探討分布式傳感光纖在輸水隧洞工程監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

黃曉燕

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

輸水隧洞工程中傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于土層分布不均勻、地質(zhì)條件多變的地下巖土工程而言，存在監(jiān)測(cè)部位結(jié)構(gòu)無(wú)異常，監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量值也無(wú)明顯變化的情況，而相鄰部位卻發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)健康問(wèn)題。因此，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)選取合適的監(jiān)測(cè)斷面尤其重要，有限的測(cè)點(diǎn)難以更有效地反映線性工程結(jié)構(gòu)整體安全狀態(tài)和指導(dǎo)施工。

近年迅速發(fā)展起來(lái)的BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)具有長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)量、耐久性好和系統(tǒng)集成方便等特點(diǎn)，光纖質(zhì)量小，可研制成較小的傳感元件，光纖本身既是傳感元件又是信號(hào)傳輸介質(zhì)[1]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測(cè)。因此，提出在輸水隧洞工程中采用分布式傳感光纖，配合傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前，國(guó)內(nèi)利用BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)在隧洞工程中應(yīng)用較少，大量運(yùn)用于實(shí)際工程中還需進(jìn)一步驗(yàn)證。借助珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞試驗(yàn)，通過(guò)埋設(shè)分布式傳感光纖與傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的物理場(chǎng)分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)兩種類型監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證分布式傳感光纖應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)及可靠性，并對(duì)分布式傳感光纖有效應(yīng)用于輸水隧洞工程中提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)

BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為信息載體、光纖為媒介的新型傳感技術(shù)[2]。工作原理是當(dāng)光波在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生布里淵散射，通過(guò)檢測(cè)光纖中布里淵散射頻移的變化，并利用其頻移變化量隨應(yīng)變呈線性變化的關(guān)系(見(jiàn)公式1)來(lái)感知被測(cè)對(duì)象物理性質(zhì)的變化，利用BOTDA采集設(shè)備測(cè)量散射光頻移實(shí)現(xiàn)物理量和光學(xué)特性之間的轉(zhuǎn)換，沿光纖按照一定的空間分辨率測(cè)量出應(yīng)變或者溫度的分布。

ΔvB=Cvt·Δt+Cvε·Δε

(1)

式中：ΔvB為布里淵頻移量；Cvt為布里淵頻移溫度系數(shù)；Δt為溫度變化量；Cvε為布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)；Δε為應(yīng)變變化量。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 概述

試驗(yàn)段主要是為研究四種結(jié)構(gòu)型式作為壓力輸水隧洞的可行性，在輸水隧洞進(jìn)行模擬內(nèi)水加壓試驗(yàn)，采用高壓橡膠囊體充水模擬輸水隧洞高內(nèi)水壓，將加壓系統(tǒng)安裝在輸水隧洞內(nèi)，內(nèi)壓從0 MPa開始加載至0.65 MPa。通過(guò)埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，在內(nèi)壓空載及逐級(jí)加載情況下，獲取分析隧洞結(jié)構(gòu)物理場(chǎng)的變化規(guī)律，分析結(jié)構(gòu)受力或變形分布情況。選取雙層管片—混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)輸水隧洞變化規(guī)律進(jìn)行探討，隧洞結(jié)構(gòu)型式采用混凝土襯砌管片，管片厚度0.3 m，內(nèi)徑5.4 m，外徑為6 m，襯砌管片之間通過(guò)螺栓連接；管片內(nèi)側(cè)為鋼筋砼內(nèi)襯，鋼筋砼內(nèi)襯厚0.3 m。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在試驗(yàn)區(qū)間選取監(jiān)測(cè)斷面a和b，在監(jiān)測(cè)斷面a管片內(nèi)弧面每隔36°布置1支光纖光柵應(yīng)變片，用于監(jiān)測(cè)管片內(nèi)弧面混凝土環(huán)向應(yīng)變變化分布，采用環(huán)氧樹脂膠把光纖光柵貼片式應(yīng)變計(jì)固定在襯砌管片的內(nèi)弧面。

沿監(jiān)測(cè)斷面a管片內(nèi)弧面上部270°鋪設(shè)分布式傳感光纖(玻璃絲布應(yīng)變感測(cè)光纜)，用于監(jiān)測(cè)管片混凝土應(yīng)變變化分布，采用環(huán)氧樹脂膠全黏貼方式安裝。

沿監(jiān)測(cè)斷面b管片內(nèi)弧面管片接縫(縱縫)各布置1支振弦式測(cè)縫計(jì)，并沿管片內(nèi)弧面上部270°環(huán)向鋪設(shè)分布式傳感光纖(0.5 m定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜)，用于監(jiān)測(cè)管片環(huán)向接縫張開量和收斂變形情況。定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜采用夾具將光纜的定點(diǎn)固定，定點(diǎn)固定間隔為0.5 m，采用鍍鋅U型槽將光纜與內(nèi)襯混凝土隔離。試驗(yàn)段隧洞結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)設(shè)備布置見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面a監(jiān)測(cè)設(shè)備布置圖

圖2 監(jiān)測(cè)斷面b監(jiān)測(cè)設(shè)備布置圖

在監(jiān)測(cè)斷面附近設(shè)置監(jiān)測(cè)站，采用采集設(shè)備對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 分布式傳感光纖與光纖光柵應(yīng)變片測(cè)量對(duì)比

圖中正值表示拉應(yīng)變，負(fù)值表示壓應(yīng)變。從圖3玻璃絲布應(yīng)變感測(cè)光纜測(cè)值隨內(nèi)壓加載過(guò)程變化曲線圖整體變化趨勢(shì)上看，前期加壓過(guò)程中，左右腰部位的管片表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，隨內(nèi)壓加大，管片整體環(huán)向拉應(yīng)變逐漸增大趨勢(shì)，特別是在管片接縫區(qū)域的測(cè)值增大更為明顯，管片混凝土變化趨勢(shì)是向外膨脹受拉。圖4光纖光柵貼片式應(yīng)變計(jì)測(cè)值變化曲線圖看，前期加壓過(guò)程中，左右腰部位的管片主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，隨內(nèi)壓加大，測(cè)值均逐漸增大，管片混凝土變化趨勢(shì)是膨脹受拉。從量值上看，隨著內(nèi)壓加載，管片混凝土應(yīng)變逐漸增大，在只有外載作用下，管片環(huán)周混凝土處于受壓狀態(tài)。內(nèi)壓達(dá)到0.65 MPa時(shí)，管片內(nèi)側(cè)混凝土基本全部進(jìn)入受拉狀態(tài)，管片內(nèi)弧面混凝土拉應(yīng)變?cè)隽糠秶鸀?5.4 με～115.9 με，玻璃絲布應(yīng)變感測(cè)光纜和光纖光柵貼片式應(yīng)變計(jì)的測(cè)值比較接近，最大拉應(yīng)變?cè)隽课挥诠芷珺1塊與B2接縫附近，位于管片F(xiàn)塊區(qū)域的拉應(yīng)變?cè)隽看沃?/p>

圖3 玻璃絲布應(yīng)變感測(cè)光纜應(yīng)變分布圖

圖4 光纖光柵貼片式應(yīng)變計(jì)應(yīng)變分布圖

對(duì)比兩種類型監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)可知，光纖光柵貼片式應(yīng)變計(jì)只能是點(diǎn)式布設(shè)測(cè)量，獲得測(cè)值按測(cè)點(diǎn)控制，安裝工期相對(duì)較長(zhǎng)，容易受外界各類環(huán)境因素(如濕度、溫度或電磁干擾等)影響。玻璃絲布應(yīng)變感測(cè)光纜可進(jìn)行分布式連續(xù)測(cè)量，獲得的測(cè)值曲線相對(duì)平滑，具有測(cè)量點(diǎn)多(最小測(cè)量間距達(dá)10 cm)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝簡(jiǎn)便和防水等優(yōu)勢(shì)，可測(cè)量鋪設(shè)了分布式傳感光纖范圍內(nèi)混凝土的應(yīng)變分布情況。

2.3.2 分布式傳感光纖與振弦式測(cè)縫計(jì)測(cè)量對(duì)比

圖5為振弦式測(cè)縫計(jì)測(cè)值隨內(nèi)壓加載過(guò)程變化曲線圖，正值表示張開，負(fù)值表示閉合。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，管片接縫最大張開量在內(nèi)壓0～0.65 MPa范圍內(nèi)均比較小，隨內(nèi)壓逐步加大，管片環(huán)向測(cè)縫計(jì)測(cè)值呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，即是管片接縫張開量逐漸增大，管片受內(nèi)壓作用后膨脹變形。相同內(nèi)壓作用下，接縫最大張開量較小，管片最大接縫張開量位于拱頂L1-B1接縫處，最小接縫張開量位于拱底L2-B3接縫處，從測(cè)值上看，內(nèi)壓達(dá)到0.65 MPa時(shí)，管片環(huán)向測(cè)縫計(jì)測(cè)值為0.01 mm～0.14 mm，與管片2 mm接縫張開限值相比，還預(yù)留了較大的安全儲(chǔ)備空間，在0～0.65 MPa內(nèi)壓承載范圍內(nèi)，可認(rèn)為對(duì)管片結(jié)構(gòu)接縫張開量的影響較小。

圖5 振弦式測(cè)縫計(jì)變化過(guò)程線

圖6為0.5 m定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜測(cè)值隨內(nèi)壓加載過(guò)程變化曲線圖，正值表示張開，負(fù)值表示壓縮。隨內(nèi)壓加大，光纜呈現(xiàn)為拉應(yīng)變?cè)龃筅厔?shì)，即光纜定點(diǎn)節(jié)段伸長(zhǎng)，表現(xiàn)為管片整體呈膨脹外擴(kuò)變形趨勢(shì)。光纜定點(diǎn)節(jié)段的最大伸長(zhǎng)量位于拱頂管片接縫L1-B1附近部位，最大應(yīng)變量約為+251 με，轉(zhuǎn)化為伸長(zhǎng)量約為+0.13 mm，其余部位光纜定點(diǎn)節(jié)段伸長(zhǎng)量相應(yīng)較小，這與接縫張開量極值位置基本相符合。

圖6 0.5 m定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜應(yīng)變分布圖

該部位的分布式傳感光纖的測(cè)值曲線呈現(xiàn)明顯臺(tái)階狀，而非平滑，這是因?yàn)樯衔奶岬降姆嵌c(diǎn)分布式光纖(玻璃絲布應(yīng)變感測(cè)光纜)測(cè)值為連續(xù)測(cè)值，適用于整體性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量，而定點(diǎn)分布式光纖(0.5 m定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜)測(cè)量定點(diǎn)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)均一化，實(shí)現(xiàn)空間非連續(xù)非均勻應(yīng)變分段測(cè)量[3]，在定點(diǎn)旁邊測(cè)值會(huì)有波動(dòng)，兩個(gè)定點(diǎn)中間區(qū)域測(cè)值較穩(wěn)定，為有效測(cè)值，因此二者測(cè)值曲線展示有所區(qū)別。定點(diǎn)分布式光纖在計(jì)算時(shí)，應(yīng)采取定點(diǎn)中間區(qū)域內(nèi)的有效測(cè)值計(jì)算，該值能真實(shí)反映定點(diǎn)之間的位移值，適用于接縫結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量。

傳感光纜的測(cè)量數(shù)據(jù)可同時(shí)監(jiān)測(cè)收斂變形和接縫變形情況，與傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)值變化趨勢(shì)接近。傳感光纜的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)性能影響較小，而振弦式測(cè)縫計(jì)用于監(jiān)測(cè)管片接縫變形，需要在管片上開槽安裝，這對(duì)結(jié)構(gòu)性能會(huì)產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)成果可知，傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)設(shè)備和分布式傳感光纖隨內(nèi)壓加大測(cè)值變化趨勢(shì)接近，均能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的收斂變形、混凝土應(yīng)變等變化情況，說(shuō)明分布式傳感光纖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是可靠的。在輸水隧洞工程中采用分布式傳感光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)性能影響小，安裝簡(jiǎn)單，可進(jìn)行分布式連續(xù)測(cè)量，獲取更多數(shù)據(jù)輸出，并可實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)健康診斷的全面感知功能等優(yōu)勢(shì)。利用分布式傳感光纖測(cè)量可彌補(bǔ)傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，但是也有不足之處。如果光纖中間某段斷開，存在中間部分的光纖測(cè)量失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在線性輸水隧洞工程中采用分布式傳感光纖配合傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，可確保測(cè)量成果的可靠性，并且是先進(jìn)、可加以推廣的測(cè)量方案。

4 展望

目前光纖應(yīng)變/溫度分析儀主要應(yīng)用于測(cè)量沿光纖分布的應(yīng)變和溫度變化，而光纖本身既是傳感元件又是信號(hào)傳輸介質(zhì)，以輸水隧洞工程為例，在輸水隧洞內(nèi)沿線埋設(shè)通訊光纜并預(yù)留2芯光纖，考慮以后是否可以通過(guò)光纖應(yīng)變/溫度分析儀測(cè)量隧洞沿線的滲漏或振動(dòng)等物理場(chǎng)分布。