包騰飛，趙津磊，李澗鳴

?

基于POF-OTDR的混凝土壩裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力分析

包騰飛1, 2, 3，趙津磊4，李澗鳴1, 2, 3

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，南京 210098；3. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；4. 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，揚(yáng)州 225127)

塑料光纖由于彌補(bǔ)了石英光纖容易斷裂的缺點(diǎn)，且具有大直徑、低成本、高可塑性、良好韌性等優(yōu)良特性，在結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有良好的前景．將塑料光纖應(yīng)用于以混凝土壩為代表的大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)時(shí)，不僅要求其能夠感知單條裂縫的產(chǎn)生，更需要其具有對(duì)結(jié)構(gòu)多處開(kāi)裂的感知和持續(xù)監(jiān)測(cè)能力．為了研究塑料光纖對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)多條裂縫的監(jiān)測(cè)能力，設(shè)計(jì)了一套模擬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同角度裂縫的試驗(yàn)裝置，采用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行了力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)，并利用試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)了單支塑料光纖對(duì)裂縫監(jiān)測(cè)的復(fù)用能力．試驗(yàn)結(jié)果顯示，塑料光纖對(duì)裂縫開(kāi)展的感知敏感性隨塑料光纖與裂縫的夾角和裂縫開(kāi)度的增大而降低．理論分析表明，塑料光纖的復(fù)用能力和敏感性之間存在相互制約關(guān)系，即塑料光纖與裂縫夾角較大時(shí)，敏感性較大，而復(fù)用能力較小，反之亦然．基于以上分析，以某混凝土壩為例結(jié)合兩種不同敏感程度的布設(shè)方式計(jì)算了各壩段開(kāi)裂情況對(duì)光時(shí)域反射動(dòng)態(tài)范圍的消耗量，驗(yàn)證了以上結(jié)論，并對(duì)塑料光纖在混凝土壩中的實(shí)際裂縫監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行了探討和評(píng)估．分析表明，塑料光纖雖具有較好的裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力，為避免出現(xiàn)裂縫漏檢的情況，實(shí)際應(yīng)用中建議首尾兩端探測(cè)和分壩段布設(shè)多條塑料光纖．

塑料光纖；光時(shí)域反射；裂縫監(jiān)測(cè)；復(fù)用能力

結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估具有重要意義．然而，由于裂縫具有隨機(jī)和不確定的特性，現(xiàn)有技術(shù)難以對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)．光纖具有分布實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的潛力，近來(lái)在結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)方面受到越來(lái)越多關(guān)注，以往研究對(duì)象多為石英光纖[1-2]．塑料光纖(plastic optical fiber，POF)由于克服了石英光纖易斷裂的不足，且具有大直徑、良好韌性、高可塑性、低成本等優(yōu)良特性，在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景[3-6]．

由于混凝土壩工程裂縫分布范圍廣而且往往數(shù)量較多，將POF通過(guò)一定方式埋設(shè)于混凝土壩內(nèi)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多條裂縫穿過(guò)同一條POF的情況，此時(shí)POF需具備感知和分辨多處開(kāi)裂的能力．表征POF對(duì)多條裂縫的感知能力的參量主要是復(fù)用能力．其大小關(guān)系到壩體可探測(cè)裂縫的條數(shù)、寬度和分布范圍，對(duì)POF分布式裂縫監(jiān)測(cè)能力和工程應(yīng)用潛力的發(fā)揮具有重要意義．吳永紅等[7-9]推導(dǎo)了單模石英光纖微彎損耗方程，對(duì)監(jiān)測(cè)復(fù)用能力進(jìn)行了定量分析，并通過(guò)模型試驗(yàn)研究了大壩裂縫開(kāi)展隨機(jī)性以及涂覆層對(duì)光纖監(jiān)測(cè)能力的影響，結(jié)合三峽工程泄洪壩段的工程實(shí)例分析了光纖裂縫復(fù)用能力的工程適用性．錢(qián)飛等[10]通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)分析了裂縫開(kāi)度、夾角和間距對(duì)光纖微彎裂縫傳感器復(fù)用性能的影響，并提出了復(fù)用能力優(yōu)化公式和修正方法．Liu等[11]結(jié)合OTDR和TDM技術(shù)提出了一種新型光纖布拉格光柵復(fù)用方法，并從理論上分析了監(jiān)測(cè)復(fù)用能力，探討了新型光纖傳感器在航空航天健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用．以上研究均為石英光纖，鮮見(jiàn)有塑料光纖對(duì)裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道．

本文采用光時(shí)域反射技術(shù)(optical time domain reflect，OTDR)通過(guò)試驗(yàn)研究單支POF對(duì)裂縫監(jiān)測(cè)的復(fù)用能力，并以此為基礎(chǔ)對(duì)POF在某混凝土壩裂縫監(jiān)測(cè)能力的適用性進(jìn)行探討．

1?POF-OTDR裂縫監(jiān)測(cè)及復(fù)用能力

1.1 ?POF中的瑞利散射

POF內(nèi)部光散射分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，光頻譜如圖1所示．其中，瑞利散射是由于POF材料內(nèi)部微觀折射率不同而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象．可以看出，瑞利散射強(qiáng)度相對(duì)較高，可以作為光學(xué)特征指標(biāo)分析光纖的狀態(tài)．

圖1 ?POF內(nèi)部散射光頻譜

1.2 ?基于POF-OTDR的裂縫分布式監(jiān)測(cè)

POF-OTDR技術(shù)通過(guò)向POF的一端發(fā)射光脈沖并于同一端監(jiān)測(cè)POF內(nèi)部各處的背向瑞利散射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)POF內(nèi)部各處光學(xué)特性的連續(xù)性測(cè)量．由式(1)可見(jiàn)，光纖線路各點(diǎn)瑞利散射強(qiáng)度的返回曲線為一條指數(shù)衰減曲線，在外界因素影響下，當(dāng)光纖內(nèi)部某處光強(qiáng)度降低時(shí)，該處的瑞利散射強(qiáng)度也會(huì)降低，從而導(dǎo)致瑞利散射強(qiáng)度返回曲線出現(xiàn)局部下降的情況．當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，布設(shè)在其中的POF會(huì)發(fā)生局部變形，從而引起光信號(hào)出現(xiàn)局部高損耗．通過(guò)OTDR測(cè)量POF后向瑞利散射光損耗的位置和大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土中的裂縫的分布式監(jiān)測(cè)．POF-OTDR光學(xué)傳感系統(tǒng)及典型測(cè)試界面如圖2所示．

圖2 ?POF-OTDR光學(xué)傳感系統(tǒng)及典型測(cè)試界面

1.3 POF-OTDR裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力

POF-OTDR裂縫監(jiān)測(cè)的復(fù)用能力為在OTDR動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)單支POF能測(cè)得的與裂縫寬度相對(duì)應(yīng)的裂縫條數(shù)．

式(3)中指數(shù)項(xiàng)表達(dá)式可用于分析POF復(fù)用能力的力光轉(zhuǎn)換關(guān)系，即POF光損耗總和表示為

考慮由裂縫引起的光損耗，則個(gè)裂縫點(diǎn)引起的光損耗為

圖3 ?POF-OTDR多條裂縫監(jiān)測(cè)示意

2? POF-OTDR裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力試驗(yàn)分析

2.1? POF力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)

為了得到單一裂縫POF光損耗與裂縫寬度的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一套模擬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同角度裂縫的裝置，如圖4所示，假設(shè)裂縫為張開(kāi)型且POF與裂縫斜交．該裝置由一組有機(jī)玻璃板和一臺(tái)位移控制平臺(tái)組成．使初始緊靠的兩塊玻璃板發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生縫隙，以此實(shí)現(xiàn)張開(kāi)型裂縫的模擬．用環(huán)氧樹(shù)脂膠將POF以不同夾角粘貼于兩玻璃板上，以此控制POF與裂縫的夾角．本研究選用的POF為三菱公司的SH2001-J，OTDR為SCIENTEX Inc.生產(chǎn)的OTDR-2100POF-650-4．

圖4 ?裂縫模擬裝置實(shí)物及示意

POF的一端連接OTDR設(shè)備，另一端連接一500m的POF線圈(尾纖)．試驗(yàn)中通過(guò)位移控制平臺(tái)的搖輪控制圖中上方玻璃板緩慢豎直向上移動(dòng)，實(shí)時(shí)記錄裂縫開(kāi)度值及對(duì)應(yīng)的光損耗水平，當(dāng)光損耗水平不再發(fā)生明顯變化時(shí)停止試驗(yàn)，將POF與裂縫呈不同角度(30°、45°、60°)布置并進(jìn)行多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示．結(jié)果顯示，裂縫開(kāi)度較大時(shí)POF對(duì)裂縫開(kāi)展的感知敏感性降低，而且POF與裂縫夾角較大時(shí)POF對(duì)裂縫開(kāi)展的感知敏感性也會(huì)降低．

圖5 裂縫模擬試驗(yàn)中不同角度布置下裂縫開(kāi)展時(shí)POF內(nèi)部光損耗測(cè)試結(jié)果

2.2 ?復(fù)用能力分析

本文選用的OTDR動(dòng)態(tài)范圍為17dB，分析處理試驗(yàn)結(jié)果，可推算POF的裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力，如圖6所示．可以看出，整體上POF對(duì)裂縫的復(fù)用能力隨裂縫開(kāi)度的增大而減小，而且POF與裂縫的夾角較大時(shí)可以獲得較高的復(fù)用能力，與圖5得出的敏感性規(guī)律相反．對(duì)比不同情況下POF對(duì)裂縫的復(fù)用能力和敏感性可以得出兩者存在相互制約的關(guān)系，即POF與裂縫的夾角較大時(shí)，光損耗較低，則POF對(duì)開(kāi)裂較不敏感，而復(fù)用能力則較大，反之亦然，因此難以兼顧敏感性和復(fù)用能力，均達(dá)到最優(yōu)．在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)兩者進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，折中處理．即結(jié)合工程力學(xué)性態(tài)和已有工程資料和經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)計(jì)POF的布置形式，使POF與裂縫的夾角能保證POF對(duì)裂縫的復(fù)用能力和敏感性均滿足工程需求，同時(shí)取得相對(duì)較佳的效果．

圖6?基于裂縫模擬試驗(yàn)的POF復(fù)用能力推算結(jié)果

3?工程實(shí)例分析

某混凝土壩位于黃河上游干流，其水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能．工程的任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用效益．樞紐由主壩、兩岸重力墩、兩岸重力副壩、泄水建筑物、引水建筑物和水電站廠房等組成．擋水前緣總長(zhǎng)度1226m，其中主壩396m，最大壩高178m，最大底寬80m，建基標(biāo)高2432.0m，壩頂高程2610m．水庫(kù)校核洪水位2607m，壩前正常高水位2600m，汛期限制水位2594m，死水位2560m，極限死水位2530m．正常高水位下庫(kù)容247×108m3，有效庫(kù)容193.5×108m3．電站裝機(jī)128×104kW，保證出力58.98×104kW，年發(fā)電量59.42×108kW·h．該工程自蓄水以來(lái)，在壩體下游面出現(xiàn)了大量裂縫，以水平裂縫居多，主要分布在拱冠梁9#壩段及其兩邊壩段的2510～2570m高程，其他部位分布較少或以短、小裂縫為主，下游面裂縫分布情況如圖7所示，各壩段裂縫最大開(kāi)裂寬度及裂縫條數(shù)的檢查情況見(jiàn)表1．

根據(jù)該工程的開(kāi)裂情況，從整體上初步對(duì)POF在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)的復(fù)用能力進(jìn)行分析．在分析中假設(shè)每條裂縫與POF只有一個(gè)交點(diǎn)，且不考慮相交方式的差異．根據(jù)第2節(jié)所得出的POF對(duì)裂縫敏感性與復(fù)用能力的相互制約關(guān)系，從兩種情況考慮，分別是：①情況1：POF對(duì)裂縫敏感性較佳的情況，即POF與裂縫開(kāi)展方向夾角較小，這里以?shī)A角為30°為例；②情況2：POF對(duì)裂縫敏感性較差的情況，即POF與裂縫開(kāi)展方向夾角較大，這里以?shī)A角為60°為例．

結(jié)合第2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果和POF復(fù)用能力的定義公式(5)，計(jì)算了該工程各壩段的開(kāi)裂情況對(duì)OTDR動(dòng)態(tài)范圍的消耗量(即開(kāi)裂使POF產(chǎn)生的光損耗量)，結(jié)果如表1所示．

由表1中的計(jì)算結(jié)果可以看出，在情況1即POF與裂縫總體呈較敏感布設(shè)方式下，壩體裂縫總體的光損耗需求量為17.154dB，已經(jīng)超出了OTDR的固有動(dòng)態(tài)范圍．另外，考慮到實(shí)際應(yīng)用中會(huì)由于鋪設(shè)操作等原因造成額外損耗，該情況下的壩體開(kāi)裂總體動(dòng)態(tài)范圍實(shí)際需求量大于17.154dB．這說(shuō)明當(dāng)使用POF-OTDR技術(shù)對(duì)裂縫開(kāi)裂情況進(jìn)行探測(cè)時(shí)，如果探測(cè)光的方向由壩段3#至壩段16#，則會(huì)出現(xiàn)后面若干壩段的開(kāi)裂無(wú)法探測(cè)的情況．但是考慮到POF- OTDR技術(shù)可以從首尾兩端分別進(jìn)行探測(cè)，即該情況下當(dāng)將探測(cè)光的傳輸方向改為由壩段16#至壩段3#，則可得到漏檢壩段的開(kāi)裂情況．在情況2即POF與裂縫總體呈敏感性較差布設(shè)方式下，壩體裂縫總體光損耗需求量為11.706dB，說(shuō)明該情況下單條POF即可完成對(duì)整個(gè)壩段開(kāi)裂情況的探測(cè)．圖8為上述兩種布置情況下各壩段裂縫的動(dòng)態(tài)范圍消耗量占總消耗量的百分比，可以看出，裂縫引起的光損耗主要發(fā)生在中間壩段，兩種情況下僅拱冠梁附近的7#、8#、9# 3個(gè)壩段裂縫的動(dòng)態(tài)范圍消耗量分別占到了53.61%和51.94%．

圖7? 某混凝土壩下游面裂縫分布

表1 某工程壩體開(kāi)裂情況及動(dòng)態(tài)范圍消耗量計(jì)算結(jié)果

Tab.1 Crack status and dynamic range consumption of a concrete dam

以上分析均基于每條裂縫與POF只有一個(gè)交點(diǎn)的理想假設(shè)，實(shí)際應(yīng)用中壩體開(kāi)裂情況錯(cuò)綜復(fù)雜，每條裂縫可能與同一條POF存在多個(gè)交點(diǎn)．假設(shè)每條裂縫與POF有2個(gè)交點(diǎn)且POF與裂縫總體呈較敏感布設(shè)方式，如果從壩段3#向壩段16#進(jìn)行探測(cè)，則在9#壩段就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂無(wú)法探測(cè)的情況，即使從POF首尾兩端分別進(jìn)行探測(cè)，也會(huì)出現(xiàn)中間部分壩段開(kāi)裂無(wú)法探測(cè)的情況．因此雖然理論上POF具有較好的裂縫監(jiān)測(cè)復(fù)用能力，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)分壩段布設(shè)多條POF以保證不會(huì)出現(xiàn)裂縫漏檢的情況．由圖7和圖8可知，為了在成本一定的情況下取得更好的監(jiān)測(cè)效果，宜在中間壩段靠近下游面的壩體中上部布置多條POF．

圖8 兩種布置情況下各壩段裂縫動(dòng)態(tài)范圍消耗量占比

4? 結(jié)?論

(1) 通過(guò)模型試驗(yàn)研究了POF與裂縫呈不同角度時(shí)POF光損耗與裂縫寬度關(guān)系，由試驗(yàn)結(jié)果推算了POF監(jiān)測(cè)多條裂縫時(shí)的復(fù)用能力，綜合試驗(yàn)結(jié)果和復(fù)用能力關(guān)系，可以得出POF監(jiān)測(cè)裂縫的復(fù)用能力和敏感性之間存在相互制約關(guān)系．

(2) 以某混凝土壩為例計(jì)算了各壩段的開(kāi)裂情況對(duì)OTDR動(dòng)態(tài)范圍的消耗量，分析了POF在實(shí)際工程中監(jiān)測(cè)多條裂縫的能力．

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Multiplexing Capability Analysis of Crack Monitoring of a Concrete Dam Based on POF-OTDR

Bao Tengfei1, 2, 3，Zhao Jinlei4，Li Jianming1, 2, 3

(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China；3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4. Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China)

It is widely accepted that plastic optical fiber will have a broad application in the field of crack monitoring. Unlike the optical fibers of silica，this fiber is not easy to break and enjoys the advantages of large diameter，low cost，high plasticity，and good toughness．In the application of plastic optical fibers to crack monitoring of mass concrete structures like concrete dams，not only is the capacity for single crack sensing needed，but also the capacity for sensing and continuous monitoring of multiple cracks．In order to investigate the monitoring ability of plastic optical fibers for concrete structures with multiple cracks，a device which is capable of monitoring different angles between fibers and cracks was designed，and optical experiments using an optical time domain reflectometer were carried out．The crack monitoring multiplexing capability of single plastic optical fibers were then analyzed based on the experimental results．The results showed that the sensitivity of plastic optical fibers in terms of crack propagation decreases with increased angle and crack width．Theoretical analysis indicated that there is a constraint between multiplexing capability and sensibility of plastic optical fibers，i．e.，when the angle between plastic optical fiber and crack was great，the multiplexing capability was high while the sensitivity was low，and vice versa．Based on the above analysis，a concrete dam was studied as an engineering example．Specifically，in consideration of two design layouts，optical loss of plastic optical fibers resulting from cracks was calculated for each dam part．Actual monitoring ability of the plastic optical fibers in the dam is discussed and evaluated．Fibers with both ends showed superiority in real application and，in the process of avoiding missing inspection multiples，offered the good multiplexing capability of the single plastic optical fiber．

plastic optical fiber(POF)；optical time domain reflect；crack monitoring；multiplexing capacity

TN247

A

0493-2137(2019)08-0804-06

10.11784/tdxbz201805039

2018-05-20；

2018-12-10.

包騰飛（1974—??），男，教授.

包騰飛，baotf@hhu.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0401601)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579086，51739003，51479054，51379068，41323001)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2018B623X14)；江蘇省杰出青年基金項(xiàng)目(BK20140039)；江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYCX18_0592)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(水利工程)(YS11001).

the National Key R&D Program of China(No.2016YFC0401601)，the National Natural Science Foundation of China (No.51579086，No.51739003，No.51479054，No.51379068，No.41323001)，the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2018B623X14)，the Jiangsu Natural Science Foundation(No.BK20140039)，the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province(No.KYCX18_0592)，the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions(No.YS11001).

(責(zé)任編輯：王曉燕)