水利系学子学术演讲比赛获奖作品:光纤测温 乌东德大坝的血脉
2020-12-28

提到血脉二字,大家一定不陌生。血脉是人体生命的通道,活力之源。当血液在血管中流动时,人体便获得了源源不息的能量。如果将一座混凝土大坝比作一个人的话,那么布设在大坝中测温光纤,就像大坝的血脉,通过全周期全面感知混凝土温度的精细变化,为智能温控提供数据之源。


大家可能都知道刚刚建成的,乌东德水电站。乌东德水电站是世界第七大水电站,在建第二大的水电站。大坝为混凝土双曲拱坝,最大坝高270m。


对于300m级特高拱坝而言,施工期温控防裂是其面临的巨大挑战。而对于乌东德而言,温控防裂第一大挑战为超薄拱坝。乌东德拱坝厚高比仅为0.19,为世界上最薄的300米级特高拱坝,坝型“像鸡蛋壳一样”。研究表明,拱坝越薄,温度荷载对其影响越大,温控防裂难度越大。


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第二大挑战是干热河谷,乌东德坝址处最高气温能达到40度,全年温度高于35度天数大于160天,湿度最低低于20%,干热条件下,混凝土更易开裂。


第三大挑战是,乌东德全坝采用低热水泥混凝土,在世界300m级拱坝建造史上尚属首次。低热水泥混凝土内部真实温度场演化规律尚不清楚,无现成温控经验可循,超出现有规范。因此,在施工期,对乌东德大坝温度精细控制尤为重要。


而制定合理有效的温控措施的前提是获得混凝土真实温度分布。然而在大坝混凝土中,温度计往往是离散、零星的布置,获取的温度监测数据少,不能代表大坝的真实温度分布。


分布式光纤测温技术在乌东德大坝工程中的运用就这样应运而生。分布式光纤不仅可以实时连续监测,还具有测点多,高精度,远程监控等一系列优点。乌东德大坝光纤测温系统主要是由DTS测温主机,分布式光纤,数据网络,云平台和人机交互界面几个主要部分组成。基于真实的温度数据,实现混凝土温度场重构。


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基于乌东德拱坝光纤测温的研究,我们发现在混凝土温度监测历史中,温度计、光纤测温运用历史久远。但是在过去实际工程,往往依据经验,在典型坝段典型代表性高程布置、数量往往是一定的。这样获得的温度分布并不一定是真实的,而且往往不是最优的方式。


如何在确定的温度传感器数量下,获取真实的温度场?经过研究,我们发现关键在于把每一个温度传感器布设到最优的位置上,充分利用其温度信息。就像人体血脉一样,分布在合理位置,才能让身体每个部位获得足够能量。基于此,我们提出了一种全域大坝定温方法。主要原理为:在适宜的温度传感器数量下,最优化的布置其位置,通过温度传感器监测数据,进行温度场重构,达到反映真实混凝土温度场的目标。依据该成果,我们也获得了相应的发明专利。


此外,我们同步研发了全域大坝定温方法软件,通过不断优化温度测点位置,数量,实现混凝土温度场真实重构。


在测温光纤获得大坝真实温度数据的基础上,提出了大坝混凝土真实温度场重构的算法。算法的核心主要是优化的插值算法。相当于在人体血脉分布确定后,如何通过已有的血脉,选择一种最优的方式,将能量输送到身体各处。实际研究中,我们通过对比不同插值算法,发现基于自然邻点算法重构的混凝土温度场与已知的温度计监测数据最为吻合。


因此,基于分布式光纤监测数据和自然领点插值算法,对乌东德大坝真实温度场进行了重构,重构温度场的时空变化规律与现场一致。温度监测数据与重构温度差值在1度范围内,大部分都小于0.5度,重构精度高。


并建立乌东德光纤在线监测平台,对温度分布实时查询、跟踪,为精准的温控提供基础。也获得了相应的软件著作权。


基于温度场重构及全域大坝定温方法,联合智能通水系统,实现了乌东德大坝混凝土最高温度可控、温控过程可调、温控措施可优化,取得一系列成果,如:最高温度达标率99.85%,降温速率达标率99.15%,控温阶段温度变幅达标率96.71%。很自豪的说:乌东德大坝没有一条温度裂缝。

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此外,基于真实温度场信息,进行乌东德大坝全过程仿真分析,为大坝提出了各种优化建议,为大坝安全运行保驾护航。


目前乌东德已进行了第三阶段蓄水,蓄水高程达到EL965m,离正常蓄水位EL975m只有一步之遥。各项监测数据均表明乌东德大坝运行正常,各项指标优于同类高坝,整体安全有保障。


基于光纤测温技术创新成果,我们也获得相应的知识产权,如,授权了发明专利5项,技术标准1项,软件著作权1项,发表论文1篇,目前返修1篇。


根据乌东德拱坝光纤测温的研究,我们主要成果总结如下:以光纤监测为基础,发明了一种全域大坝定温方法,提出了温度场重构方法,实现了真实温度场重构,智能通水个性化调控、大坝性态真实仿真。


2020年6月29日,乌东德水电站首批机组投产发电,习主席强调:乌东德水电站是实施“西电东送”的国家重大工程,建设精品工程、永攀科技新高峰、更好造福人民。这是对乌东德建设的肯定,是对无数默默建设的水电人的肯定。作为乌东德工程建设的亲历者,我很幸运,也感到很荣幸。在未来日子里,我会更加坚守初心,砥砺前行。


以上是我的演讲内容,谢谢大家。


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该文为北京水力发电工程学会青年学术演讲比赛三等奖的演讲稿。

作者:彭浩洋,清华大学水利系17级博士生,导师林鹏,主要从事混凝土温度监测与高坝整体稳定研究.


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