分布式光纤温度传感系统和光纤陀螺技术在大坝工程中的应用研究PDF电子书下载

第一篇 分布式光纤传感技术监测百色水利枢纽5＃、6A＃坝段温度场 3

第1章 光纤传感技术研究综述 3

1.1 引言 3

1.2 光纤传感技术在结构损伤评估中的应用 3

1.3 光纤传感技术在裂缝、应力、应变检测方面的应用 4

1.4 光纤传感技术在弯曲和位移检测方面的应用 5

1.5 光纤传感技术在温度检测方面的应用 6

第2章 分布式光纤温度传感技术的基本理论 8

2.1 分布式光纤温度传感技术的基本原理 8

2.1.1 光时域反射（OTDR）技术 9

2.1.2 拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法 10

2.2 DTS系统的组成与结构 13

2.3 DTS系统的测控流程 14

2.4 DTS光纤测温系统的性能和率定 15

2.4.1 光纤的传输损耗 15

2.4.2 单端和双端测量方法的比较 16

2.4.3 大量程测温传感光纤的率定 17

第3章 分布式光纤温度传感监测技术的基本实践 19

3.1 引言 19

3.2 分布式光纤温度传感的可靠性分析 19

3.3 温度监测的分布式光纤传感网络设计 21

3.4 网络光缆的标定和光纤测头的保护 21

3.5 温度光纤传感网络的埋设工艺研究与出口保护 23

3.6 监测成果分析 25

第4章 分布式光纤传感监测百色RCC坝5＃、6A＃坝段温度场 31

4.1 百色水利枢纽概况 31

4.2 分布式光纤传感网络设计 32

4.3 测温光纤的埋设工艺研究和保护 33

4.4 坝址气象条件分析 36

4.5 温度监测成果分析 37

4.5.1 坝体混凝土水化热过程分析 38

4.5.2 坝体混凝土温度影响因素分析 48

4.5.3 冷却水管降温冷却效应分析 51

4.5.4 与常规温度计监测资料的比较 52

4.6 百色RCC坝5＃、6A＃坝段典型高层温度监测结果趋势分析 53

4.6.1 5＃坝段1号光路（传感光缆埋设图见附图3） 53

4.6.2 6＃坝段2号光路（传感光缆埋设图见附图3） 54

4.6.3 6＃坝段3号光路（传感光缆埋设图见附图3） 54

4.6.4 6＃坝段4号光路（传感光缆埋设图见附图3） 55

4.6.5 6＃坝段5号光路（传感光缆埋设图见附图3） 55

4.6.6 6＃坝段6号光路（传感光缆埋设图见附图3） 55

4.7 高温季节浇筑混凝土的温控措施 55

第5章 结论 58

第二篇 基于DTS的温度场重构理论及实时仿真分析 63

第1章 概述 63

1.1 引言 63

1.2 温度场分析的研究现状 64

1.3 本篇研究工作的主要内容 69

第2章 温度场仿真计算与监测数据的对比分析 71

2.1 引言 71

2.2 百色水利枢纽大坝三维模型的建立 72

2.2.1 百色水利枢纽大坝的结构布置及材料 72

2.2.2 百色水利枢纽大坝的实际浇筑施工进度 75

2.2.3 百色水利枢纽大坝有限元模型的建立 76

2.3 碾压混凝土筑坝的温度场特性分析 78

2.3.1 坝体横断面温度场特性分析 78

2.3.2 坝体水平剖面温度场特性分析 80

2.3.3 坝体特征点温度时间历程特性分析 82

2.4 分布式光纤测温系统实测值与温度场仿真值的比较 84

2.4.1 同时刻温度场仿真与光纤测试值的比较分析 84

2.4.2 同部位温度场时间历程与光纤测试值的比较分析 89

2.5 小结 94

第3章 基于分布式光纤测温技术的温度场重构理论研究 96

3.1 碾压混凝土坝温度场的计算原理 96

3.1.1 温度场有限元计算原理 96

3.1.2 碾压混凝土坝温度组成与影响因素的分析 100

3.2 基于分片光滑插值函数重构理论的研究及应用 101

3.2.1 基于分片光滑插值函数重构理论的研究 101

3.2.2 基于分片光滑插值函数重构理论的应用 104

3.3 基于基本解空间映射的温度场重构理论的研究及应用 106

3.3.1 基于基本解空间映射的温度场重构理论的研究 106

3.3.2 基于基本解空间映射的温度场重构理论的应用 109

3.4 小结 113

第4章 基于分布式光纤传感技术的实时仿真研究 115

4.1 温度场实时仿真理论 115

4.2 百色RCC重力坝温度场实时仿真分析 117

4.3 重力坝温度场实时仿真误差分析 126

4.4 小结 130

第5章 基于空间信息的温度光纤三维可视化系统（DamAna3D） 131

5.1 引言 131

5.2 系统构成原理 131

5.3 数据库结构与系统结构 132

5.3.1 数据库结构 132

5.3.2 系统结构 132

5.4 系统功能介绍及操作说明 133

5.4.1 系统的主要功能 133

5.4.2 界面操作说明 134

第6章 结论 142

第三篇 基于DTS的渗流监测技术研究及其工程应用 147

第1章 概述 147

1.1 大坝渗流监测现状综述 147

1.1.1 渗流检测方法概述 147

1.1.2 渗流量的监测 154

1.2 各种方法的比较 155

1.3 课题研究工作的意义、目的和主要方法 156

1.3.1 课题研究的意义和目的 156

1.3.2 研究工作的主要方法 157

第2章 分布式光纤温度传感系统机理及渗流监测原理 159

2.1 分布式光纤温度传感系统 159

2.1.1 DTS测温原理 159

2.1.2 分布式光纤温度传感系统的组成与结构 160

2.1.3 渗流监测系统的组成 161

2.2 渗流监测原理 161

2.2.1 传热微分方程 162

2.2.2 线热源法理论 164

2.2.3 岩土材料导热系数计算讨论 166

2.3 小结 174

第3章 模型试验与数据分析 176

3.1 引言 176

3.1.1 问题的提出 176

3.1.2 分析的目的 176

3.1.3 分析的思路 177

3.2 试验模型设计 177

3.2.1 模型槽 177

3.2.2 渗流系统 179

3.2.3 监测及加温系统 180

3.2.4 辅助测量设备和仪器 180

3.2.5 光纤的布设 180

3.2.6 填充介质 181

3.2.7 监测系统工作流程 182

3.3 试验过程 183

3.3.1 试验工况 183

3.3.2 试验模式 185

3.4 试验数据整理 185

3.4.1 有效数据的选择 186

3.4.2 有效数据的处理 186

3.5 试验结果与分析 186

3.5.1 不同加热功率下光纤温升的变化规律 187

3.5.2 不同介质、不同含水量下光纤温升的变化规律 198

3.5.3 不同导热系数下光纤温升的变化规律 203

3.5.4 加热光纤长短对光纤温升的影响 206

3.5.5 不同渗流流速下光纤温升的变化规律 208

3.5.6 渗流情况下，不同功率下温升的变化规律 210

3.5.7 不同介质对光纤温升的影响 212

3.5.8 补充对照试验及讨论 214

3.5.9 误差分析 215

3.6 小结 216

第4章 分布式光纤温度传感系统监测渗流的理论研究 218

4.1 引言 218

4.2 多孔介质传热过程 218

4.3 光纤与多孔介质间的传热过程分析 219

4.3.1 非渗流情况下，光纤与多孔介质间传热过程 219

4.3.2 渗流情况下，光纤与多孔介质间传热过程 220

4.4 渗流监测理论方程式推导 222

4.4.1 基本假定 222

4.4.2 非渗流情况监测理论方程式 223

4.4.3 渗流情况监测理论方程式 224

4.5 小结 224

第5章 渗流监测经验公式的建立 226

5.1 引言 226

5.2 温升和功率及导热系数经验公式的建立 226

5.2.1 Excel软件线性回归简介 226

5.2.2 SPSS软件非线性回归分析简介 228

5.2.3 温升和功率的关系 228

5.2.4 温升和导热系数的关系 231

5.2.5 温升和功率及导热系数的经验公式 233

5.3 温升和功率及渗流流速的经验公式建立 234

5.3.1 温升和渗流流速的关系 234

5.3.2 温升和功率的关系 237

5.3.3 温升和功率及渗流流速的经验公式 238

5.4 渗流经验公式的讨论 240

5.4.1 渗流前经验公式讨论 240

5.4.2 渗流后经验公式讨论 246

5.5 小结 250

第6章 采用DTS对思安江面板坝渗流监测研究 251

6.1 思安江水库枢纽工程概述 251

6.2 传感光纤的埋设与工艺 252

6.2.1 传感光纤的布置设计 252

6.2.2 思安江大坝渗流监测的传感光纤网络布置 253

6.2.3 传感光纤的施工工艺 254

6.3 现场试验及分析 255

6.3.1 分布式光纤检测周边缝渗漏的曲线分析 255

6.3.2 分布式光纤检测19＃面板渗漏的曲线分析 258

6.3.3 分布式光纤检测15＃面板渗漏的曲线分析 261

6.4 监测结论 263

6.5 小结 265

第7章 结论 266

第四篇 高砼面板堆石坝面板挠度和坝体沉降监测的光纤陀螺技术研究 273

第1章 概述 273

1.1 问题的提出 273

1.2 光纤陀螺（FOG）技术研究综述 276

第2章 光纤陀螺（FOG）的基本原理 280

2.1 萨格奈克（Sagnac）效应 280

2.2 光纤陀螺的光学结构 280

2.3 数字闭环光纤陀螺信号处理方法 281

2.4 FOG用于高砼面板堆石坝面板挠度测量的基本原理 283

第3章 光纤陀螺（FOG）检测系统运行管道设计与研究 286

3.1 FOG系统运行管道的设计思想 286

3.2 FOG系统运行管道的优化设计 286

3.3 不锈钢波纹管的设计与生产 287

3.4 不锈钢波纹管的硫化 288

3.5 不锈钢波纹管的力学性能测试与小车试通行室内实验 289

第4章 光纤陀螺（FOG）检测系统小车设计与研究 290

4.1 测量装置 290

4.2 测试小车设计 291

4.3 FOG检测系统运行管道底部钢管设计 294

4.4 水布垭高强度FOG检测系统小车优化设计 295

4.4.1 水布垭高强度FOG检测系统小车及万向滚轮 295

4.4.2 万向牵引环设计 296

4.4.3 测量小车使用方法 297

第5章 光纤陀螺（FOG）检测系统研制 299

5.1 主要研制内容 299

5.2 小型化、光电一体化与小动态测量 300

5.2.1 小型化、光电一体化 300

5.2.2 小动态测量 301

5.3 光纤陀螺测试 302

5.4 FOG可靠性设计 303

5.5 FOG数字信号处理 304

第6章 0+212面板FOG运行管道的埋设与安装及施工期监测 307

6.1 水布垭面板堆石坝简介 307

6.2 FOG检测系统运行管道的布置方案 307

6.2.1 FOG运行管道槽放线 308

6.2.2 FOG运行管道槽开挖 308

6.2.3 FOG运行管道槽内预铺ⅡAA料 308

6.3 FOG检测系统运行管道的埋设与安装 309

6.4 FOG系统施工期监测0+212面板挠度 314

6.4.1 初始数据的多项式拟合 317

6.4.2 面板浇筑4个月后测试曲线分析 318

6.4.3 面板浇筑8个月后测试曲线分析 319

6.4.4 面板挠度测试曲线的修正 321

6.4.5 水布垭挠度测试结果与常规方法测试挠度换算结果对比 323

第7章 FOG检测系统现场全程测量0+212砼面板挠度 325

7.1 2007年主汛期前（3、4月）FOG检测系统现场全程测量0+212砼面板挠度 325

7.1.1 测试曲线 325

7.1.2 测试曲线汇总 336

7.1.3 面板全程检测与一、二期面板测试数据的初步比较分析 336

7.1.4 测试数据 337

7.1.5 讨论与分析 338

7.2 2007年主汛期（5、6、7、8月）FOG检测系统现场全程测量0+212砼面板挠度 338

7.2.1 2007年5月监测月报 338

7.2.2 2007年6月监测月报 341

7.2.3 2007年7月监测月报 344

7.2.4 2007年8月监测月报 347

7.3 2007年主汛期后（9、10、12月）FOG检测系统现场全程测量0+212砼面板挠度 350

7.3.1 2007年9月监测月报 350

7.3.2 2007年10月监测月报 352

7.3.3 2007年12月监测月报 353

7.4 考虑坝顶FOG运行管道管口沉降的0+212面板挠度FOG技术测量 355

7.4.1 0+212面板FOG运行管道管口沉降 355

7.4.2 0+212面板挠度测量数据（相对测量） 357

7.4.3 0+212面板绝对挠度测量数据（考虑管口沉降） 359

第8章 FOG检测系统现场测量371高程0+133.2坝体沉降 361

8.1 371高程0+133.2坝体沉降FOG运行管道埋设与安装 361

8.2 坝体沉降监测FOG系统小车牵引系统及定位研究 362

8.3 2007年主汛期前（3、4月）FOG检测系统现场全程测量371高程0+133.2坝体沉降 364

8.3.1 测试曲线 365

8.3.2 测试曲线汇总（见图8.23） 370

8.3.3 测试数据 370

8.3.4 讨论与分析 371

8.4 2007年主汛期（5、6、7、8月）FOG检测系统现场全程测量371高程0+133.2坝体沉降 371

8.4.1 2007年5月监测月报 371

8.4.2 2007年6月监测月报 373

8.4.3 2007年7月监测月报 374

8.4.4 2007年8月监测月报 375

8.5 2007年主汛期后（9、10、12月）FOG检测系统现场全程测量371高程0+133.2坝体沉降 376

8.5.1 2007年9月监测月报 376

8.5.2 2007年10月监测月报 378

8.5.3 2007年12月监测月报 379

8.6 考虑371高程FOG运行管道管口沉降的FOG技术测量0+133.2坝体沉降 381

8.6.1 371高程0+133.2 FOG运行管道管口沉降 381

8.6.2 371高程0+133.2坝体相对沉降（相对测量） 383

8.6.3 371高程0+133.2坝体绝对沉降变化曲线（考虑两管口整体沉降） 385

第9章 应用FOG检测系统现场测量371高程坝体水平位移 388

9.1 测量原理 388

9.2 磁感应设计 390

9.3 应用FOG检测系统现场测量371高程坝体水平位移 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 讨论与分析 404

第五篇 取得的主要研究成果 407

第1章 DTS引进和应用方面的主要成果 407

第2章 基于DTS的二次研发成果 409

第3章 FOG技术在水布垭面板堆石坝的主要应用成果 412

第4章 FOG技术的进一步创新成果 417

附录 419

参考文献 429