王和芬 馬敏艷 牟晉民

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021；2.云南水利水電建設(shè)工程技術(shù)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650021；3.基康儀器股份有限公司，北京 100080)

1 工程簡介

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，是國務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程中的標(biāo)志性工程，也是中國西南地區(qū)規(guī)模最大、投資最多的水資源配置工程。工程由水源工程和輸水工程兩部分組成，水源工程位于麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)，從位于石鼓鎮(zhèn)上游約1.5km的金沙江右岸取水，由泵站提水至總干渠渠首。輸水工程自麗江石鼓鎮(zhèn)望城坡開始，途經(jīng)麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，終點(diǎn)為紅河州新坡背，引水線路總長664.236km。工程受水區(qū)共涉及輸水總干渠沿線6州(市)35個縣(市、區(qū))的34個受水小區(qū)，多年平均引水量34.03億m3，設(shè)計輸水流量135～20m3/s，受益面積3.69萬km2，惠及人口1112萬。工程靜態(tài)總投資為748.85億元，動態(tài)總投資780.48億元，施工總工期96個月。

輸水總干線全長664.236km，共布置116座主要輸水建筑物，整條線路以隧洞為主，設(shè)置有隧洞58座，合計長611.986km，占干線全長的92.13%，其中長度大于25km的隧洞有5條。海東隧洞為上述5條隧洞之一，長25.29km，設(shè)置有0號及2號永久施工支洞，隧洞輸水流量135m3/s，設(shè)計流量135m3/s，凈斷面采用馬蹄形，R=4.73m，寬×高=9.46m×9.46m[1]。隧洞沿線埋深普遍較大，埋深大于300m的洞段長約14km，隧洞穿越地層巖性主要為灰色厚層夾中層狀白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖；直接穿越的大小斷層有13條以上；因此隧洞主要存在高地應(yīng)力、硬巖巖爆、高外水壓力、高地溫，活動斷裂、軟巖(包括斷層帶)大變形、隧洞突水突泥、有毒有害氣體等問題。

2 監(jiān)測設(shè)計內(nèi)容

海東隧洞為滇中引水工程輸水線路較長、隧洞埋深較大(埋深最大500m)、開挖斷面最大(9.46m×9.46m)，且處于高地震烈度帶(Ⅷ度)、高外水壓帶(最大1.9MPa)、高地溫(最高溫度28.55℃)、地下水環(huán)境影響高敏感區(qū)、軟巖地帶及可溶巖地帶(9.31km)的隧洞，且隧洞穿越多條斷層及斷裂帶(F13)等。

海東隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，且為滇中引水工程開工較早的建筑物。因此對海東隧洞進(jìn)行全方位的監(jiān)測，能全面掌握隧洞施工期及運(yùn)行期的總體運(yùn)行情況，對設(shè)計參數(shù)選擇的合理性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保設(shè)計更趨合理和建筑物的安全可靠，為今后隧洞的理論設(shè)計和監(jiān)測技術(shù)的深入研討積累一定的實(shí)用資料[2]。

根據(jù)海東隧洞的圍巖條件、開挖方式、襯砌形式、受力狀態(tài)等選擇具有代表性的洞段或關(guān)鍵部位布置了10個綜合監(jiān)測斷面、2個地下水位監(jiān)測斷面、3個位錯監(jiān)測斷面及2個水位監(jiān)測斷面等17個監(jiān)測斷面，具體布置見圖1。監(jiān)測內(nèi)容主要為：圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測、襯砌和圍巖的接縫開合度監(jiān)測、活動斷裂帶地表位移和襯砌位錯監(jiān)測、襯砌外水壓力監(jiān)測、襯砌結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力監(jiān)測、支護(hù)措施(錨桿、鋼拱架等)受力監(jiān)測、隧洞沿程水位監(jiān)測等[3]，共布置了585個施工期臨時監(jiān)測點(diǎn)和596支永久安全監(jiān)測設(shè)備。

圖1 海東隧洞縱剖面監(jiān)測斷面布置

3 監(jiān)測設(shè)備的選取

海東隧洞長25.29km，僅有0號、2號施工支洞為永久支洞，其余施工支洞需要封堵，因此電(光)纜只能從隧洞進(jìn)出口及0號、2號永久檢修洞引出，其中2號永久支洞至隧洞出口約18.24km，電(光)纜牽引傳輸距離最長達(dá)7.1km，為滇中引水工程中電(光)纜牽引最長的隧洞。因此儀器選型必須在滿足測量精度的同時能實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，并力求做到可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用[4]。滇中引水工程海東隧洞安全監(jiān)測面臨電纜數(shù)量大、牽引距離長、采用傳統(tǒng)振弦式設(shè)備將存在信號衰減嚴(yán)重(電測信號一般不超過1.5km)等問題，與此同時，在工程永久安全監(jiān)測后期實(shí)現(xiàn)自動化觀測之后，還將面臨測檢修測站多、工作量大、現(xiàn)場供電系統(tǒng)投資大等方面的難點(diǎn)。因此在觀測斷面選擇、各觀測斷面測點(diǎn)布設(shè)和監(jiān)測儀器數(shù)量不變的前提下，為達(dá)到解決問題、優(yōu)化設(shè)計的目的，海東隧洞永久安全監(jiān)測設(shè)計在監(jiān)測儀器和自動化設(shè)備的選擇中，采用了目前工程安全監(jiān)測領(lǐng)域最新的傳感器技術(shù)成果——光纖光柵式設(shè)備。通過對儀器運(yùn)行和監(jiān)測的可靠性和工程經(jīng)濟(jì)性的綜合比較，選擇振弦式和光纖光柵式傳感器組合的形式；對于傳輸距離不大于1.5km的監(jiān)測斷面，監(jiān)測設(shè)備選取振弦式，每支儀器電纜經(jīng)洞頂?shù)木€槽引出至洞外觀測站；對于傳輸距離大于1.5km的監(jiān)測斷面，監(jiān)測設(shè)備選取光纖光柵式，光纜通過合理組網(wǎng)接入接線盒后，經(jīng)洞頂線槽或PVC保護(hù)管引出至洞外觀測站。

4 光纖光柵傳感器在海東隧洞中的應(yīng)用

光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器作為20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種集光學(xué)、電子學(xué)為一體的一種新興的光學(xué)技術(shù)成果[5]，可以用來測量應(yīng)變、應(yīng)力、彎曲、擾度、溫度、振動、壓力等多個物理量，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。同時光纖傳感器集傳感和信息傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)分布式或準(zhǔn)分布式以及遠(yuǎn)距離監(jiān)測[5]，對被測對象進(jìn)行多點(diǎn)測量，提取相關(guān)的信號，進(jìn)行狀態(tài)分析，達(dá)到示警以及故障診斷的目的，而且其傳輸距離理論上可以達(dá)50多km，還能進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。因而海東隧洞傳輸距離較遠(yuǎn)的6個綜合監(jiān)測斷面(占總綜合監(jiān)測斷面的60%)及3個位錯監(jiān)測斷面(占總位錯監(jiān)測斷面100%)采用光纖光柵式設(shè)備。海東隧洞安全監(jiān)測采用光纖光柵式設(shè)備的主要技術(shù)優(yōu)勢包括以下幾個方面：

a.光纖光柵式設(shè)備容量大：可在一根光纖上同時測量幾十個點(diǎn)的溫度、應(yīng)變、壓力、位移、振動等多種參量。在單路光纖上可以制作多個光柵，可以對大型工程進(jìn)行分布式測量，其測量點(diǎn)多，測量范圍大。因此海東隧洞光纖光柵式設(shè)備采用6個傳感器串聯(lián)為一組的形式。

b.光纖光柵式設(shè)備測量精度高：光纖光柵式設(shè)備發(fā)出光信號，測量儀器測量其光的特征值，不受光源功率波動、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素影響；精確的透射和反射特征(小誤差)使其更加準(zhǔn)確地反映了應(yīng)力、溫度等的變化。因此傳輸距離較遠(yuǎn)的整個監(jiān)測斷面上的應(yīng)變計、無應(yīng)力計、鋼筋計、鋼板計、位移計等設(shè)備均采用光纖光柵式。

c.光纖光柵式設(shè)備傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，適于各種應(yīng)用場合，便于安裝，尤其適合于隧洞襯砌混凝土內(nèi)。

d.光纖光柵式設(shè)備為抗腐蝕、抗高壓的無源器件，因此能在潮濕的惡劣化學(xué)環(huán)境下工作。同時光纜接長時均在接續(xù)盒中完成，因此不需對接頭進(jìn)行防水處理等，特別適合地下水位較高、施工期洞內(nèi)滲水量較大的海東隧洞。

e.光纖光柵式設(shè)備具有更遠(yuǎn)距離傳輸能力，在遠(yuǎn)距離傳輸條件下，傳輸線纜最經(jīng)濟(jì)。海東隧洞9個監(jiān)測斷面選擇光纖光柵式設(shè)備，光纖的工程投資約6.8萬元(12芯主通信光纜約58m，24芯主通信光纜約1600m，36芯主通信光纜約7200m)，若改為電纜，工程投資較高，估算為2230萬元(四芯電纜88萬m，十芯電纜19萬m)，而且電纜數(shù)量眾多，電纜布線也是個難點(diǎn)。

f.光纖光柵式設(shè)備現(xiàn)場不需供電，光纖探測并直接進(jìn)行信號傳輸不受電磁及核輻射干擾；光纖光柵對被測信息用波長編碼，不受光源功率波動和光纖彎曲等因素引起的損耗的影響，因此光纖光柵式設(shè)備可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)。海東隧洞較長，為監(jiān)測設(shè)備永久供電不僅會大大增加工程投資，而且施工期洞內(nèi)潮濕，供電風(fēng)險較大。

g.光纖光柵式設(shè)備無零漂，出廠后不需要定期檢定，系統(tǒng)維護(hù)成本很低。

h.光纖光柵式設(shè)備數(shù)據(jù)測量能夠?qū)崿F(xiàn)高速采集，為施工期及運(yùn)行期提供高效服務(wù)。

i.海東隧洞光纖光柵式設(shè)備采用6個傳感器串聯(lián)為一組引至洞頂接續(xù)盒內(nèi)并完成光纜接長，不僅確保了設(shè)備及光纜的質(zhì)量和安全，還有效減少了電纜牽引工期，加快了工程進(jìn)度。

j.光纖光柵式設(shè)備采用串聯(lián)牽引，并將首纖與尾纖分別引出，首纖與尾纖傳輸數(shù)據(jù)能互相校驗(yàn)；首纖(或尾纖)出現(xiàn)故障可以從尾纖(或首纖)獲取數(shù)據(jù)，確保了儀器的成活率及運(yùn)行期監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

滇中引水海東隧洞選擇的光纖光柵傳感器還采用了獨(dú)特的切趾(apodization)光柵技術(shù)，其與普通均勻光柵傳感器相比，除上述優(yōu)點(diǎn)外，性能更穩(wěn)定，出現(xiàn)意外光能量損耗過大時，仍能精確測量，不會誤報警，使各類傳感器串接鏈測量時更可靠，接入的儀器數(shù)量也更多[6]。切趾又叫變跡，就是將光柵的折射率調(diào)至中間高兩邊逐漸減小，其函數(shù)形式包括高斯函數(shù)、三角函數(shù)等。兩類光柵光譜見圖2～圖3。

圖2 均勻光柵光譜

5 海東隧洞光纖光柵設(shè)備組網(wǎng)

海東隧洞為滇中引水工程中具有代表性的隧洞，隧洞監(jiān)測儀器設(shè)備種類繁多且線纜牽引距離最長，合理配置監(jiān)測儀器設(shè)備具有十分重要的意義[7]。采用傳統(tǒng)振弦式設(shè)備與光纖光柵式設(shè)備混合使用，解決了電纜牽引繁雜、電纜長度過長、信號衰減過快等一系列問題。

海東隧洞工程中的各光柵光纖監(jiān)測設(shè)備除滲壓計和水位計采用分路器并聯(lián)外，其余監(jiān)測設(shè)備采用串聯(lián)方式連接(通常情況6個傳感器串聯(lián)一組)。具體為：從2號檢修支洞出纜的6個光纖光柵式監(jiān)測斷面中，DLⅡ9+240.00監(jiān)測斷面內(nèi)的8支滲壓計，每4支并聯(lián)成一組接入一分四耦合器(滲壓計為單端出纜)，其余66支傳感器每6支串聯(lián)為一組，共串聯(lián)成11組，再與兩個一分四耦合器一起并聯(lián)至該斷面的接續(xù)盒內(nèi)；DLⅡ9+180.000監(jiān)測斷面的3組三點(diǎn)式多點(diǎn)位移計及4支位錯計串聯(lián)成三串然后并聯(lián)至DLⅡ9+240.00監(jiān)測斷面的接續(xù)盒內(nèi)；DLⅡ9+299.000監(jiān)測斷面的4支位錯計串聯(lián)成一串然后并聯(lián)至DLⅡ9+240.00監(jiān)測斷面的接續(xù)盒內(nèi)；DLⅡ9+984.00、DLⅡ11+050.00及DLⅡ11+990監(jiān)測斷面內(nèi)的傳感器連接方式與DLⅡ9+240.00監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鬟B接方式一致。

每個監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鬟B接完成后，采用主通信光纜進(jìn)行組網(wǎng)。原則上為節(jié)省光纜的工程量，主通信光纜組網(wǎng)可將每個監(jiān)測斷面進(jìn)行串聯(lián)，如在DLⅡ11+990.00監(jiān)測斷面，各儀器設(shè)備光纜通過接續(xù)盒后連接24芯主通信光纜，至DLⅡ11+050.00監(jiān)測斷面位置，并入該斷面的12芯光纜后采用36芯主通信光纜；至DLⅡ9+984.00監(jiān)測斷面位置，并入該斷面的24芯光纜后采用60芯主通信光纜；至DLⅡ9+240.000監(jiān)測斷面位置，并入該斷面的36芯光纜后采用96芯主通信光纜，最終接入2號檢修支洞觀測房內(nèi)的終端分線盒，共計12芯主通信光纜約58m，24芯主通信光纜約1200m，36芯主通信光纜約1300m，60芯主通信光纜約850m，96芯主通信光纜約2600m，光纜投資約5.1萬元。但是考慮到多個監(jiān)測斷面串聯(lián)，如果主通信光纜受到外界因素影響發(fā)生斷損，將會造成監(jiān)測儀器群死、大量數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。為保證儀器設(shè)備的成活率，各監(jiān)測斷面儀器采用并聯(lián)、串聯(lián)的綜合組網(wǎng)方式，且串聯(lián)不超過48芯。即從DLⅡ11+990.00監(jiān)測斷面接續(xù)盒出來后連接24芯主通信光纜，至DLⅡ11+050.00監(jiān)測斷面位置，并入該斷面的12芯光纜后采用36芯主通信光纜直接引至2號檢修支洞觀測房內(nèi)的終端分線盒；在DLⅡ9+984.00監(jiān)測斷面，儀器光纜通過接續(xù)盒出來后連接24芯主通信光纜直接引至2號檢修支洞觀測房內(nèi)的終端分線盒；在DLⅡ9+240.000監(jiān)測斷面，儀器光纜通過接續(xù)盒出來后連接24芯主通信光纜直接引至2號檢修支洞觀測房內(nèi)的終端分線盒；共計12芯主通信光纜約58m，24芯主通信光纜約1600m，36芯主通信光纜約7200m，光纜投資約6.8萬元。增加的工程投資僅占海東隧洞安全監(jiān)測投資(103.1萬元)的1.6%。工程在投資增加不多的前提下充分保證了儀器的成活率，達(dá)到了監(jiān)測的意義和目的，因此海東隧洞主通信光纜采用并聯(lián)、串聯(lián)的混合組網(wǎng)方式，見圖4。

圖4 海東隧洞光纖光柵式儀器設(shè)備組網(wǎng)

光纖光柵式設(shè)備科學(xué)合理的組網(wǎng)方式不僅能很好地解決長距離傳輸問題，而且能提高系統(tǒng)可靠性，節(jié)省投資，便于管理和維護(hù)。

6 結(jié) 語

永久安全監(jiān)測是為了服務(wù)工程正常運(yùn)行，保障建筑物結(jié)構(gòu)安全或運(yùn)行安全而開展的持續(xù)性監(jiān)測，對于地質(zhì)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)斷面較大的建筑物通常需要進(jìn)行全方位的監(jiān)測[8]，因此監(jiān)測項(xiàng)目齊全，監(jiān)測設(shè)備種類繁多。超長距離輸水工程還存在設(shè)備選型及組網(wǎng)方式的選擇問題，合理的設(shè)備選擇及組網(wǎng)方式，不僅能提高系統(tǒng)安全性、可靠性，還能節(jié)省投資，便于管理和維護(hù)。

滇中引水工程為超長距離輸水工程，目前國內(nèi)沒有專門針對長距離輸水工程安全監(jiān)測方面的監(jiān)測設(shè)計規(guī)范，僅能以《水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計規(guī)范》(SL 725—2016)作為主要依據(jù)，加之滇中引水工程由不同單位承擔(dān)設(shè)計任務(wù)，極易造成各監(jiān)測設(shè)備的選擇和組網(wǎng)方式千差萬別[9]。

海東隧洞為滇中引水工程中具有代表性的隧洞，隧洞監(jiān)測儀器設(shè)備種類齊全、數(shù)量繁多、線纜牽引傳輸距離超長，因此選擇了傳統(tǒng)設(shè)備(振弦式)與光纖光柵式聯(lián)合的布置方式[10]。實(shí)踐證明此方式不僅確保了施工質(zhì)量、安全及進(jìn)度，而且提高了監(jiān)測成果的準(zhǔn)確性和可靠性，同時有效地減少了傳輸線纜工程量，降低了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

光纖光柵式設(shè)備現(xiàn)已在我國水電工程安全監(jiān)測領(lǐng)域得到應(yīng)用，但從目前研究與應(yīng)用情況來看，尚存在基礎(chǔ)研究薄弱、專業(yè)人員較少、針對性不強(qiáng)、傳感器與基體材料互適應(yīng)性研究較少、監(jiān)測項(xiàng)目的傳感原理研究困難、采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性等問題。然而只要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，光纖光柵設(shè)備及其相關(guān)的材料在水電工程安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景就會非常寬廣，它們不僅是傳統(tǒng)儀器的理想替代者，而且有助于工程建設(shè)施工、運(yùn)行期的管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、智慧化水利工程奠定基礎(chǔ)。