光纖光柵傳感技術(shù)在洞室圍巖變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

(1.長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430100； 2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 620500)

光纖光柵傳感技術(shù)是20世紀(jì)末期光電行業(yè)最重要的發(fā)明之一，具有抗電磁干擾、防水性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高、便于組網(wǎng)、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[1]，為洞室圍巖變形(應(yīng)變)監(jiān)測(cè)提供了可行的途徑。近年來光纖光柵傳感技術(shù)得到了迅速發(fā)展，傳感器種類不斷增多，靈敏度不斷提高，解調(diào)技術(shù)不斷發(fā)展，如2008年李闊研制的一種適用于高溫環(huán)境下的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器[2]，2008年Zhang Yang設(shè)計(jì)出基于梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵激光器位移傳感器等[3]，李闖、張俊杰、周克明等在光纖光柵傳感器機(jī)理、設(shè)計(jì)、誤差分析及應(yīng)用等方面也做了大量研究[4-6]。目前普通的光纖光柵溫度傳感器、應(yīng)變傳感器和位移傳感器已經(jīng)市場(chǎng)化，國(guó)內(nèi)的武漢理工光科、上海波匯科技、北京品傲、北京基康科技，國(guó)外的美國(guó)MOI、SmartFiber、SmartTech、加拿大FISO等企業(yè)主要從事光纖光柵傳感器的生產(chǎn)和應(yīng)用研究，其中理工光科的光纖光柵智能橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)較為成功。

洞室開挖后將引起一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力重新分布和局部地層殘余應(yīng)力的釋放，在應(yīng)力重新分布的作用下，一定范圍內(nèi)的圍巖會(huì)產(chǎn)生位移而形成松弛區(qū)，進(jìn)而引起塌方、片幫、巖爆等[7]。松弛區(qū)的形成過程與開挖方式及支護(hù)方式有關(guān)，只有掌握洞室圍巖松弛區(qū)形成的過程、范圍、規(guī)律及其影響因素，才可以更好地指導(dǎo)施工、反饋設(shè)計(jì)，確保施工安全，為圍巖應(yīng)力和力學(xué)參數(shù)的反演分析提供可靠的信息和依據(jù)[8-10]。

目前，常用監(jiān)測(cè)洞室圍巖變形(應(yīng)變)的儀器有單點(diǎn)(多點(diǎn))變位計(jì)、滑動(dòng)測(cè)微計(jì)、收斂計(jì)等。單點(diǎn)(多點(diǎn))變位計(jì)埋設(shè)簡(jiǎn)單、受環(huán)境影響小，已在洞室工程中得到廣泛應(yīng)用，但變位計(jì)測(cè)值為離散的測(cè)點(diǎn)，不能反映圍巖空間上連續(xù)的變形(應(yīng)變)情況；后面幾種儀器精度高，但成本高、觀測(cè)不便(儀器笨重，觀測(cè)時(shí)需要的人多)且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，應(yīng)用較少。由于光纖光柵傳感器普遍采用不銹鋼、硬質(zhì)鋁等金屬材料封裝，傳感器易受周圍環(huán)境影響，將其長(zhǎng)期用于惡劣環(huán)境下有一定難度，所以光纖光柵傳感器應(yīng)用于洞室圍巖變形(應(yīng)變)監(jiān)測(cè)也相對(duì)較少[11-13]。本文對(duì)白鶴灘水電站主廠房洞室開挖過程中的圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，在相鄰部位同步埋設(shè)多點(diǎn)變位計(jì)、光纖光柵位移計(jì)和光纖光柵應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)圍巖變形規(guī)律，通過監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析和一致性分析，對(duì)光纖光柵傳感器洞室圍巖變形(應(yīng)變)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；并針對(duì)有效測(cè)點(diǎn)判斷、測(cè)值突變數(shù)據(jù)處理等提出了新方法。

1 光纖光柵傳感器圍巖變形監(jiān)測(cè)原理

光纖光柵傳感器是以光纖光柵為基礎(chǔ)，利用光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行量測(cè)的傳感器。光纖光柵就是一小段芯區(qū)折射率周期性調(diào)制的光纖[14]，當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的應(yīng)變、溫度等物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的柵格周期和有效折射率發(fā)生變化，從而引起反射光的中心波長(zhǎng)漂移，通過測(cè)量被測(cè)物理量變化前后光柵中心波長(zhǎng)的變化量，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量的測(cè)量[15](見圖1)。

光柵應(yīng)變計(jì)觀測(cè)值為應(yīng)變光柵當(dāng)前波長(zhǎng)值λ1和溫補(bǔ)光柵當(dāng)前波長(zhǎng)值λt1，圍巖由于溫度和荷載變化引起的總應(yīng)變計(jì)算公式如下：

εt=K(λt-λ0)+B(λt1-λt0)

(1)

式中，εt為t時(shí)刻的總應(yīng)變，με；K為應(yīng)變計(jì)應(yīng)變系數(shù)，με/nm；B為應(yīng)變計(jì)溫度修正系數(shù)，με/nm；λt為應(yīng)變光柵t時(shí)刻的波長(zhǎng)值，nm；λ0為應(yīng)變光柵初始的波長(zhǎng)值，nm；λt1為溫補(bǔ)光柵t時(shí)刻的波長(zhǎng)值，nm；λt0為溫補(bǔ)光柵初始的波長(zhǎng)值，nm。通過不同時(shí)刻的觀測(cè)值可求得各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化值。

光柵位移計(jì)觀測(cè)值為當(dāng)前光柵的波長(zhǎng)λ1、λ2，當(dāng)圍巖產(chǎn)生拉伸變形時(shí)，λ1增大、λ2減小。位移計(jì)算公式如下：

L=A[(λ1-λ2)-(λ10-λ20)]2+

B[(λ1-λ2)-(λ10-λ20)]+C

(2)

式中,A,B,C為二次多項(xiàng)式系數(shù)，已知值；L為測(cè)點(diǎn)位移，mm；λ1，λ2為當(dāng)前光柵的波長(zhǎng)，mm；λ10,λ20為初始光柵的參考波長(zhǎng)值，mm。通過不同時(shí)刻的觀測(cè)值可求得各測(cè)點(diǎn)的位移變化值。

2 工程概況及儀器布置

白鶴灘水電站位于西南山區(qū)，采用地下廠房布置，地下廠房、引水系統(tǒng)、尾調(diào)室、尾水系統(tǒng)均位于山體內(nèi)，水平最大埋深約800 m，垂直最大埋深約540 m，形成了大規(guī)模地下洞室群。洞室?guī)r層為單斜巖層，地層主要為P2β34～P2β61層隱晶質(zhì)玄武巖 、斑狀玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、凝灰?guī)r等，另外層間錯(cuò)動(dòng)帶C5、C4、C3和陡傾角裂隙RS411發(fā)育，爆破開挖中易產(chǎn)生一定程度的塑性變形和剪切變形。為監(jiān)測(cè)洞室圍巖爆破開挖過程中的變形，爆破開挖前在廠頂錨固觀測(cè)洞預(yù)埋了多點(diǎn)變位計(jì)。為研究光纖光柵傳感器在圍巖監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，選取0+229斷面在原布設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)附近埋設(shè)了光柵位移計(jì)、光柵應(yīng)變計(jì)同步觀測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器布置見圖2。

圖2 0+229斷面光纖光柵監(jiān)測(cè)儀器布置Fig.2 Layout of FBG sensors at 0+229 section

光柵應(yīng)變計(jì)和光柵位移計(jì)采用串接形式安裝，孔內(nèi)每6支傳感器串接成一組，剩余不足6支傳感器也串接為一組。將串接好后的傳感器按安裝部位綁扎在護(hù)管上送入孔內(nèi)，將每組傳感器2個(gè)鏈路端頭從孔口引出，安裝埋設(shè)方法見圖3。

圖3 光纖光柵應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)安裝示意Fig.3 Installation of FBG strain and displacement measurement

3 數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)成果

通過對(duì)多點(diǎn)變位計(jì)、光纖光柵位移計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)連續(xù)觀測(cè)18個(gè)月(2014年11月3日至2016年4月20日)，可得到如下變形規(guī)律。

3.1 多點(diǎn)變位計(jì)

上游拱腳和拱頂多點(diǎn)變位計(jì)Myc0+228-1、Myc0+228-2測(cè)得圍巖變形均呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大增長(zhǎng)8.19 mm，期間主廠房進(jìn)行了從第Ⅰ層至第Ⅲ層(高程611.4～595.9 m)的爆破開挖，圍巖的淺表層出現(xiàn)卸荷變形，位移大小與巖面距(測(cè)點(diǎn)距開挖面距離)有關(guān)，測(cè)點(diǎn)距離開挖面越近，圍巖變形越大，反之越小，位移分布見圖4。

圖4 巖面距-位移變化曲線Fig.4 Variation of displacement with the distance from measuring point to excavtion surface at different displacement points

3.2 光纖光柵位移計(jì)

3.2.1測(cè)點(diǎn)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

上游拱腳和拱頂光纖光柵位移計(jì)DSyc0+229-1～20、DSyc0+229-21～40部分測(cè)點(diǎn)在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為測(cè)值突變，導(dǎo)致測(cè)值與圍巖變形不一致，如DSyc0+229-2測(cè)點(diǎn)于2015年5月8日測(cè)得位移為4.31 mm，而2015年5月11日復(fù)測(cè)時(shí)測(cè)得位移為-3.88 mm，且異常點(diǎn)數(shù)隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)增多。分析現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和光纖光柵位移計(jì)結(jié)構(gòu)原理可知，測(cè)值異常主要受現(xiàn)場(chǎng)施工爆破振動(dòng)影響，粘接在光纖上的光柵發(fā)生脫落，導(dǎo)致測(cè)值異常。根據(jù)光纖光柵位移計(jì)精度(±0.125 mm)和圍巖變形先驗(yàn)信息，對(duì)DSyc0+229-1～20、DSyc0+229-21～40測(cè)點(diǎn)位移分類統(tǒng)計(jì)見表1。

3.2.2有效測(cè)點(diǎn)判斷和統(tǒng)計(jì)

為便于后續(xù)成果整理和分析，首先得剔除異常測(cè)點(diǎn)，根據(jù)光纖光柵位移計(jì)結(jié)構(gòu)原理和儀器精度，本文提出了兩種方法進(jìn)行有效測(cè)點(diǎn)判斷：① 原始測(cè)值λ1、λ2趨勢(shì)判別法，當(dāng)圍巖產(chǎn)生拉伸變形時(shí)，對(duì)應(yīng)的光柵波長(zhǎng)λ1會(huì)增大、λ2減小，且λ1和λ2呈線性變化，如圖5所示。受爆破施工振動(dòng)影響，成果異常的測(cè)點(diǎn)λ1和λ2測(cè)值出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而變化趨勢(shì)與正常測(cè)點(diǎn)不一致，當(dāng)測(cè)點(diǎn)的λ1和λ2變化趨勢(shì)異常時(shí)，可以判定該測(cè)點(diǎn)為無效測(cè)點(diǎn)。② 平均位移統(tǒng)計(jì)法，按照“測(cè)點(diǎn)前后5次平均測(cè)值差異小于-0.2 mm作為無效測(cè)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)作為有效測(cè)點(diǎn)”的原則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著時(shí)間推移，有效測(cè)點(diǎn)數(shù)逐漸減少。

表1 光纖光柵位移計(jì)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 The operation situation of FBG displacement meters

圖5 光纖光柵位移計(jì)測(cè)值λ1,λ2變化規(guī)律Fig.5 Variation of λ1,λ2 in FBG displacement meters

圖6 光纖光柵位移計(jì)有效測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Effective points of FBG displacement meters

3.2.3數(shù)據(jù)處理與成果對(duì)比分析

光纖光柵位移計(jì)按孔埋設(shè)，每個(gè)孔能實(shí)測(cè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)的圍巖位移，根據(jù)上述有效測(cè)點(diǎn)判別方法將異常值剔除，并按照距離加權(quán)內(nèi)插的方式進(jìn)行內(nèi)插，確保監(jiān)測(cè)成果的連續(xù)性；相鄰部位埋設(shè)的多點(diǎn)變位計(jì)能實(shí)測(cè)距離開挖面1.5，3.5，6.5，11.0，17.0 m的圍巖變形，為將光纖光柵位移計(jì)的監(jiān)測(cè)成果與多點(diǎn)變位計(jì)實(shí)測(cè)變形進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證其應(yīng)用效果，同樣按照距離加權(quán)內(nèi)插[16]的方式進(jìn)行內(nèi)插，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移。

經(jīng)計(jì)算，得到1.5～3.5，3.5～6.5，6.5～11.0，11.0～15.5 m區(qū)間段和1.5 m處測(cè)點(diǎn)位移，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，光纖光柵測(cè)得圍巖變形變化趨勢(shì)和分布規(guī)律與多點(diǎn)變位計(jì)一致，計(jì)算上游拱腳和拱頂?shù)墓饫w光柵位移計(jì)和多點(diǎn)變位計(jì)各測(cè)點(diǎn)位移線性相關(guān)系數(shù)ρ[17]分別為0.92和0.94，一致性較好。

表2 光纖光柵位移計(jì)與多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)得圍巖變形成果Tab.2 Surrounding rock deformation by FBG and multi-points displacement meters mm

圖7 FBG應(yīng)變計(jì)微應(yīng)變-深度曲線Fig.7 Curves of micrco strain at different depths by FBG stain meters

圖8 不同傳感器微應(yīng)變-深度曲線對(duì)比Fig.8 Curves of micrcostrain at different depths by different sensors

3.3 光纖光柵應(yīng)變計(jì)

光纖光柵應(yīng)變計(jì)測(cè)得圍巖應(yīng)變?cè)?43.94～896.85 με(孔深14.0 m)之間(見圖7)，將光纖光柵位移計(jì)和多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)位移利用位移與標(biāo)距之間的關(guān)系計(jì)算各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變，分別為-85.04～5 387.19 με(孔深3.0 m)、34.29～2 290.00 με(孔深1.5～3.5 m)(見圖8)。受爆破開挖影響，各測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，從各測(cè)點(diǎn)分布來看，圍巖應(yīng)變分布基本一致，量級(jí)有差異。

4 結(jié)論與展望

光纖光柵傳感器在洞室圍巖監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較少，綜合光纖光柵位移計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)和多點(diǎn)變位計(jì)的同步監(jiān)測(cè)成果分析，得到以下3點(diǎn)結(jié)論。

(1) 光纖光柵傳感器能較好地反映洞室圍巖在空間上和時(shí)間上變形(應(yīng)變)變化規(guī)律：洞室開挖后，洞室周圍的原始應(yīng)力場(chǎng)改變，應(yīng)力重新調(diào)整而導(dǎo)致圍巖應(yīng)變變化，圍巖內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力變化主要分布在距離開挖面較近(約3 m)的范圍內(nèi)，且具有自洞壁向圍巖深部逐漸變小的趨勢(shì)，并隨著支護(hù)跟進(jìn)和時(shí)間的增加，變形逐漸趨穩(wěn)定。

(2) 針對(duì)光纖光柵位移計(jì)異常測(cè)點(diǎn)，本文提出的有效測(cè)點(diǎn)判別方法和異常測(cè)點(diǎn)內(nèi)插法提高了監(jiān)測(cè)成果的可靠性，確保了各測(cè)點(diǎn)的成果連續(xù)性。經(jīng)處理，光纖光柵位移計(jì)測(cè)得洞室圍巖位移與相鄰部位的多點(diǎn)變位計(jì)的監(jiān)測(cè)成果一致，一致性系數(shù)分別為0.92和0.94。

(3) 光纖光柵位移計(jì)易受現(xiàn)場(chǎng)施工振動(dòng)等的影響，部分測(cè)點(diǎn)正常運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)測(cè)值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，有效測(cè)點(diǎn)數(shù)隨著時(shí)間的推移逐漸減少。儀器埋設(shè)后的1星期內(nèi)均能正常運(yùn)行， 1,3,6,11個(gè)月和18個(gè)月的有效測(cè)點(diǎn)占總數(shù)的百分比分別為：82.5%，67.5%，52.5%，37.5%，35.0%。

光纖光柵傳感器在長(zhǎng)距離洞室(如輸水隧洞)圍巖變形(應(yīng)變)連續(xù)監(jiān)測(cè)中較傳統(tǒng)弦式、差阻式儀器具有明顯優(yōu)勢(shì)，安裝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有廣泛的應(yīng)用前景。為切實(shí)提高光纖光柵傳感器在洞室圍巖變形(應(yīng)變)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可靠性和耐久性，需進(jìn)一步加強(qiáng)光柵焊接技術(shù)研究。