游 艇，劉 韜，孫 強(qiáng)

（1.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110006；2.遼寧省大伙房水庫(kù)輸水建設(shè)局調(diào)度信息處，遼寧沈陽(yáng) 110006）

0 引言

某在建長(zhǎng)距離有壓引水隧洞工程，壓力約0.7 MPa，沿途穿越地形地質(zhì)條件復(fù)雜，有溝谷、河流、斷層等。根據(jù)規(guī)范要求和工程需要，在某些較大斷層、溝谷淺埋段、外水壓力較大洞段等可能影響工程安全的部位，布置監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，但由于振弦式等傳統(tǒng)儀器監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸距離較短，無(wú)法滿足某些監(jiān)測(cè)斷面信號(hào)傳輸要求，而光纖光柵傳感器具有：1）光纖損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)；2）天然抗電磁干擾能力強(qiáng)；3）良好的抗老化耐腐蝕性能；4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；5）可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2～4]。目前已廣泛應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、交通工程、石油化工、采礦工程等領(lǐng)域[5]。根據(jù)光纖光柵傳感器以上特點(diǎn)，工程選擇光纖光柵傳感器作為安全監(jiān)測(cè)儀器。

1 傳感器原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵為光纖光柵式傳感器的敏感部件。光纖光柵是通過(guò)紫外線照射光纖中的一小段光纖，導(dǎo)致纖芯折射率發(fā)生變化而制成的一種光纖無(wú)源器件[6]，光柵可以反射特定波長(zhǎng)的光波，或者濾除特定波長(zhǎng)的透射光[2]。光纖光柵分為短周期光柵（FBG）和長(zhǎng)周期光柵（LPG）[5]，工程傳感器光柵類型為短周期光柵（FBG），也稱為布拉格（Bragg）光柵。

根據(jù)模耦合理論，光柵反射波長(zhǎng)滿足的Bragg方程見(jiàn)公式（1）[2]：

式中：λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng)，nm；Λ為光柵周期或柵距，nm；neff為纖芯的有效折射率。

當(dāng)環(huán)境溫度或光纖光柵所受應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，Λ和neff均產(chǎn)生變化，反射波長(zhǎng)λB就會(huì)產(chǎn)生漂移，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)變化，可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變等外界物理量變化[7]。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

光纖光柵傳感器在無(wú)壓引水隧洞安全監(jiān)測(cè)中有少量應(yīng)用，如大伙房水庫(kù)應(yīng)急入連工程輸水隧洞的安全監(jiān)測(cè)[8]、牛攔江引水工程隧洞的安全監(jiān)測(cè)。筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在有壓引水隧洞安全監(jiān)測(cè)中，目前還沒(méi)有工程應(yīng)用光纖光柵傳感器。

2 信號(hào)傳輸距離選擇

光纖光柵傳感器雖然具有信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，有文獻(xiàn)介紹傳輸距離可達(dá)35 km[8]，但綜合考慮斷層分布、傳感器之間串并聯(lián)光損、傳感器與主干傳輸光纜連接光損、工程實(shí)用性、可檢修性等要求，工程實(shí)際設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面距離采集站最遠(yuǎn)約4.1 km。工程中HJ1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集站各斷面信號(hào)傳輸距離。

3 隧洞監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置及傳感器布置

結(jié)合光纖光柵傳感器信號(hào)傳輸距離選擇及地質(zhì)條件，引水隧洞共設(shè)置25個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中檢修豎井前設(shè)置16個(gè)斷面，重點(diǎn)對(duì)隧洞進(jìn)口巖塞爆破影響深度、進(jìn)口集渣坑、集渣坑與檢修豎井連接段等部位進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)；檢修豎井后設(shè)置9個(gè)斷面，對(duì)Ⅳ、Ⅴ類圍巖破碎帶處、可能對(duì)圍巖穩(wěn)定造成影響的斷層處及地下水位較高洞段進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。工程襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和外水壓力監(jiān)測(cè)傳感器典型布置圖，見(jiàn)圖1，2。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)典型布置圖（單位：mm）

圖2 外水壓力監(jiān)測(cè)典型布置圖（單位：mm）

4 傳感器串并聯(lián)應(yīng)用及光纜根數(shù)選擇

4.1 串聯(lián)和并聯(lián)應(yīng)用

光纖光柵傳感器具有可以串聯(lián)或并聯(lián)的特點(diǎn)，通過(guò)尾纖的串聯(lián)或并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)傳感器的串聯(lián)或并聯(lián)。具有兩端尾纖的傳感器，如鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)計(jì)、測(cè)縫計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等通過(guò)尾纖連接進(jìn)行串聯(lián)；具有一端尾纖的傳感器，如滲壓計(jì)通過(guò)耦合器進(jìn)行并聯(lián)。串聯(lián)或并聯(lián)后的傳感器，兩端尾纖均可與主干傳輸光纜對(duì)應(yīng)編號(hào)的光纖熔接接入采集設(shè)備，既可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)的冗余采集，又可滿足工程監(jiān)測(cè)需要，減少主干光纜光纖芯數(shù)和光纖光柵解調(diào)儀采集通道數(shù)。

工程根據(jù)光纖光柵傳感器串并聯(lián)特點(diǎn)，結(jié)合傳感器波長(zhǎng)分配，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的傳感器進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)設(shè)計(jì)，傳感器串聯(lián)個(gè)數(shù)控制在3～7支之間，傳感器并聯(lián)個(gè)數(shù)控制在3～6支之間。某監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞯拇?lián)和并聯(lián)，見(jiàn)圖3。

圖3 某監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞔⒙?lián)連接示意圖

4.2 監(jiān)測(cè)斷面主干傳輸光纜根數(shù)選擇

工程一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鹘?jīng)過(guò)串或并聯(lián)，尾纖數(shù)不小于6，可單獨(dú)敷設(shè)1根主干傳輸光纜；若一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鹘?jīng)過(guò)串或并聯(lián)，尾纖數(shù)不大于4，可考慮2～3個(gè)斷面?zhèn)鞲衅鬟B接到一根主干傳輸光纜上。

5 斷面接頭保護(hù)盒及主干傳輸光纜定制

5.1 斷面接頭保護(hù)盒

斷面接頭保護(hù)盒主要起保護(hù)傳感器尾纖串并聯(lián)接頭及其和主干傳輸光纜接頭的作用。

由于現(xiàn)有的室外光纜接頭盒不滿足使用要求，工程斷面接頭保護(hù)

盒結(jié)合工程應(yīng)用環(huán)境定制，結(jié)構(gòu)、耐水壓性能檢驗(yàn)方法分別參照YD/T814.3-2005《光纜接頭盒第三部分：淺海光纜接頭盒》第5.4節(jié)及附錄B執(zhí)行，其余性能指標(biāo)參照YD/T814.1-2013《光纜接頭盒第1部分：室外光纜接頭盒》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

斷面接頭保護(hù)盒的尺寸需滿足保護(hù)耦合器和斷面尾纖匯接的空間要求，光纜安放裝置有順序地存放光纖接頭和足夠長(zhǎng)的余留光纖。

5.2 主干傳輸光纜

工程所用主干傳輸光纜結(jié)合有壓隧洞應(yīng)用環(huán)境定制。

光纜主要技術(shù)指標(biāo)：

1）應(yīng)用環(huán)境：長(zhǎng)期位于0.7 MPa壓力隧洞光纜溝槽回填混凝土中；

2）光纖類型：G.652D光纖；

3）允許拉力（N/10 cm）：短期不小于 10 000，長(zhǎng)期不小于5 000；

4）張力最小彎曲半徑（m）：不小于 0.7 m，無(wú)張力最小彎曲半徑（m）：不小于0.55 m；

5）允許光纖附加衰減：小于0.1dB；

6）光纜壽命：不小于25年。

光纜的耐水壓性能檢驗(yàn)方法參照GB/T18480-2001《海底光纜規(guī)范》附錄C執(zhí)行，其它性能指標(biāo)參照GB/T 7424.3-2003《光纜 第3部分：分規(guī)范室外光纜》和GB/T 13993.2-2014《通信光纜第2部分：核心網(wǎng)用室外光纜》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

6 結(jié)論

1）通過(guò)采用光纖光柵傳感器，解決了有壓隧洞長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)斷面信號(hào)傳輸問(wèn)題，目前安裝的225支光纖光柵式傳感器運(yùn)行良好，測(cè)值穩(wěn)定，表明光纖光柵傳感器在有壓隧洞安全監(jiān)測(cè)中的穩(wěn)定性和實(shí)用性，可為長(zhǎng)距離有壓引水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)提供參考。

2）工程每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅骶M(jìn)行了串并聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)的冗余采集，減少主干光纜光纖芯數(shù)和光纖光柵解調(diào)儀采集通道數(shù)。

3）結(jié)合有壓隧洞應(yīng)用環(huán)境，對(duì)斷面接頭保護(hù)盒、主干傳輸光纜提出定制要求，目前已安裝的定制斷面接頭保護(hù)盒及主干傳輸光纜運(yùn)行良好。

［1］SL 725-2016，水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心.巖土工程安全監(jiān)測(cè)手冊(cè)（第三版）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

［3］張俊.光纖光柵傳感器在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.交通科技，2016，279（6）：12-14.

［4］潘恒飛，楊慶，周克明.FBG應(yīng)變計(jì)在引水隧道二次襯砌安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與研究［J］.大壩與安全，2016（02）：11-13,18.

［5］徐國(guó)權(quán)，熊代余.光纖光柵傳感技術(shù)在工程中的應(yīng)用［J］.中國(guó)光學(xué),2016（03）：306-317.

［6］周克明，楊建喜，錢亞俊.光纖光柵儀器在引水工程中的應(yīng)用［J］.水利信息化,2015（04）：44-47.

［7］李飛，朱鴻鵠，張誠(chéng)成.地基變形光纖光柵監(jiān)測(cè)可行性的試驗(yàn)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版).2017（01）：204-210.

［8］張玉宏，李雙麟，紀(jì)林.光纖光柵技術(shù)在輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利建設(shè)與管理，2012（增刊）：23-24.