歐陽步云

摘 要：智能大壩的建設(shè)必定離不開智能化的監(jiān)測手段，文章從分布式光纖傳感技術(shù)的基本原理出發(fā)，分別對分布式光纖傳感技術(shù)在大壩裂縫預(yù)測和監(jiān)測，以及混凝土結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析，并嘗試對智能大壩分布式光纖智能傳感系統(tǒng)的構(gòu)建進行分析，從而對大壩應(yīng)力、變形、位移、溫度、滲流等監(jiān)測量進行智能傳感監(jiān)測，實時反饋各個物理量的變化規(guī)律，對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制，保證大壩長期安全穩(wěn)定。文章旨在為水利工程相關(guān)技術(shù)人員掌握分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感技術(shù)；智能大壩；安全監(jiān)測

引言

大型水電站壩址地質(zhì)條件復(fù)雜，多處于高震區(qū)和高地應(yīng)力區(qū)，一旦失事，將會給下游人民的生命和財產(chǎn)帶來重大損失，因此，對大壩進行安全監(jiān)測非常必要。為了保障大壩建設(shè)以及全生命周期運行過程中的長久安全，100多年以來，人們一直在探索建設(shè)更好大壩的相關(guān)理念和技術(shù)，大壩的施工與運行管理模式經(jīng)歷了簡易工具時代，大型機械化時代，直到今天的自動化、數(shù)字化、智能化時代。所謂智能大壩（Idam），是基于物聯(lián)網(wǎng)、自動測控和云計算技術(shù)，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)全生命周期的信息實時、在線、個性化管理與分析，并實施對大壩性能進行控制的綜合系統(tǒng)；其基本特征是施工、監(jiān)測數(shù)據(jù)智能采集進入數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真分析一體化、施工管理和運行控制實時智能化，減少在大壩結(jié)構(gòu)建設(shè)運行過程中的人為干預(yù)。

智能大壩的基本構(gòu)成包含實時傳感感知、實時驅(qū)動分析、預(yù)警預(yù)報控制三個關(guān)鍵要素，而其中智能大壩傳感感知系統(tǒng)的構(gòu)建是智能大壩的基本要素，只有在其基礎(chǔ)上才能進行大壩的實時驅(qū)動分析和預(yù)警預(yù)報控。智能大壩實時傳感感知的實現(xiàn)必定離不開智能化的監(jiān)測手段，分布式光纖傳感技術(shù)以連續(xù)立體式監(jiān)測、定位精確、測量精度高、實時性和抗干擾性高等多重優(yōu)點，近年來已成為水利工程安全監(jiān)測的研究熱點。文章將從分布式光纖傳感技術(shù)的基本原理出發(fā)，分別對分布式光纖傳感技術(shù)在大壩裂縫預(yù)測和監(jiān)測，以及混凝土結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析，并嘗試對智能大壩分布式光纖智能傳感系統(tǒng)的構(gòu)建進行分析，為水利工程相關(guān)技術(shù)人員掌握分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用提供參考。

1 分布式光纖傳感技術(shù)原理

分布式光纖傳感技術(shù)（Distributed optical fiber sensing technology）是利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）；傳輸過程中，光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測量的傳輸介質(zhì)，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進行連續(xù)測量，同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。分布式光纖傳感器（Distributed fiber sensor）不僅具有無輻射干擾、抗電磁干擾性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而且可以在沿光纖的路徑上同時得到被測量場在時間和空間上的連續(xù)分布信息。由于分布式光纖傳感器具有其它傳感技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，因此，成為光纖傳感技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點之一。激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中含有各種雜質(zhì)，導(dǎo)致激光和光纖分子出現(xiàn)相互作用，從而產(chǎn)生瑞利、拉曼和布里淵這三種散射光，依據(jù)所監(jiān)測信號的不同，目前對分布式光纖傳感技術(shù)的研究主要集中在基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纖傳感技術(shù)、基于拉曼（Raman）散射的分布式光纖傳感技術(shù)、基于布里淵（Brillouin）散射的分布式光纖傳感技術(shù)三個方面。

2 分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用

大壩在建設(shè)與運行期間一般需要進行應(yīng)力、變形、位移、溫度、加速度、滲流、開合度等方面的監(jiān)測，反饋各種物理量變化規(guī)律，從而對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制、保證大壩長期安全穩(wěn)定。傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器一般使用電類傳感器，此類傳感器對工作的環(huán)境要求嚴(yán)，抗干擾能力差，安裝復(fù)雜干擾施工，尤其是傳統(tǒng)的監(jiān)測一般都是分散的點數(shù)據(jù)，而且也很少能做到實時監(jiān)控，所以往往會漏測了很多重要的數(shù)據(jù)信息。鑒于此，人們不斷尋求新技術(shù)來解決這些問題，分布式光纖傳感技術(shù)恰恰解決了這一問題。

2.1 分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩裂縫預(yù)測和監(jiān)測中的應(yīng)用

大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測和裂縫監(jiān)測是評價大壩健康狀況的主要指標(biāo)，由于各種因素的影響，導(dǎo)致壩體裂縫產(chǎn)生的具體位置難以判斷。傳統(tǒng)的點式電測儀器很可能漏檢，而分布式光纖裂縫傳感器能捕捉隨機裂縫，分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)能感知大壩各部位應(yīng)力應(yīng)變，將這兩種系統(tǒng)聯(lián)合使用，則能達到在裂縫產(chǎn)生前預(yù)報裂縫、在裂縫產(chǎn)生后監(jiān)測裂縫的雙重效果。施工前分析混凝土壩壩體結(jié)構(gòu)以及在不利工況下運行的應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)分析結(jié)果對光纖網(wǎng)絡(luò)進行立體優(yōu)化布設(shè)，建立大壩裂縫智能監(jiān)測感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對大壩的實時、在線、立體監(jiān)測。采用光纖傳感技術(shù)可以對壩體內(nèi)部的拉應(yīng)力進行適時監(jiān)測，掌握大壩的應(yīng)力狀況，指導(dǎo)壩體荷載分布，盡量避免不利工況，使得拉應(yīng)力低于混凝土的抗拉強度，防止裂縫的產(chǎn)生。

2.2 基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)在大壩混凝土結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測中的應(yīng)用

在對基于瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射的三類分布式光纖傳感技術(shù)進行比選論證后發(fā)現(xiàn)，拉曼散射光對溫度最為敏感，基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)適用于溫度單一參數(shù)監(jiān)測，它具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性、溫度自補償、遠程分布式測量等優(yōu)點，能對光纖測量的溫度場進行分布式的連續(xù)監(jiān)測，是實現(xiàn)實時測量空間分布溫度的一種新技術(shù)。目前，基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并實現(xiàn)了產(chǎn)品化，先后成功運用到了三峽、百色、小灣、溪洛渡等工程的大壩混凝土結(jié)構(gòu)溫度場的監(jiān)測中。國內(nèi)外相關(guān)的研究和實踐表明，基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)能快捷、準(zhǔn)確地監(jiān)測大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的變化，為有效地評價大壩安全提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。圖1為采用分布式光纖（DTS）測溫系統(tǒng)對混凝土真實溫度場進行監(jiān)測的流程。

3 智能大壩分布式光纖智能傳感系統(tǒng)的構(gòu)建

智能傳感器系統(tǒng)的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結(jié)合長期以來測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。智能大壩傳感感知系統(tǒng)的構(gòu)建需要解決智能傳感監(jiān)測模型、智能監(jiān)測類型、大壩內(nèi)部智能傳感器布置設(shè)計原理，大壩人工智能集成技術(shù)等一系列的復(fù)雜問題；同時，在大壩現(xiàn)場還包括智能傳感器系統(tǒng)的故障通信技術(shù)、診斷與程序技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。智能傳感器的優(yōu)勢，是能從過程中收集大量的信息以減少宕機時間及提高質(zhì)量。智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，可以用來對大壩應(yīng)力、變形、位移、溫度、加速度、滲流、開合度等監(jiān)測量進行智能傳感監(jiān)測，實時反饋各個物理量的變化規(guī)律，從而對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制、保證大壩長期安全穩(wěn)定。

文章在融合分布式光纖應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和分布式光纖裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式光纖傳感技術(shù)在壩體溫度、滲漏和位移監(jiān)測中的應(yīng)用，建立分布式光纖大壩健康監(jiān)測智能傳感系統(tǒng)，在大壩施工期及運行期對壩體各部位進行實時監(jiān)測，避免大壩的施工、運行期的全過程中不利工況的出現(xiàn)。分布式光纖大壩健康監(jiān)測智能傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)束語

文章在總結(jié)分析分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩裂縫預(yù)測和監(jiān)測，以及混凝土結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了智能大壩健康監(jiān)測智能傳感系統(tǒng)的構(gòu)建思路，從而對大壩應(yīng)力、變形、位移、溫度、滲流等監(jiān)測量進行智能傳感監(jiān)測，實時反饋各個物理量的變化規(guī)律，對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制，保證大壩長期安全穩(wěn)定。

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