趙 剛，馬 暢，陳 靜，王一炎炎，肖博文

（新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 阜康 831500）

0 引言

壩體的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在水電站的安全運(yùn)行中至關(guān)重要，壩體一年四季的傾角是衡量壩體安全的重要指標(biāo)。在實(shí)際工程中，壩體的傾角從建設(shè)期到使用期都要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保水電站的安全運(yùn)行。

某北方大型水電站位于寒冷地區(qū)，壩體為拱壩，原有的傾角觀(guān)測(cè)方式為傳感器加人工觀(guān)測(cè)，由于傳感器工作年份過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致內(nèi)部電路老化，且精度不高，易受溫度影響。受已有傳感器型式和精度限制，壩體的傾角監(jiān)測(cè)只能依賴(lài)于振弦式傳感器[1]或人工觀(guān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員作業(yè)量大，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；MEMS傾角測(cè)量?jī)x[2]和光纖光柵傾角測(cè)量?jī)x[3,4]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傾角的自動(dòng)化測(cè)量，但是精度低，不能滿(mǎn)足水電站的高精度監(jiān)測(cè)。因此，解決拱壩傾角的自動(dòng)化、高精度、全覆蓋監(jiān)測(cè)，是壩體監(jiān)測(cè)的重要目標(biāo)，也是該領(lǐng)域內(nèi)國(guó)內(nèi)外的技術(shù)空白。本文將采用基于法布里-珀羅干涉原理的高精度光纖傾角儀，對(duì)2個(gè)典型壩段不同高程的傾角進(jìn)行高精度自動(dòng)化測(cè)量。

1 傳感器原理

傳感器采用的光纖法布里-珀羅干涉（F-P）原理示意圖如圖1所示，光纖端面為第1反射面，反射鏡為第2反射面，由于2個(gè)反射面反射回來(lái)的光會(huì)發(fā)生干涉，所以2個(gè)反射面之間即為法布里-珀羅干涉腔，通過(guò)改變法布里-珀羅干涉腔長(zhǎng)d，即可判斷傾角等待測(cè)參數(shù)。法布里-珀羅干涉光譜如圖2所示，通過(guò)相波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ1和λ2，即可確定干涉腔長(zhǎng)d：

圖1 法布里-珀羅干涉原理示意圖

圖2 法布里-珀羅干涉的光譜圖

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，剛性桿固定到外殼頂板，中間伸出來(lái)的懸臂結(jié)構(gòu)固定有光纖，剛性桿底部連接水平放置彈片的右端；另有彈性桿固定到頂板，彈性桿底部固定有重物，重物右端連接彈片的左端；彈片的中心點(diǎn)對(duì)著光纖端面，所以光纖端面作為第1反射面，彈片中心點(diǎn)作為第2反射面。傾角改變后，剛性桿隨著傳感器外殼旋轉(zhuǎn)，而重物在重力作用下保持豎直向下，會(huì)擠壓或拉伸彈片。由于重物的移動(dòng)量很小，直接觀(guān)測(cè)重物的移動(dòng)量會(huì)導(dǎo)致精度不夠高，所以采用彈片結(jié)構(gòu)對(duì)重物移動(dòng)量進(jìn)行放大。重物擠壓或拉伸彈片，彈片微小的軸向壓縮量會(huì)使彈片中心點(diǎn)在法向產(chǎn)生很大的撓度變化量，改變了兩個(gè)反射面之間的距離，從而改變了光譜和干涉腔長(zhǎng)。彈片的放大作用體現(xiàn)在撓度放大上，即使重物發(fā)生很小的水平位移w，彈片中心點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的豎向撓度變化量△d，通?！鱠≥6w，通過(guò)標(biāo)定法布里-珀羅干涉腔長(zhǎng)與角度之間的關(guān)系，即可得到傾斜儀的標(biāo)定公式。由于壩體的傾角很小，所以只標(biāo)定±2°之間的傾角與干涉腔長(zhǎng)之間的關(guān)系。θ以順時(shí)針為正，將傾角儀放到角度標(biāo)定臺(tái)上，從-2°開(kāi)始，每次增加0.4°，增加到2°為止。標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，干涉腔長(zhǎng)變化量△d與傾角θ之間的關(guān)系：

圖3 傾角儀結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際工程測(cè)量中，通過(guò)測(cè)到的光譜算出干涉腔長(zhǎng)變化量，再通過(guò)公式（2）確定壩體傾角θ。

2 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和分析

傾角測(cè)量項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)→傳感器安裝、軟件調(diào)試→數(shù)據(jù)采集→光譜解調(diào)→數(shù)據(jù)分析。先在現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)并安裝傳感器，包括選點(diǎn)、布設(shè)并調(diào)平傳感器，安裝底座、傳感器，保護(hù)傳輸光纜；再將光纜連接到觀(guān)測(cè)班內(nèi)的光譜儀，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集光譜的功能；軟件調(diào)試后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)分析，得到干涉腔長(zhǎng)，并通過(guò)公式（2）算出傾角；最后對(duì)測(cè)出的傾角進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，軟件具有報(bào)警功能，如果傾角過(guò)大，軟件會(huì)及時(shí)報(bào)警。

圖5 為17號(hào)和6號(hào)壩段的2個(gè)高程在2018年和2019年的傾角數(shù)據(jù)，其中，1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)17號(hào)壩段，3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)6號(hào)壩段；1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)高程為350.00m，2號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)高程為405.00m。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于2018年10月27日至2019年3月25日期間，光纜發(fā)生破壞，而且水電站冬季不適合施工和維修光纜，所以數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年7月29日至10月27日和2019年3月26日至9月22日。

圖5 測(cè)點(diǎn)傾角數(shù)據(jù)變化過(guò)程線(xiàn)

通過(guò)圖5可以看出，高程位于350.00m的1，3號(hào)傳感器測(cè)出的傾角變化量小于高程位于405.00m的2，4號(hào)傳感器，說(shuō)明越靠近壩基，壩體傾角越小，符合壩體變形規(guī)律。此外，通過(guò)圖5（b）可以看出，同一高程情況下，靠近中部的17號(hào)壩段的傾角變化量大于靠近邊緣的6號(hào)壩段。此外，4支傾角儀的最大角度變化量只有200″，最小的僅有25″，而圖5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，即使是25″的角度變化量，傾角儀也可以測(cè)出平滑的曲線(xiàn)，說(shuō)明傾角儀的分辨率要高于秒級(jí)，超過(guò)市面上的常規(guī)傾角儀。使用該傾角傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站微小傾角變化量的高精度自動(dòng)化測(cè)量。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高精度傾角儀在混凝土壩體傾角監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，可以得出：基于法布里-珀羅干涉原理的傾角儀具有極高的精度，可以精準(zhǔn)地測(cè)量到秒數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體傾角的高精度測(cè)量；由于傳感器內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生大變形的零件，是利用彈片的撓度來(lái)高精度測(cè)量?jī)A角，所以可以做到無(wú)零漂；光纖傳感器內(nèi)部沒(méi)有金屬等導(dǎo)體，光纖的材料是玻璃成分，所以不受任何電磁和雷擊的影響，可以確保測(cè)量的安全性和可靠性；用光譜儀采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)诫娔X，通過(guò)程序?qū)庾V進(jìn)行分析，算出傾角數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)全方位、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)，也方便查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)。

綜上所述，該高精度傾角儀在水壩的傾角監(jiān)測(cè)中替代了人工觀(guān)測(cè)，且具有高精度、無(wú)零漂、防止電磁干擾、抗雷擊、自動(dòng)化測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該傳感器可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水壩傾角的實(shí)時(shí)測(cè)量，更好地保證水壩的安全運(yùn)行。