楊庚鑫，張 林，朱鴻鵠，陳 媛，胡成秋

(1.四川大學(xué) a.水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.水利水電學(xué)院，成都 610065;2.香港理工大學(xué) 土木及結(jié)構(gòu)工程學(xué)系，香港)

1 研究背景

光纖光柵是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型全光纖無(wú)源器件，光纖光柵傳感器是用光纖光柵制成的一種新型光纖傳感器，可測(cè)量的物理量包括位移、應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等［1］。由于其具有波長(zhǎng)解碼、體積小、易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)、靈敏度高、耐腐蝕抗電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，光纖光柵傳感器已經(jīng)成為一種重要的參量檢測(cè)手段。因此，近年來(lái)隨著光纖光柵傳感技術(shù)的逐漸成熟，其在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的李世海［2］以及清華大學(xué)水利水電工程系的李仲奎［3］等人分別利用光纖光柵傳感器對(duì)抗滑樁模型試驗(yàn)以及地下結(jié)構(gòu)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)進(jìn)行了初步研究。而大型水利水電工程的興建，需要通過(guò)水工地質(zhì)力學(xué)模型研究成果作為重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，但對(duì)于光纖光柵傳感器應(yīng)用在水工地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的研究卻少有報(bào)道。

水工地質(zhì)力學(xué)模型是按照一定的相似原理對(duì)工程進(jìn)行縮尺研究的一種試驗(yàn)方法，能夠較準(zhǔn)確地反映出地質(zhì)構(gòu)造與工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，模擬巖體、上部結(jié)構(gòu)的破壞全過(guò)程，得到地基的極限承載能力，通過(guò)分析破壞機(jī)理，得出模型的綜合穩(wěn)定安全度，作出工程的安全性評(píng)價(jià)［4－6］。近年來(lái)，本課題組采用超載和強(qiáng)降相結(jié)合的綜合法試驗(yàn)，先后應(yīng)用于錦屏一級(jí)拱壩［7］、溪洛渡拱壩［8］、小灣拱壩［9］、白鶴灘拱壩以及大崗山拱壩［10］等地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，取得了比較滿意的試驗(yàn)成果。

在水工地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中，通常采用表面位移計(jì)、電阻應(yīng)變片和內(nèi)部位移計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器對(duì)壩體下游壩面的應(yīng)變和位移，以及兩岸壩肩抗力體和軟弱結(jié)構(gòu)面的變位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而由于壩體上游壩面布置有傳壓和加壓系統(tǒng)，受空間限制，對(duì)上游壩面的應(yīng)變監(jiān)測(cè)和開(kāi)裂過(guò)程的了解有一定的難度，然而，上游壩面的應(yīng)變分布及變化情況又是判定壩與地基整體穩(wěn)定和壩體初裂荷載及部位的重要依據(jù)，所以，在確保上游壩面?zhèn)鲏杭凹訅合到y(tǒng)穩(wěn)定和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，如何監(jiān)測(cè)拱壩上游壩面的應(yīng)變分布及變化情況是試驗(yàn)中需要解決的問(wèn)題。本文將光纖光柵量測(cè)技術(shù)與水工地質(zhì)力學(xué)模型相結(jié)合，以立洲三維地質(zhì)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用光纖光柵波長(zhǎng)解碼、體積小、易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)、靈敏度高等特點(diǎn)，對(duì)上游壩面進(jìn)行光纖網(wǎng)絡(luò)布置，充分發(fā)揮光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)，為解決上游壩面的應(yīng)變監(jiān)測(cè)問(wèn)題開(kāi)辟新的途徑。

2 光纖光柵工作原理

光纖光柵的工作原理:在外場(chǎng)量作用下，光纖芯區(qū)折射率的擾動(dòng)會(huì)對(duì)一小段光譜產(chǎn)生反射，當(dāng)光波在光柵中傳輸時(shí)，相應(yīng)頻率的入射光被反射回來(lái)，其余頻率的入射光譜則不受影響。一般光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過(guò)調(diào)整芯層，使其折射率n1比包層折射率n2大，從而形成波導(dǎo)。光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光纖布拉格光柵(簡(jiǎn)稱光纖光柵)。光纖光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，其工作原理如圖1所示。

圖1 光纖光柵工作原理圖Fig.1 Working principle of FBG

當(dāng)入射光進(jìn)入光纖時(shí)，光纖光柵會(huì)反射特定波長(zhǎng)的光，該波長(zhǎng)滿足以下的特定條件:

式中:λB是反射光的中心波長(zhǎng)，一般為1 510～1 590 nm(1 nm=10－9m);neff是光纖的有效折射率;Λ是光纖光柵周期(折射率調(diào)制的空間周期)。

對(duì)(1)式兩邊微分得

將式(2)兩端分別除以式(1)得

式中ΔλB是中心波長(zhǎng)的變化量。

當(dāng)光柵周期的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵柵距周期及纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)移動(dòng)的情況，如圖2所示，即可以獲得待測(cè)應(yīng)變的變化情況［11］。

圖2 光纖光柵應(yīng)變傳感機(jī)理Fig.2 Working principle of strain sensing by FBG

3 系統(tǒng)組成及試驗(yàn)方案

3.1 模型材料系統(tǒng)組成

立洲拱壩三維地質(zhì)力學(xué)模型超載法試驗(yàn)綜合考慮了壩址區(qū)河谷的地形特點(diǎn)、壩基及壩肩主要地質(zhì)構(gòu)造特性、拱壩樞紐布置特點(diǎn)及試驗(yàn)任務(wù)要求等多種因素，確定模型幾何比 CL=150，模型尺寸為2.6 m ×2.8 m ×2 m(縱向 × 橫向 × 高度)，相當(dāng)于原型工程390 m×420 m×300 m范圍。本次試驗(yàn)重點(diǎn)模擬壩體及對(duì)壩肩穩(wěn)定起控制作用的主要斷層、層間剪切帶、長(zhǎng)大裂隙以及卸荷裂隙。

原型壩體混凝土為三級(jí)配C9025碾壓混凝土，重度為 γp=24 kN/m3，變形模量 Ep=24 GPa，根據(jù)相似關(guān)系Cγ=1，CE=CL=150，可得模型壩體材料的重度為γm=24 kN/m3，Em=160 MPa。根據(jù)壩體模型材料試驗(yàn)結(jié)果，立洲拱壩及墊座采用重晶石粉為加重料，少量石膏粉為膠結(jié)劑，水為稀釋劑，并摻適量的添加劑，按模型材料的力學(xué)指標(biāo)選定配合比，滿足物理力學(xué)相似要求，最后整體澆制而成。

各類巖體均以重晶石粉為加重料，高標(biāo)號(hào)機(jī)油為膠結(jié)劑，可熔性的高分子材料作為摻合料，根據(jù)該工程涉及的巖類，分別摻入一定量的添加劑等，按不同配合比制成混合料，再用Y32－50型四柱式壓力機(jī)壓制成不同尺寸的塊體。需要針對(duì)各類材料力學(xué)指標(biāo)要求，作好材料試驗(yàn)研究［12］。

壩肩(壩基)中的斷層、層間剪切帶、裂隙等是影響立洲拱壩與地基變形和整體穩(wěn)定的主要控制性因素，其模型材料主要依據(jù)結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強(qiáng)度的相似關(guān)系進(jìn)行選配。通過(guò)大量的材料試驗(yàn)研究，以重晶石粉、機(jī)油及高分子材料為主，按所要求的力學(xué)指標(biāo)配制出相應(yīng)的軟料，再選用不同材料的薄膜配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度的相似模擬［13］。各巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 模型巖體材料主要力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock mass of the model

表2 模型結(jié)構(gòu)面主要力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of structure planes of the model

3.2 模型量測(cè)系統(tǒng)組成

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)屬于非線性破壞試驗(yàn)，它所使用的材料為高重度、低變模及低強(qiáng)度材料，因此模型量測(cè)主要進(jìn)行變形量測(cè)，即包括壩肩及抗力體和壩體下游面典型高程的表面變形量測(cè)。針對(duì)立洲拱壩壩肩、壩基及抗力體的地質(zhì)構(gòu)造特征，左右壩肩內(nèi)存在斷層、長(zhǎng)大裂隙、層間剪切帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，它們是影響壩肩穩(wěn)定的主要控制因素。因此，還應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)這些結(jié)構(gòu)面的相對(duì)變位。此外，在拱壩下游面典型高程的拱冠及拱端布置一些應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行壩體應(yīng)變量測(cè)，以此作為判斷安全度的依據(jù)之一。

綜上所述，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)主要有3大量測(cè)系統(tǒng)，即拱壩與壩肩表面變位δ量測(cè)、結(jié)構(gòu)面內(nèi)部相對(duì)變位Δδ量測(cè)、壩體下游壩面應(yīng)變?chǔ)帕繙y(cè)系統(tǒng)。在本次模型試驗(yàn)中，結(jié)合立洲拱壩的地質(zhì)條件及空間分布關(guān)系，在壩體下游面、兩壩肩及抗力體巖體表面共布置了64個(gè)表面變位測(cè)點(diǎn);在影響拱壩與地基變形和整體穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面上，如斷層f5，f4、裂隙 L1，L2，Lp285，層間剪切帶 fj1－ fj4等，在結(jié)構(gòu)面上布置內(nèi)部相對(duì)變位測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)其沿結(jié)構(gòu)面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，共埋設(shè)了42個(gè)內(nèi)部相對(duì)位移計(jì);在上游壩面沿建基面及壩頂拱圈處布置了3條分布式傳感光纖，沿建基面布置的光纖C1串聯(lián)了9個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器(圖3)，用于監(jiān)測(cè)建基面附近壩體應(yīng)變隨超載倍數(shù)增加的相應(yīng)變化情況，在壩頂拱圈上布置2條分布式傳感光纖C2，C3，其中C2串聯(lián)了3個(gè)光纖光柵傳感器，C3串聯(lián)6個(gè)光纖光柵傳感器(圖4)，用于監(jiān)測(cè)壩頂應(yīng)變隨超載倍數(shù)增加的相應(yīng)變化情況;同時(shí)在下游壩面4個(gè)典型高程2 092，2 050，2 000，1 960 m的拱冠及拱端處，共布置了12個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在水平向、豎向及45°方向各布置一枚電阻應(yīng)變片，共布置了36枚電阻應(yīng)變片(圖5)，用于監(jiān)測(cè)壩體下游壩面應(yīng)變隨超載倍數(shù)增加的相應(yīng)變化情況。立洲拱壩上游壩面光纖光柵布點(diǎn)見(jiàn)圖3、圖4，下游壩面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖3 拱壩上游壩面光纖光柵布點(diǎn)圖Fig.3 Layout of FBG on the upstream surface of arch dam

圖4 拱壩壩頂光纖光柵布點(diǎn)圖Fig.4 Layout of FBG on the crest of arch dam

圖5 拱壩下游壩面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)圖Fig.5 Layout of strain-measuring points on the downstream surface of arch dam

3.3 光纖光柵網(wǎng)絡(luò)布置工藝

以立洲拱壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)超載法破壞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在壩體上游建基面及頂拱圈周邊鋪設(shè)光纖光柵傳感器，通過(guò)光纖光柵傳感器對(duì)拱壩在超載作用下應(yīng)變分布及變化情況進(jìn)行監(jiān)控來(lái)反應(yīng)壩體上游壩面的破壞情況。并與傳統(tǒng)量測(cè)方法得到的結(jié)果相互印證，論證光纖光柵傳感器在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性。

但是，在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中，由于壩體材料特殊性，在粘接過(guò)程中會(huì)對(duì)光柵傳感器造成損害，因此必須采取封裝措施進(jìn)行保護(hù)。光纖光柵傳感器其封裝形式如圖6所示。采用直徑規(guī)格分別為1 mm的細(xì)不銹鋼管對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。光纖光柵與細(xì)不銹鋼管以及細(xì)不銹鋼管之間均采用美國(guó)生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂固定。為了增加粘貼強(qiáng)度，光纖光柵要進(jìn)行除油、敏化等預(yù)處理。同時(shí)，需處理細(xì)不銹鋼管表面以保持其光潔。

圖6 光纖封裝示意圖Fig.6 Sketch of fiber packaging

4 成果分析

本次試驗(yàn)采用超載法進(jìn)行模型破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)的程序是:首先對(duì)模型進(jìn)行預(yù)壓，然后加載至一倍正常荷載，在保證加載系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，按照0.2P0(P0為正常荷載)的步長(zhǎng)加載至4.0 P0，然后以0.3 P0的步長(zhǎng)超載至拱壩與地基出現(xiàn)整體失穩(wěn)的趨勢(shì)為止，并觀察各級(jí)荷載下大壩與壩肩壩基巖體的變形與破壞現(xiàn)象。

4.1 上游壩面監(jiān)測(cè)成果分析

上游壩面采用光纖光柵傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，上游壩面在不同超載倍數(shù)下應(yīng)變分布及變化情況如圖7所示。

圖7 上游壩面光纖光柵典型測(cè)點(diǎn)ε-KP關(guān)系曲線Fig.7 Relation of ε-KPat typical measuring points on the upstream surface of dam

圖8 壩體最終破壞形態(tài)Fig.8 Failure pattern of the dam

根據(jù)光纖光柵監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明，在正常工況下，即Kp=1.0時(shí)，壩體應(yīng)變總體較小，在超載階段壩體應(yīng)變隨超載系數(shù)的增加而逐漸增大，左拱端應(yīng)變大于右拱端;當(dāng) Kp=1.2～2.2時(shí)，壩踵處應(yīng)變曲線有一定的波動(dòng)，出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明此時(shí)拱壩上游壩體表面有應(yīng)力釋放，壩踵處出現(xiàn)初裂;當(dāng)Kp=2.2～3.0時(shí)，左拱端應(yīng)變整體出現(xiàn)一定的波動(dòng)，曲線有轉(zhuǎn)折和拐點(diǎn)的出現(xiàn)，表明左岸壩肩巖體受內(nèi)部結(jié)構(gòu)面影響發(fā)生較大的位移;當(dāng) Kp=3.6～4.3時(shí)，壩體應(yīng)變整體出現(xiàn)較大的波動(dòng)，應(yīng)變的變化幅度顯著增大，其中左拱端應(yīng)變曲線C17出現(xiàn)較大的波動(dòng)，形成較大的拐點(diǎn)，此時(shí)壩體左半拱發(fā)生開(kāi)裂，C17所在位置與壩體裂縫位置相一致;此后，應(yīng)變曲線進(jìn)一步發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)波動(dòng)或轉(zhuǎn)向，表明壩體裂縫不斷發(fā)展，直至壩體發(fā)生應(yīng)力釋放，逐漸失去承載能力。大壩最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖8。

4.2 下游壩面監(jiān)測(cè)成果分析

下游壩面采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下游壩面在不同超載倍數(shù)下應(yīng)變分布及變化情況如圖9所示。

圖9 下游壩面電阻應(yīng)變片典型測(cè)點(diǎn)ε-KP關(guān)系曲線Fig.9 Relation of ε-KPat typical measuring points on the downstream surface of dam

根據(jù)應(yīng)變與超載系數(shù)ε-Kp關(guān)系曲線可以看出:在正常工況下，即Kp=1.0時(shí)，壩體應(yīng)變總體較小;在超載階段，壩體應(yīng)變隨超載系數(shù)的增加而逐漸增大，當(dāng)Kp=1.4～2.2時(shí)，應(yīng)變曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng)，曲線有微小的轉(zhuǎn)折和拐點(diǎn)，表明此時(shí)拱壩上游壩踵附近出現(xiàn)初裂;當(dāng) Kp=3.4～4.3時(shí)，壩體應(yīng)變整體出現(xiàn)較大的波動(dòng)，形成較大的拐點(diǎn)，應(yīng)變的變化幅度顯著增大，此時(shí)壩體左半拱發(fā)生開(kāi)裂;此后，應(yīng)變曲線進(jìn)一步發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)波動(dòng)或轉(zhuǎn)向，表明壩體裂縫不斷擴(kuò)展;當(dāng)Kp=6.3～6.6時(shí)，壩體裂紋貫通至壩頂，壩體發(fā)生應(yīng)力釋放，逐漸失去承載能力。電阻應(yīng)變片監(jiān)測(cè)的不同超載倍數(shù)下大壩上游壩面應(yīng)變分布及變化情況如圖9所示。

4.3 上下游測(cè)點(diǎn)對(duì)比分析

光纖光柵傳感器成功地采集了壩體應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析下游電阻應(yīng)變片測(cè)試成果表明:在正常工況下，即Kp=1.0時(shí)，上下游壩面應(yīng)變總體較小，在超載階段壩體應(yīng)變隨超載系數(shù)的增加而逐漸增大;當(dāng) Kp=1.2～2.2時(shí)，上下游壩面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，上游部分測(cè)點(diǎn)率先出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，說(shuō)明拱壩上游側(cè)壩踵附近發(fā)生初裂，但裂縫尚未貫穿至下游壩面;當(dāng)Kp=3.4～4.3時(shí)，2套監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)，均形成了較大的拐點(diǎn)，尤其是下游壩面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生了明顯的波動(dòng)和轉(zhuǎn)折，表明大壩下游側(cè)出現(xiàn)壓剪破壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察，左半拱下游壩面發(fā)生開(kāi)裂，裂縫起裂與高程2 040 m高程左拱端下游壩面，并向上延伸，綜合分析高程2 040 m高程附近地質(zhì)情況，該部位壩肩巖體發(fā)育有多條相互切割的軟弱結(jié)構(gòu)面，在拱端產(chǎn)生應(yīng)力集中所致;當(dāng)Kp=5.0～6.3時(shí)，上下游監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)陸續(xù)發(fā)生了轉(zhuǎn)折，裂縫逐步發(fā)展，表明大壩出現(xiàn)整體失穩(wěn)的趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)觀察，左半拱裂縫繼續(xù)向上擴(kuò)展，開(kāi)裂至拱頂約1/2左弧長(zhǎng)附近，右半拱在建基面附近出現(xiàn)一條裂縫，裂縫位于f5與壩體交匯的壩址處，并逐漸向上擴(kuò)展;當(dāng)Kp=6.3～6.6時(shí)，壩體裂紋貫通至壩頂，壩體發(fā)生應(yīng)力釋放，逐漸失去承載能力。

5 成果討論

由光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)的上游壩面應(yīng)變與超載系數(shù)的關(guān)系曲線可見(jiàn):壩體上游面的應(yīng)變符合常規(guī)，壩體上游面主要受拉，建基面附近局部受壓;對(duì)比下游面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)曲線，光纖光柵監(jiān)測(cè)的上游面應(yīng)變曲線在波動(dòng)、拐點(diǎn)、轉(zhuǎn)向等超載破壞特征上與電阻應(yīng)變片的監(jiān)測(cè)成果具有相同的變化趨勢(shì)，且與不同超載階段的壩體破壞特征基本吻合。從以上2個(gè)方面表明光纖光柵傳感器對(duì)上游壩面的應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果符合超載過(guò)程中應(yīng)變的變化規(guī)律，證明了光纖光柵傳感器在三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的應(yīng)用是可行的，為光纖光柵傳感器在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)方法。

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