,需加強對該處的越冬保溫,以防止受凍開裂；入冬前應盡早進行大壩保溫施工,保溫施工越早越冬期間保溫被內溫度越高,保溫效果越好。