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        光纖應(yīng)變分布傳感的工程實用情況及其在水工領(lǐng)域的應(yīng)用前景

        2012-03-13 07:58:44崔何亮鄭曉紅王玉潔
        大壩與安全 2012年1期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        崔何亮,鄭曉紅,王玉潔

        (國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心,浙江杭州310014)

        1 光纖傳感技術(shù)概述

        光纖傳感是一種新型的監(jiān)測技術(shù),其基本原理是將通常用于通訊的光纖加工為傳感敏感元件,通過探測光纖中反射、散射光信號的變化,獲取應(yīng)變、溫度等物理信息。因此,與傳統(tǒng)的差阻、電阻、振弦等基于電信號的傳感方式不同,光纖傳感可實現(xiàn)多點串聯(lián)甚至全分布式連續(xù)測點,具有長期穩(wěn)定性好、無零漂、不受電磁干擾等優(yōu)點。目前已投入實際工程應(yīng)用的光纖傳感技術(shù)主要有三類,見表1。

        2 布里淵光時域分析技術(shù)簡介

        表1 三種實用性較強的光纖傳感技術(shù)Table 1:Three kinds of practical fiber optic sensing technology

        布里淵光時域反射技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖同時用于傳感與信號傳輸,其基本原理為:短頻率脈沖光進入光纖后,在前進的相反方向產(chǎn)生布里淵背向散射光,其頻率分別與光纖局部的軸向應(yīng)變及溫度變化成線性關(guān)系,即有:

        其中:vB(ε,T)為任意時刻(產(chǎn)生應(yīng)變與溫差時)光纖布里淵背向散射光頻率;vB(ε0,T0)為初始狀態(tài)下光纖布里淵背向散射光頻率,ε為光纖局部產(chǎn)生的應(yīng)變;T為溫度;C1、C2分別為傳感光纖的應(yīng)變系數(shù)與溫度系數(shù)。從上式可以看出,光纖軸向應(yīng)變與溫度與其布里淵光頻率耦合相關(guān),因此如果需要解耦,最直接的方法就是對其中一個分量進行補償,通常的方法是用纖芯自由的溫度測量光纖進行溫度補償,從而得到各位置實際的應(yīng)變變化量。

        布里淵光時域類解調(diào)儀器主要有以下兩類:BOTDR系列和BOTDA系列。

        BOTDR系列:日本橫河公司是最早實現(xiàn)該技術(shù)商品化的公司,其AQ8603型號產(chǎn)品知名度較高,但目前已停產(chǎn);在該產(chǎn)品基礎(chǔ)上,愛德萬公司(Ad?vantest)和NTT合作,生產(chǎn)了N8510、N8511等產(chǎn)品,在穩(wěn)定性和速度方面較AQ8603略有提升。

        BOTDA系列:日本Neubrex公司研發(fā)的NBX-6050在空間分辨率、測量速度和精度方面則具有領(lǐng)先優(yōu)勢;加拿大OZoptics公司的DSTS-C小型化設(shè)備最大尺寸僅38 cm,且?guī)в?個通道,適用于現(xiàn)場工作;瑞士Omnisens產(chǎn)品價格較低,但各方面性能指標(biāo)較低,控制和軟件的工程實用性不足。

        BOTDA技術(shù)探測的是光纖中的受激布里淵散射光,因此需要將光纖首尾兩端與解調(diào)儀連接,一端注入脈沖光并接受散射光,另一端則注入連續(xù)探測光。與BOTDR相比,BOTDA的光功率更強,可以實現(xiàn)更高的精度和空間分辨率。但BOTDA必須形成回路,一旦斷線則無法獲取數(shù)據(jù),從工程風(fēng)險回避角度,BOTDR有一定的優(yōu)勢。

        基于布里淵光散射的分布式光纖應(yīng)變(或溫度)監(jiān)測技術(shù)具有如下主要優(yōu)點:

        (1)分布式:可以準(zhǔn)確測出光纖沿線任一點上的應(yīng)力、溫度等信息,克服傳統(tǒng)點式監(jiān)測漏檢的弊端,提高監(jiān)測成功率。

        (2)長距離:光纖既作為傳感體又作為傳輸體就可以實現(xiàn)長距離、全方位監(jiān)測和實時連續(xù)控測。

        (3)耐久性:傳統(tǒng)的工程監(jiān)測一般采用差阻式、鋼弦式、應(yīng)變片等電測儀器,易受環(huán)境影響失效,不能適應(yīng)一些大型工程長期監(jiān)測的需要。光纖的主要材料是石英玻璃,與金屬相比具有更大的耐久性。

        (4)穩(wěn)定性:采集的是光纖的物理特性,只要線路通暢,即可保證良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性,不存在零漂和松弛等時效變化。

        (5)抗干擾:光纖是非金屬、絕緣材料,避免了電磁、雷電等干擾。

        (6)輕細柔韌:光纖的這一特性,使它在埋入混凝土的過程中應(yīng)變協(xié)調(diào)性好,避免了匹配的問題,安裝埋設(shè)也比較方便。

        傳統(tǒng)點式傳感器僅能在極個別的“預(yù)測的危險部位”布點,絕大部分范圍無法被監(jiān)控。與之相比,分布式光纖傳感的優(yōu)勢十分明顯,利用一維連續(xù)敷設(shè)的傳感光纖,一次測量即可獲取沿線各點的應(yīng)變或溫度分布,真正實現(xiàn)從預(yù)判風(fēng)險位置到實際發(fā)現(xiàn)危險的突破,這對于大型工程運行期的安全狀態(tài)評估尤其關(guān)鍵。

        但是,與普通傳感儀器相比,分布式光纖傳感由于發(fā)展歷史較短,仍然存在一些弱點:參考案例少,施工工藝要求高,解調(diào)儀器價格偏高,監(jiān)測精度較應(yīng)變片低一個數(shù)量級(>10 με),海量數(shù)據(jù)分析較復(fù)雜等。

        鑒于以上特點,分布式光纖傳感,作為監(jiān)測的一個新方向,被認(rèn)為有很大的發(fā)展空間,與傳統(tǒng)點式傳感器可優(yōu)勢互補。

        3 光纖應(yīng)變分布傳感的工程實用情況

        BOTDA/R技術(shù)在上世紀(jì)90年代末期逐漸成熟,日本Ando、瑞士Omnisens等公司陸續(xù)實現(xiàn)了儀器商品化,測量精度50 με左右,空間分辨率最高至1 m。

        以第一代BOTDA/R儀器為工具,分布式應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)最先應(yīng)用到了土木工程中,相關(guān)案例參見表2。這些早期的工程,主要有三個特點:(1)主要用于大范圍變形的監(jiān)控,對精度要求不高;(2)受空間分辨率限制,常以定點埋設(shè)方式構(gòu)成連續(xù)式位移計;(3)使用通信光纜作為傳感器。

        2005年前后,BOTDA的脈沖光技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)得到了發(fā)展,空間分辨率進步到0.5 m甚至0.1 m,重復(fù)性精度提高至10 με左右,測量速度也加快了數(shù)十倍,拓寬了這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,相關(guān)案例參見表3。解調(diào)儀器的進步,伴隨傳感光纜、敷設(shè)工藝、數(shù)據(jù)解析等技術(shù)的發(fā)展,最近幾年在國外,主要是日本,分布式光纖傳感開始向精細化和準(zhǔn)確化方向發(fā)展。相比早期的工程,其特點是:(1)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)體局部變形、裂縫進行定量化測量;(2)空間分辨率提高,光纜埋設(shè)以全面粘貼為主;(3)使用專門研制的傳感光纜,提高了光纖存活率和感應(yīng)度;(4)單次測量時間由以往的數(shù)十分鐘提高至數(shù)秒。

        第二代BOTDA技術(shù)在中國國內(nèi)尚未見大型工程應(yīng)用報道。

        未來數(shù)年,BOTDA技術(shù)的發(fā)展方向是將布里淵散射光與瑞利散射光結(jié)合,對兩者的光頻率漂移進行綜合分析(瑞利散射頻譜更加復(fù)雜),從而用一根光纖實現(xiàn)溫度和應(yīng)變兩個物理量的分離。同時,由于瑞利散射頻移敏感度千倍高于布里淵散射,因此新技術(shù)的測量精度將達到甚至超過普通的點式傳感器。此外,在擴大測量長度、中繼站產(chǎn)品、解調(diào)儀的小型和模塊化等發(fā)面,各廠家也正在研制新產(chǎn)品以適應(yīng)市場需求。

        4 光纖應(yīng)變分布傳感器在水工領(lǐng)域的應(yīng)用前景

        4.1 引水隧洞襯砌監(jiān)測

        引水隧洞通常距離長、承受內(nèi)外水壓力,不良地質(zhì)條件對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的長期影響倍受關(guān)注。建立襯砌應(yīng)變分布光纖監(jiān)測系統(tǒng),通過對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變狀況及其發(fā)展過程的監(jiān)測和分析,可為運營期的結(jié)構(gòu)狀況評估和事故預(yù)警提供大量監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

        傳感光纖敷設(shè)有埋入式和表面粘貼兩種方式,各有優(yōu)點,可根據(jù)襯砌施工實際進度選用。在有條件的情況下,建議同時采用,有利于對比分析,并確保數(shù)據(jù)完整性。對埋入式敷設(shè),可將傳感光纖沿鋼筋走線,但并不使用粘結(jié)劑和鋼筋結(jié)合,傳感光纖將主要反映混凝土的應(yīng)變變化。在彈性階段,光纖、混凝土和鋼筋的變形協(xié)調(diào),光纖應(yīng)變測值亦可用于計算鋼筋應(yīng)力;出現(xiàn)裂縫、大撓度變形等特殊情況后,光纖受混凝土握裹,仍與混凝土變形同步,但由于光纖護套材料的傳遞損失,應(yīng)力集中區(qū)的光纖應(yīng)變梯度將略小于混凝土實際情況,應(yīng)變分布范圍增大,因此仍可通過積分等方法反推裂縫寬度等混凝土工作狀態(tài)。

        表2 第一代BOTDA/R的工程應(yīng)用代表性案例Table 2:Engineering application examples of the first-generation BOTDA/R

        表3 第二代BOTDA的工程應(yīng)用代表性案例Table 3:Engineering application examples of the second-generation of BOTDA

        傳感光纖敷設(shè)方案和成果預(yù)測見圖1。在隧洞頂拱、左右邊拱位置,傳感光纖沿隧洞軸向埋設(shè)于襯砌內(nèi)。進入運行期后,沿隧洞軸向,各位置應(yīng)變應(yīng)基本保持一致;但在某些部位,受圍巖壓力、內(nèi)外水壓力等因素影響,混凝土襯砌可能發(fā)生裂縫、內(nèi)凸變形。裂縫發(fā)生時,裂縫對應(yīng)部位埋設(shè)的傳感光纖將受拉,應(yīng)變分布圖上會明顯產(chǎn)生一個或多個尖峰;通常情況下,裂縫可能不止一條,沿距離對應(yīng)變進行積分計算,可推求一段范圍內(nèi)(比如0.5 m)的裂縫總寬度,對襯砌運行工況進行評價。圍巖局部變形過大使襯砌表面嚴(yán)重撓曲變形或小范圍剝落時,在應(yīng)變分布圖上可能產(chǎn)生數(shù)米的拉應(yīng)變分布區(qū),結(jié)合配套的試驗研究、理論分析,可進一步分析襯砌變形的空間形態(tài)和發(fā)展過程。

        4.2 蝸殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測

        蝸殼在沖水保壓及后期運行中,內(nèi)壓變化及受力復(fù)雜,對蝸殼鋼襯及外包混凝土進行應(yīng)變分布監(jiān)測有利于進一步監(jiān)控結(jié)構(gòu)體的運行工況,分析承載比,對其安全狀態(tài)進行有效評估。

        蝸殼鋼襯和混凝土應(yīng)變監(jiān)測的試驗方案見圖2。傳感光纜有兩種基本布設(shè)方式:(1)蝸殼外圈水平斷面的軸向應(yīng)變監(jiān)測;(2)蝸殼管道環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測,部分區(qū)段可能采用螺線狀布設(shè)。

        圖2 蝸殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布監(jiān)測方案Fig.2 Scheme for strain monitoring of the spiral case

        原則上,在鋼襯和外包混凝土對應(yīng)位置,按同圓心的路徑布置傳感光纜,以便于后期數(shù)據(jù)對比。其中,蝸殼鋼襯的應(yīng)變監(jiān)測光纜敷設(shè)在鋼襯外表面,粘結(jié)材料采用環(huán)氧樹脂;混凝土應(yīng)變監(jiān)測光纜用環(huán)氧砂漿與鋼筋粘結(jié)或沿鋼筋綁扎,利用混凝土的握裹力傳遞應(yīng)變,綜合反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況以及裂縫的監(jiān)測。

        4.3 其它水工結(jié)構(gòu)

        光纖應(yīng)變分布傳感技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢,可彌補傳統(tǒng)傳感儀器的不足,因此在諸多水工結(jié)構(gòu)中都具有應(yīng)用潛力,比如:(1)壩體內(nèi)部的裂縫監(jiān)測;(2)大型調(diào)壓井的豎井下部、底板、分流墩、升管隔墻等的應(yīng)變和裂縫監(jiān)測;(3)廠房行車梁的應(yīng)力監(jiān)測;(4)壓力鋼管的變形監(jiān)測;(5)地下洞室的巖體深部變形監(jiān)測等。

        5 結(jié)語

        基于BOTDA/R的光纖應(yīng)變分布傳感技術(shù)已應(yīng)用于國內(nèi)外隧道、橋梁、工廠設(shè)備等工程的監(jiān)測中,基本性能已得到驗證,而近幾年新一代高性能產(chǎn)品的誕生更拓寬了這一技術(shù)的應(yīng)用方向,逐漸由整體的定性監(jiān)測向結(jié)構(gòu)體局部變形、裂縫等缺陷的定量化測量發(fā)展。經(jīng)過十年來的探索,BOTDA/R技術(shù)正在為工程界所熟悉和認(rèn)可,分布式光纖傳感的優(yōu)勢逐漸得到發(fā)揮。工程應(yīng)用的增加也勢必促進儀器性能的優(yōu)化和低價化,以及施工工藝、監(jiān)測系統(tǒng)等成套技術(shù)的成熟。

        水工建筑物的分布式應(yīng)變監(jiān)測尚未見報道,具有較高的科研價值,同時也具有向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的潛力和可行性。為確保新技術(shù)的成功應(yīng)用,應(yīng)當(dāng)重視試驗研究,在進入工程現(xiàn)場前做好充分的準(zhǔn)備,在小范圍內(nèi)對傳感光纜的埋設(shè)工藝和施工組織進行演練,熟悉儀器操作,并配合實驗室試驗,對傳感光纜的選型、埋設(shè)工藝和施工流程進行指導(dǎo),積累數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗?!?/p>

        [1]王惠文.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社.2001.

        [2]盧哲安,符晶華,張全林.光纖傳感器用于土木工程檢測的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2001,23(8):37-41.

        [3]張巍.混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測及損傷評估[D].東南大學(xué)博士學(xué)位論文,2003.

        [4]岸田欣增,李哲賢,林繩繽,等.パルスポンプ方法を用いた高分解能ブリルアン計測の理論検討[J].信學(xué)技報,OFT2004,48.

        [5]施斌,徐洪鐘,張丹,等.BOTDR應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在大型基礎(chǔ)工程健康診斷中的可行性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(3):493-499.

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