閆娜娜

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司湖南長(zhǎng)沙410000）

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

閆娜娜

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司湖南長(zhǎng)沙410000）

對(duì)大壩安全進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，有利于保障大壩長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，加強(qiáng)大壩安全監(jiān)測(cè)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(lái)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(cè)中。本文主要對(duì)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(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，僅供參考。

光纖傳感技術(shù)；智能大壩；安全監(jiān)測(cè)

1 引言

我國(guó)是世界上建壩最多的國(guó)家，但由于大壩失事會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失，因此對(duì)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是非常必要的。在大壩建設(shè)發(fā)展歷程中，常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差、相對(duì)誤差大、零漂和動(dòng)漂較大等缺點(diǎn)，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其具有靈敏度高、電絕緣性好、抗干擾性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于遙測(cè)與控制、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，目前已在航天、土木、石油化工、水利等工程的安全監(jiān)測(cè)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(zhǎng)度方向連續(xù)的傳感被測(cè)量，在傳輸過(guò)程中，光纖不僅是傳感介質(zhì)，還是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)，能在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿著光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，以此來(lái)獲取被測(cè)量空間的具體分布狀態(tài)和隨時(shí)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(shí)對(duì)被測(cè)量場(chǎng)在空間和時(shí)間上的分布情況進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，并同時(shí)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(cè)中的應(yīng)用

3.1 分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)壩體溫度及滲漏

3.1.1 溫度監(jiān)測(cè)

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(shí)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(diǎn)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(shí)時(shí)顯示光纖沿線所測(cè)信息，由光纖中光波的傳輸速度和入射光與反射光間的時(shí)間差可定位光纖沿線所測(cè)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(cè)得入射光和反射光間的時(shí)間差t，即可得到散射光的發(fā)射點(diǎn)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(qiáng)與溫度無(wú)關(guān)，反斯托克斯光的光強(qiáng)則隨溫度的變化而變化，根據(jù)實(shí)測(cè)的斯托克斯光與反斯托克斯光光強(qiáng)之比可計(jì)算出溫度值為：

式中：T為絕對(duì)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(qiáng)；ls為斯托克斯光光強(qiáng)。

因此，消除光纖隨時(shí)間老化等導(dǎo)致的沿程光損失影響，長(zhǎng)期確保測(cè)溫精度。溫度監(jiān)測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 溫度監(jiān)測(cè)

3.1.2 滲漏監(jiān)測(cè)

由于滲漏會(huì)導(dǎo)致壩內(nèi)局部溫度異常，因此可通過(guò)對(duì)壩內(nèi)溫度的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)滲漏，其原理與測(cè)溫相同。在使用中為使?jié)B漏處監(jiān)測(cè)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(cè)和監(jiān)測(cè)

評(píng)價(jià)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(cè)，由于受到外界因素的影響，對(duì)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(jī)裂縫，其應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效感知到大壩各個(gè)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(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)裂縫、監(jiān)測(cè)裂縫的目的。在施工前，應(yīng)對(duì)混凝土壩壩體的結(jié)構(gòu)及對(duì)工況運(yùn)行造成不利的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，并根據(jù)具體的分析結(jié)果對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行立體化優(yōu)化布設(shè)，形成大壩裂縫智能監(jiān)測(cè)感知體系，從而對(duì)大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。光纖傳感技術(shù)可有效監(jiān)測(cè)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(duì)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(qiáng)度，從而避免裂縫產(chǎn)生。

4 實(shí)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(gè)部分組成，引水隧道全長(zhǎng)7119m，壓力鋼管廠1769m，水電站共安裝了兩臺(tái)120MW的水斗式水力發(fā)電機(jī)組，該工程水庫(kù)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(lái)。

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(jī)理

分布式光纖裂縫傳感屬于本征型強(qiáng)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(kāi)裂的現(xiàn)象，光纖則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)微彎，從而導(dǎo)致后向瑞利散射產(chǎn)生一定損耗，可通過(guò)光時(shí)域反射儀對(duì)后向瑞利散射光進(jìn)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(kāi)關(guān)、已經(jīng)埋設(shè)在混凝土里的傳感光纖、打印機(jī)等。

圖2 心墻基座裂縫監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)信號(hào)和對(duì)光信號(hào)的回饋進(jìn)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(guò)對(duì)心墻混凝土基座進(jìn)行檢測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)每一路光纖和光纜進(jìn)行配盤，并進(jìn)行檢測(cè)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(jìn)行配置；

（3）布置光纖：將成型鋼筋沿著L1、L2、L3、L4光路進(jìn)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(hù)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(jìn)行焊接處理，在倉(cāng)內(nèi)就位后，可將其固定在結(jié)構(gòu)鋼筋下，起到保護(hù)光纖的作用；

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

（6）保護(hù)光纖盤：光纖盤在澆筑倉(cāng)的末端，通過(guò)堵頭模板引出后，安置在保護(hù)鋼箱里；

（7）檢測(cè)光纖存活率：在光纖布置結(jié)束后，通過(guò)通導(dǎo)儀對(duì)光纖的通導(dǎo)情況進(jìn)行檢測(cè)，若光纖倉(cāng)內(nèi)存在斷點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)采用光纖熔接機(jī)進(jìn)行補(bǔ)救；

（8）光纖敷設(shè)：在壩料填筑的過(guò)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(guò)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(jìn)行保護(hù)。在光纖傳感埋設(shè)完成后，應(yīng)及時(shí)讀取初始值，并根據(jù)技術(shù)要求，在施工期內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)和相關(guān)資料的分析。

4.4 光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.4.1 基座鋼筋計(jì)觀測(cè)

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(jì)測(cè)值和光纖觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效對(duì)比。根據(jù)基座鋼筋計(jì)測(cè)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(guò)程中，鋼筋計(jì)應(yīng)力的波動(dòng)較小，各個(gè)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(shuō)明，基座和混凝土是相連接的。

4.4.2 監(jiān)測(cè)廊道測(cè)壓管監(jiān)測(cè)

對(duì)廊道進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，布置了測(cè)壓管UPl、UP2和UP4-UP20，總共19支，約深入建基2m，以此來(lái)對(duì)壩基的揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在2015年11月30日，水庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位的2650.01m，所監(jiān)測(cè)廊道的揚(yáng)壓力在0.00～0.125之間，說(shuō)明揚(yáng)壓力較小，則防滲墻的效果較好，基座還未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

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

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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(cè)工作。