閆娜娜

（中國水利水電第八工程局有限公司湖南長沙410000）

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

閆娜娜

（中國水利水電第八工程局有限公司湖南長沙410000）

對大壩安全進行有效監(jiān)測，有利于保障大壩長期運行的穩(wěn)定性，因此，加強大壩安全監(jiān)測技術(shù)的研究具有重要意義。分布式光纖傳感技術(shù)是近年來隨著電子、通信、光電技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等諸多方面的迅猛發(fā)展而逐步形成的綜合應(yīng)用技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在智能大壩安全監(jiān)測中。本文主要對分布式光纖傳感技術(shù)的原理及其在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用進行分析，僅供參考。

光纖傳感技術(shù)；智能大壩；安全監(jiān)測

1 引言

我國是世界上建壩最多的國家，但由于大壩失事會給人民生命財產(chǎn)帶來重大損失，因此對大壩進行安全監(jiān)測是非常必要的。在大壩建設(shè)發(fā)展歷程中，常規(guī)監(jiān)測技術(shù)存在抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差、相對誤差大、零漂和動漂較大等缺點，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)應(yīng)運而生，其具有靈敏度高、電絕緣性好、抗干擾性強、數(shù)據(jù)精度高、結(jié)構(gòu)簡單、便于遙測與控制、自動化監(jiān)測等優(yōu)點，目前已在航天、土木、石油化工、水利等工程的安全監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

2 分布式光纖傳感技術(shù)原理

分布式光纖傳感技術(shù)主要是利用光波在光纖傳輸中所具有的特性，沿著光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量，在傳輸過程中，光纖不僅是傳感介質(zhì)，還是被測量的傳輸介質(zhì)，能在整個光纖長度上對沿著光纖分布的環(huán)境參數(shù)進行持續(xù)測量，以此來獲取被測量空間的具體分布狀態(tài)和隨時間發(fā)生變化的相關(guān)信息。分布式光纖傳感器可在沿光纖的路徑上同時對被測量場在空間和時間上的分布情況進行持續(xù)測量，并同時獲取其分布信息。

3 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

3.1 分布式光纖傳感監(jiān)測壩體溫度及滲漏

3.1.1 溫度監(jiān)測

利用光在光纖中傳輸能產(chǎn)生拉曼散射的原理，即向光纖中注入脈沖光，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些光波的狀態(tài)受所在光纖沿線散射點溫度的影響而改變，將散射回的光經(jīng)系統(tǒng)處理后，便可實時顯示光纖沿線所測信息，由光纖中光波的傳輸速度和入射光與反射光間的時間差可定位光纖沿線所測信息。脈沖光在光纖中的傳播速度略低于其在真空中的傳播速度，測得入射光和反射光間的時間差t，即可得到散射光的發(fā)射點距入射端的距離X為：

其中c=c0/n

式中：c為光纖中的光速；c0為真空中的光速；n為光纖的折射率。

反射回入射端的光中包含一種拉曼散射光，含有反斯托克斯光和斯托克斯光這兩種成份。其中斯托克斯光的光強與溫度無關(guān)，反斯托克斯光的光強則隨溫度的變化而變化，根據(jù)實測的斯托克斯光與反斯托克斯光光強之比可計算出溫度值為：

式中：T為絕對溫度值；h為普郎克系數(shù)；υ為拉曼頻移量；k為鮑爾次曼常數(shù)；α為溫度相關(guān)系數(shù)；las為反斯托克斯光光強；ls為斯托克斯光光強。

因此，消除光纖隨時間老化等導(dǎo)致的沿程光損失影響，長期確保測溫精度。溫度監(jiān)測原理見圖1。

圖1 溫度監(jiān)測

3.1.2 滲漏監(jiān)測

由于滲漏會導(dǎo)致壩內(nèi)局部溫度異常，因此可通過對壩內(nèi)溫度的測量來監(jiān)測滲漏，其原理與測溫相同。在使用中為使?jié)B漏處監(jiān)測更明顯，也可在光纜中加設(shè)加熱裝置使溫度分布差異凸顯，易于觀察判斷。

3.2 分布式光纖傳感技術(shù)裂縫預(yù)測和監(jiān)測

評價大壩是否健康的主要指標(biāo)是大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變和裂縫監(jiān)測，由于受到外界因素的影響，對判斷壩體裂縫產(chǎn)生的具體位置造成一定難度，分布式光纖列裂縫傳感器能夠迅速捕捉隨機裂縫，其應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)可有效感知到大壩各個部位的應(yīng)力變化情況，將這兩種系統(tǒng)結(jié)合使用，能夠在裂縫產(chǎn)生前，實現(xiàn)預(yù)報裂縫、監(jiān)測裂縫的目的。在施工前，應(yīng)對混凝土壩壩體的結(jié)構(gòu)及對工況運行造成不利的應(yīng)力變化情況進行分析，并根據(jù)具體的分析結(jié)果對光纖網(wǎng)絡(luò)進行立體化優(yōu)化布設(shè)，形成大壩裂縫智能監(jiān)測感知體系，從而對大壩進行實時在線監(jiān)測。光纖傳感技術(shù)可有效監(jiān)測壩體內(nèi)部的拉應(yīng)力情況，全面掌握大壩的應(yīng)力狀況，對壩體的荷載分布起到指導(dǎo)作用，使得拉應(yīng)力低于混凝土的抗拉強度，從而避免裂縫產(chǎn)生。

4 實例分析

4.1 工程概況

某水電站工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)和地下廠房這三個部分組成，引水隧道全長7119m，壓力鋼管廠1769m，水電站共安裝了兩臺120MW的水斗式水力發(fā)電機組，該工程水庫的總?cè)萘繛?.8億m3。該大壩的壩體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件較為復(fù)雜，大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂?shù)母叱虨?655m，最大壩的高度為125m，壩軸線為411m，壩體主要采用瀝青混凝土心墻防滲，心墻的頂寬為0.6m，逐漸向下加厚，最大的底部寬度為1.2m，壩基主要采用混凝土防滲墻，混凝土基座將心墻和防滲墻連接起來。

4.2 分布式光纖裂縫傳感系統(tǒng)

4.2.1 分布式光纖裂縫傳感系統(tǒng)機理

分布式光纖裂縫傳感屬于本征型強度調(diào)制式光纖傳感。將光纖傳感埋設(shè)在混凝土，并和預(yù)期裂縫呈斜交，若混凝土出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，光纖則會產(chǎn)生兩個微彎，從而導(dǎo)致后向瑞利散射產(chǎn)生一定損耗，可通過光時域反射儀對后向瑞利散射光進行接收、分析，從而獲得光波導(dǎo)的衰減波形，根據(jù)力和光之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，能夠準(zhǔn)確確定裂縫的寬度和具體位置。

4.2.2 分布式光纖裂縫傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖裂縫傳感系統(tǒng)主要包括終端盒、傳輸光纜、光開關(guān)、已經(jīng)埋設(shè)在混凝土里的傳感光纖、打印機等。

圖2 心墻基座裂縫監(jiān)測傳感光纖布置圖（單位：cm）

4.2.3 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的布置

埋設(shè)在心墻基座的裂縫傳感光纖是該大壩心墻混凝土基座分布式光纖裂縫傳感監(jiān)測系統(tǒng)所使用的光纖網(wǎng)絡(luò)，光纖的主要作用在于發(fā)送探測信號和對光信號的回饋進行調(diào)制，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)布置的形式主要是折線形水平和垂直布置，通過對心墻混凝土基座進行檢測發(fā)現(xiàn)存在順河向裂縫的可能。在壩“0+129.00+340.0m”段心墻基座沿著高程可布置兩層4條傳感光路，每一條光路由3種傳感光纖組成，4條分布式連續(xù)傳感光路則形成了檢測空間。

4.3 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的埋設(shè)施工

光纖光纜的埋設(shè)工藝和技術(shù)措施：

（1）光纖和光纜配盤：在實驗室內(nèi)對每一路光纖和光纜進行配盤，并進行檢測和成型；

（2）傳感光纖的配置：傳感光纖的數(shù)量按照1/32/3進行配置；

（3）布置光纖：將成型鋼筋沿著L1、L2、L3、L4光路進行布置，并在成型鋼筋的下方設(shè)置傳感光纖束布；

（4）制作及布置成型保護鋼筋：根據(jù)傳感光路的波浪形狀可采用2×φ10.0鋼筋冷彎預(yù)制成型，并進行焊接處理，在倉內(nèi)就位后，可將其固定在結(jié)構(gòu)鋼筋下，起到保護光纖的作用；

（5）混凝土的入倉及振搗：為了避免布置成型的光纖發(fā)生損壞，進行混凝土澆筑時，可采用溜槽入倉的形式，避免對光纖造成沖擊；在進行混凝土振搗時，將振搗器遠(yuǎn)離已裝光纖約0.2m；

（6）保護光纖盤：光纖盤在澆筑倉的末端，通過堵頭模板引出后，安置在保護鋼箱里；

（7）檢測光纖存活率：在光纖布置結(jié)束后，通過通導(dǎo)儀對光纖的通導(dǎo)情況進行檢測，若光纖倉內(nèi)存在斷點，應(yīng)及時采用光纖熔接機進行補救；

（8）光纖敷設(shè)：在壩料填筑的過程中，應(yīng)保持光纜曲率的半徑≥0.6m，從而人保證光纜盤的穩(wěn)定性和安全性；

（9）在光纖埋設(shè)過程中，應(yīng)做好相關(guān)的埋設(shè)記錄，并在埋入混凝土后采取相關(guān)措施進行保護。在光纖傳感埋設(shè)完成后，應(yīng)及時讀取初始值，并根據(jù)技術(shù)要求，在施工期內(nèi)進行觀測和相關(guān)資料的分析。

4.4 光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

4.4.1 基座鋼筋計觀測

在基座埋設(shè)鋼筋中，可采用0+153.00、壩0+220.50兩斷面的壩軸，將鋼筋計測值和光纖觀測結(jié)果進行有效對比。根據(jù)基座鋼筋計測數(shù)據(jù)顯示，壩0+153.00m和壩0+220.50m兩斷面鋼筋的應(yīng)力隨著溫度的變化而發(fā)生變化，若溫度升高，則應(yīng)力減小，呈現(xiàn)出受壓狀態(tài)，反之，呈現(xiàn)出受拉狀態(tài)。在蓄放水循環(huán)的過程中，鋼筋計應(yīng)力的波動較小，各個部位鋼筋的應(yīng)力變化情況也都符合結(jié)構(gòu)受力的變化規(guī)律。這種情況則說明，基座和混凝土是相連接的。

4.4.2 監(jiān)測廊道測壓管監(jiān)測

對廊道進行全程監(jiān)測，布置了測壓管UPl、UP2和UP4-UP20，總共19支，約深入建基2m，以此來對壩基的揚壓力進行監(jiān)測。在2015年11月30日，水庫水位達(dá)到正常蓄水位的2650.01m，所監(jiān)測廊道的揚壓力在0.00～0.125之間，說明揚壓力較小，則防滲墻的效果較好，基座還未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

綜上所述，分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用具有重要作用，因此，應(yīng)加大對智能大壩健康監(jiān)測智能傳感系統(tǒng)進行深入研究的力度，從而實現(xiàn)對大壩的應(yīng)力、變形、位移、滲透、溫度等被測量進行智能傳感監(jiān)測，并將各個物理量具體的變化規(guī)律實時反饋出來，對大壩施工的全過程及全生命周期進行有效控制，從而保障大壩的安全、穩(wěn)定運行。

[1]歐陽步云.分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（6）：6～7.

[2]竇超.光纖傳感技術(shù)在水利安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].唐山學(xué)院學(xué)報，2015，28（3）：26～28.

[3]周庶，趙曉曦，李雷.分布式光纖傳感器在重力壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2008，16（5）：44～46.

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1004-7344（2016）28-0179-02

2016-9-17

閆娜娜（1983-），女，工程師，本科，主要從事大壩監(jiān)測工作。