河北鏡圓科技有限公司 丁志國(guó) 龔占龍 盛智勇

光纖光柵傳感器是性能優(yōu)良的光器件傳感器，包括FBG、取樣光纖光柵等，F(xiàn)BG是傳感領(lǐng)域運(yùn)用最廣泛的傳感器 ，傳感器體積小，在特殊的工業(yè)中具有重要作用。如橋梁土木工程疲勞損耗檢測(cè)等。排水管道檢測(cè)的可靠性非常關(guān)鍵，傳統(tǒng)電子傳感器無法在惡劣環(huán)境下作業(yè)，光纖傳感器具有承受極端條件等優(yōu)點(diǎn) ，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，可測(cè)得幾十公里的信息。排水管道儲(chǔ)存泄露如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理會(huì)造成環(huán)境污染 ，需要有安全可靠的檢測(cè)系統(tǒng) 。常用的電傳感器不適用于排水管道水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 。FBG傳感器傳感信號(hào)通過光纖實(shí)現(xiàn)，分布式FBG傳感技術(shù)在長(zhǎng)距離管道水位監(jiān)測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以形成光纖光柵陣列，通過觀測(cè)各點(diǎn)反射光中心波長(zhǎng)漂移量判斷是否存在泄露。

1 城市排水管道監(jiān)測(cè)概述

城市排水管道用于城市雨污水傳輸排放處理 ， 內(nèi)設(shè)專門監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ，配備智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)管道水位 。排水管道系統(tǒng)由附屬系統(tǒng)與控制中心組成 ，管道本體包括標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制拼裝 ，管線分支口等，附屬系統(tǒng)包括監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等。根據(jù)容納管線不同分為干線型 、支線型等形式。 干線型設(shè)于城市主干道下 ，支線管道用于干線管道同用戶建立聯(lián)系， 包括直接服務(wù)于用戶的管線[1]。根據(jù)截面形式分為圓形、矩形與拱形截面等形式。

地下排水管道建設(shè)有利于城市雨污水處理，美化城市環(huán)境 ，促進(jìn)城市現(xiàn)代化建設(shè)。隨著城市化的發(fā)展，地下排水管道規(guī)模不斷擴(kuò)大 ，其結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)期效益高 ，地下防水等級(jí)高 ，保準(zhǔn)體系不成熟等特點(diǎn)[2]。地下排水管道建設(shè)前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工需要大量的資金 ，集約了多種生活資源 ，是公益性市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目 ，需要有較高的地下防水等級(jí)。國(guó)內(nèi)地下排水管道建設(shè)較晚，急需統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。城市排水管道敷設(shè)于地下，周圍建筑物等會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響 。地下排水管道長(zhǎng)度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ，受到周圍基坑等多種因素影響， 實(shí)際運(yùn)營(yíng)中易出現(xiàn)不均勻沉降 ，水平錯(cuò)動(dòng)等病害，導(dǎo)致管道出現(xiàn)變形 ，拼接縫處水位發(fā)生變化 ，對(duì)管道水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常必要。

城市地下排水管道服役中會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降等變形 ， 對(duì)管道接縫處縱橫向水平位移監(jiān)測(cè)主要方法包括分布式光纖監(jiān)測(cè) ，電類位移監(jiān)測(cè)法等 。分布式光纖水平位移監(jiān)測(cè)方法具有較高精度 ，但需將光纖與結(jié)構(gòu)緊密貼合實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè) ，傳感器壽命與光纖同結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑有關(guān)。電類傳感器件無法串聯(lián)，地下管道所處環(huán)境潮濕，傳感器需耗費(fèi)大量電纜，電類位移監(jiān)測(cè)成本較高[3]。FBG為準(zhǔn)分布式傳感器 ，具有精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，對(duì)地下排水管道監(jiān)測(cè)所需成本低，排水管道通常選用光纖光柵傳感器。

2 地下排水管道FBG傳感器設(shè)計(jì)

光纖把電磁波能量以全反射約束在截面內(nèi)，光纖基本結(jié)構(gòu)是兩層圓柱狀媒介，纖芯折射率n1比包層折射率n2大，光波能沿纖芯向前傳播，光纖保護(hù)層用于保護(hù)光纖避免受環(huán)境污染。光纖傳感技術(shù)原理是將光波通過入射光纖傳輸?shù)絺鞲衅骷?，光波?jīng)輸出光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換部分。70年代出現(xiàn)光纖傳感器，系統(tǒng)由信號(hào)傳輸線、光電轉(zhuǎn)換等組成。分布式光纖傳感器元件為光纖，系統(tǒng)測(cè)量精度與空間分辨力存在制約關(guān)系。光纖布拉格光柵封裝工藝如圖1.

圖1FBG傳感器頭封裝示意圖

FBG是纖芯具有折射率周期變化的光纖，光纖類傳感器特點(diǎn)體現(xiàn)在體積小、抗電磁干擾，耐腐蝕等。傳感用光纖為單模光纖，傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)影響?。还饫w中信號(hào)以光波形式傳遞，主要成分是二氧化硅，不與酸發(fā)生反應(yīng)；多模光纖傳輸距離275-1000m,傳統(tǒng)光電傳感器漫反射感應(yīng)距離30-50cm，對(duì)射式感應(yīng)距離較長(zhǎng)【4】。分布式測(cè)量，可進(jìn)行容量信息傳輸。在結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。FBG利用光纖光敏性，使纖芯軸向折射率產(chǎn)生永久性周期變化制成，制作光柵方法有逐點(diǎn)寫入法、相位掩模法等。光纖傳感系統(tǒng)由傳感器件、信號(hào)傳輸線等組成，如圖2所示。

圖2光纖傳感系統(tǒng)圖

目前常用的位移傳感器有機(jī)械式與光電式等方法 ， 機(jī)械式速度慢，電磁式易受到電磁干擾；光電式傳感器包括光柵式、激光式等。激光式受光的直線傳播限制，F(xiàn)BG具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、重量輕、靈敏度高等特點(diǎn)。實(shí)際工程中環(huán)境惡劣，為使FBG位移傳感器適用于工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足耐久性、穩(wěn)定性等要求 。FBG拉桿位移傳感器由傳感元件、楔形滑塊等構(gòu)件組成，在FBG位移傳感器封裝套盒內(nèi)部，等強(qiáng)度懸梁壁為FBG基底材料，懸梁壁固定端固定于左端支座。懸梁壁與傳感元件采用螺栓連接，減少隨時(shí)間增長(zhǎng)帶來應(yīng)變傳遞損失。傳感器拉桿采用無彈簧工作機(jī)制，位移傳感器拉桿受外界位移變化，拉桿帶動(dòng)楔形滑塊產(chǎn)生移動(dòng)。

3 FBG位移傳感器在排水管道水位監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

某市洞壁新城排水管道以核心區(qū)為主，分布在國(guó)際金融中心、各大銀行及市政府等區(qū)域，公用管線多，管道安全運(yùn)營(yíng)對(duì)核心區(qū)政治文化建設(shè)起到基礎(chǔ)性作用。排水管道人民路段位于地鐵沿線，軌道施工對(duì)土體擾動(dòng)較大。對(duì)管道位置造成影響，需要對(duì)管道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，5號(hào)線車站施工影響范圍內(nèi)有管道500m,管道埋深約0.8～2m,側(cè)板壁厚為30cm。本路段管道地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，軟土力學(xué)性質(zhì)差，管道易發(fā)生變形，由于所處地下水位較高，拼接縫處病害會(huì)引起結(jié)構(gòu)滲漏水現(xiàn)象，導(dǎo)致管道應(yīng)力過大破壞。

通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排水管道水位，了解管道變形發(fā)展情況，避免出現(xiàn)重大安全事故，確保既有管道運(yùn)營(yíng)安全。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)容包括拼接縫處軸向水平位移監(jiān)測(cè)，傾斜檢測(cè)等。對(duì)地下管道專項(xiàng)監(jiān)測(cè)依據(jù)工程測(cè)量規(guī)范等文件設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案 。管道軸向水平位移采用FBG拉桿式傳感器，管道橫向水平位移采用FBG梁式位移傳感器。地下排水管道線路長(zhǎng)，易受到外部多種因素影響，管段軸向方向相對(duì)位移易于監(jiān)測(cè)，在拼接縫處布置FBG位移傳感器檢測(cè)軸向位移，位移轉(zhuǎn)接板固定在右側(cè)混凝土墻壁，測(cè)量轉(zhuǎn)接板與左側(cè)管廊相對(duì)距離，位移傳感器安裝在水倉外側(cè)墻壁，下放預(yù)留空間為后期安裝管道。

根據(jù)建筑變形測(cè)量規(guī)范確定管道結(jié)構(gòu)變形觀測(cè)精度等級(jí)為二級(jí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)采用靜力水準(zhǔn)測(cè)量，坐標(biāo)中誤差為點(diǎn)位誤差的1倍。國(guó)內(nèi)對(duì)地下排水管道變形規(guī)范未給出詳細(xì)介紹，需要結(jié)合其他規(guī)范設(shè)定系統(tǒng)預(yù)警值，某個(gè)監(jiān)測(cè)量值超過警戒值應(yīng)及時(shí)報(bào)警，必要時(shí)對(duì)警戒值進(jìn)行調(diào)整[5]。工程測(cè)量規(guī)范未明確規(guī)定預(yù)警值，根據(jù)規(guī)范變形在允許值范圍內(nèi)，變形預(yù)警值確定通過取對(duì)應(yīng)變形允許值的60%，在建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范中對(duì)不同等級(jí)基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目給出取值范圍，結(jié)合專家意見位移嚴(yán)禁值參考規(guī)范中壓力管線位移報(bào)警值。

通過分析地下排水管道水平方向裂縫，各測(cè)點(diǎn)水平位移未超過預(yù)警值，傳感器工作中拼縫處裂縫縮小，測(cè)點(diǎn)5處縱向位移最大為 -9.253mm，其余測(cè)點(diǎn)縱向累計(jì)位移變化在 ±6mm，北路段管道測(cè)點(diǎn)縱向位移變化絕對(duì)值最大15.22mm，位移變化小于預(yù)警值。管道結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度大于橫向?qū)е铝芽p發(fā)生變化，管道呈現(xiàn)兩側(cè)位移變化突出，這可能與附近在建地鐵施工有關(guān)。南北路段管道位移變化速率在0.8以內(nèi)，最大值為測(cè)點(diǎn)3處縱向位移變化速率0.7698，表明各測(cè)點(diǎn)橫向位移變化波動(dòng)性較小。后期監(jiān)測(cè)中周圍環(huán)境有突加荷載作用應(yīng)及時(shí)查看傳感器測(cè)量結(jié)果，北段路口地鐵站施工附近周圍環(huán)境復(fù)雜，兩方向水平位移值較大。

4 結(jié)語

本文基于FBG位移傳感器在排水管道水位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，開發(fā)拉桿式FBG位傳感器，消除彈簧蠕變對(duì)穩(wěn)定性的影響。 分析傳感器位移傳感器原理，對(duì)傳感器性能進(jìn)行驗(yàn)證 ，傳感器上下包絡(luò)線保持良好一致性，傳感器性能保持良好。對(duì)某市地下排水管道工程項(xiàng)目分析表明附近地鐵施工對(duì)管道不均勻沉降影響較大，檢測(cè)項(xiàng)目在預(yù)警值以下。 隨著社會(huì)的發(fā)展，排水管道應(yīng)用受到人們關(guān)注 ，針對(duì)排水管道監(jiān)測(cè)需根據(jù)其他相關(guān)規(guī)范設(shè)定系統(tǒng)預(yù)警值 ，利用光纖光柵進(jìn)行管道監(jiān)測(cè) ，保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。