光纖應(yīng)變分布傳感的工程實用情況及其在水工領(lǐng)域的應(yīng)用前景

崔何亮，鄭曉紅，王玉潔

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州310014）

1 光纖傳感技術(shù)概述

光纖傳感是一種新型的監(jiān)測技術(shù)，其基本原理是將通常用于通訊的光纖加工為傳感敏感元件，通過探測光纖中反射、散射光信號的變化，獲取應(yīng)變、溫度等物理信息。因此，與傳統(tǒng)的差阻、電阻、振弦等基于電信號的傳感方式不同，光纖傳感可實現(xiàn)多點串聯(lián)甚至全分布式連續(xù)測點，具有長期穩(wěn)定性好、無零漂、不受電磁干擾等優(yōu)點。目前已投入實際工程應(yīng)用的光纖傳感技術(shù)主要有三類，見表1。

2 布里淵光時域分析技術(shù)簡介

表1 三種實用性較強的光纖傳感技術(shù)Table 1:Three kinds of practical fiber optic sensing technology

布里淵光時域反射技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖同時用于傳感與信號傳輸，其基本原理為：短頻率脈沖光進入光纖后，在前進的相反方向產(chǎn)生布里淵背向散射光，其頻率分別與光纖局部的軸向應(yīng)變及溫度變化成線性關(guān)系，即有：

其中：vB（ε，T）為任意時刻（產(chǎn)生應(yīng)變與溫差時）光纖布里淵背向散射光頻率；vB（ε0，T0）為初始狀態(tài)下光纖布里淵背向散射光頻率，ε為光纖局部產(chǎn)生的應(yīng)變；T為溫度；C1、C2分別為傳感光纖的應(yīng)變系數(shù)與溫度系數(shù)。從上式可以看出，光纖軸向應(yīng)變與溫度與其布里淵光頻率耦合相關(guān)，因此如果需要解耦，最直接的方法就是對其中一個分量進行補償，通常的方法是用纖芯自由的溫度測量光纖進行溫度補償，從而得到各位置實際的應(yīng)變變化量。

布里淵光時域類解調(diào)儀器主要有以下兩類：BOTDR系列和BOTDA系列。

BOTDR系列：日本橫河公司是最早實現(xiàn)該技術(shù)商品化的公司，其AQ8603型號產(chǎn)品知名度較高，但目前已停產(chǎn)；在該產(chǎn)品基礎(chǔ)上，愛德萬公司(Ad?vantest)和NTT合作，生產(chǎn)了N8510、N8511等產(chǎn)品，在穩(wěn)定性和速度方面較AQ8603略有提升。

BOTDA系列：日本Neubrex公司研發(fā)的NBX-6050在空間分辨率、測量速度和精度方面則具有領(lǐng)先優(yōu)勢；加拿大OZoptics公司的DSTS-C小型化設(shè)備最大尺寸僅38 cm，且?guī)в?個通道，適用于現(xiàn)場工作；瑞士Omnisens產(chǎn)品價格較低，但各方面性能指標(biāo)較低，控制和軟件的工程實用性不足。

BOTDA技術(shù)探測的是光纖中的受激布里淵散射光，因此需要將光纖首尾兩端與解調(diào)儀連接，一端注入脈沖光并接受散射光，另一端則注入連續(xù)探測光。與BOTDR相比，BOTDA的光功率更強，可以實現(xiàn)更高的精度和空間分辨率。但BOTDA必須形成回路，一旦斷線則無法獲取數(shù)據(jù)，從工程風(fēng)險回避角度，BOTDR有一定的優(yōu)勢。

基于布里淵光散射的分布式光纖應(yīng)變（或溫度）監(jiān)測技術(shù)具有如下主要優(yōu)點：

（1）分布式：可以準(zhǔn)確測出光纖沿線任一點上的應(yīng)力、溫度等信息，克服傳統(tǒng)點式監(jiān)測漏檢的弊端，提高監(jiān)測成功率。

（2）長距離：光纖既作為傳感體又作為傳輸體就可以實現(xiàn)長距離、全方位監(jiān)測和實時連續(xù)控測。

（3）耐久性：傳統(tǒng)的工程監(jiān)測一般采用差阻式、鋼弦式、應(yīng)變片等電測儀器，易受環(huán)境影響失效，不能適應(yīng)一些大型工程長期監(jiān)測的需要。光纖的主要材料是石英玻璃，與金屬相比具有更大的耐久性。

（4）穩(wěn)定性：采集的是光纖的物理特性，只要線路通暢，即可保證良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，不存在零漂和松弛等時效變化。

（5）抗干擾：光纖是非金屬、絕緣材料，避免了電磁、雷電等干擾。

（6）輕細柔韌：光纖的這一特性，使它在埋入混凝土的過程中應(yīng)變協(xié)調(diào)性好，避免了匹配的問題，安裝埋設(shè)也比較方便。

傳統(tǒng)點式傳感器僅能在極個別的“預(yù)測的危險部位”布點，絕大部分范圍無法被監(jiān)控。與之相比，分布式光纖傳感的優(yōu)勢十分明顯，利用一維連續(xù)敷設(shè)的傳感光纖，一次測量即可獲取沿線各點的應(yīng)變或溫度分布，真正實現(xiàn)從預(yù)判風(fēng)險位置到實際發(fā)現(xiàn)危險的突破，這對于大型工程運行期的安全狀態(tài)評估尤其關(guān)鍵。

但是，與普通傳感儀器相比，分布式光纖傳感由于發(fā)展歷史較短，仍然存在一些弱點：參考案例少，施工工藝要求高，解調(diào)儀器價格偏高，監(jiān)測精度較應(yīng)變片低一個數(shù)量級（＞10 με），海量數(shù)據(jù)分析較復(fù)雜等。

鑒于以上特點，分布式光纖傳感，作為監(jiān)測的一個新方向，被認(rèn)為有很大的發(fā)展空間，與傳統(tǒng)點式傳感器可優(yōu)勢互補。

3 光纖應(yīng)變分布傳感的工程實用情況

BOTDA/R技術(shù)在上世紀(jì)90年代末期逐漸成熟，日本Ando、瑞士Omnisens等公司陸續(xù)實現(xiàn)了儀器商品化，測量精度50 με左右，空間分辨率最高至1 m。

以第一代BOTDA/R儀器為工具，分布式應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)最先應(yīng)用到了土木工程中，相關(guān)案例參見表2。這些早期的工程，主要有三個特點：（1）主要用于大范圍變形的監(jiān)控，對精度要求不高；（2）受空間分辨率限制，常以定點埋設(shè)方式構(gòu)成連續(xù)式位移計；（3）使用通信光纜作為傳感器。

2005年前后，BOTDA的脈沖光技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)得到了發(fā)展，空間分辨率進步到0.5 m甚至0.1 m，重復(fù)性精度提高至10 με左右，測量速度也加快了數(shù)十倍，拓寬了這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，相關(guān)案例參見表3。解調(diào)儀器的進步，伴隨傳感光纜、敷設(shè)工藝、數(shù)據(jù)解析等技術(shù)的發(fā)展，最近幾年在國外，主要是日本，分布式光纖傳感開始向精細化和準(zhǔn)確化方向發(fā)展。相比早期的工程，其特點是：（1）能夠?qū)Y(jié)構(gòu)體局部變形、裂縫進行定量化測量；（2）空間分辨率提高，光纜埋設(shè)以全面粘貼為主；（3）使用專門研制的傳感光纜，提高了光纖存活率和感應(yīng)度；（4）單次測量時間由以往的數(shù)十分鐘提高至數(shù)秒。

第二代BOTDA技術(shù)在中國國內(nèi)尚未見大型工程應(yīng)用報道。

未來數(shù)年，BOTDA技術(shù)的發(fā)展方向是將布里淵散射光與瑞利散射光結(jié)合，對兩者的光頻率漂移進行綜合分析（瑞利散射頻譜更加復(fù)雜），從而用一根光纖實現(xiàn)溫度和應(yīng)變兩個物理量的分離。同時，由于瑞利散射頻移敏感度千倍高于布里淵散射，因此新技術(shù)的測量精度將達到甚至超過普通的點式傳感器。此外，在擴大測量長度、中繼站產(chǎn)品、解調(diào)儀的小型和模塊化等發(fā)面，各廠家也正在研制新產(chǎn)品以適應(yīng)市場需求。

4 光纖應(yīng)變分布傳感器在水工領(lǐng)域的應(yīng)用前景

4.1 引水隧洞襯砌監(jiān)測

引水隧洞通常距離長、承受內(nèi)外水壓力，不良地質(zhì)條件對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的長期影響倍受關(guān)注。建立襯砌應(yīng)變分布光纖監(jiān)測系統(tǒng)，通過對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變狀況及其發(fā)展過程的監(jiān)測和分析，可為運營期的結(jié)構(gòu)狀況評估和事故預(yù)警提供大量監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

傳感光纖敷設(shè)有埋入式和表面粘貼兩種方式，各有優(yōu)點，可根據(jù)襯砌施工實際進度選用。在有條件的情況下，建議同時采用，有利于對比分析，并確保數(shù)據(jù)完整性。對埋入式敷設(shè)，可將傳感光纖沿鋼筋走線，但并不使用粘結(jié)劑和鋼筋結(jié)合，傳感光纖將主要反映混凝土的應(yīng)變變化。在彈性階段，光纖、混凝土和鋼筋的變形協(xié)調(diào)，光纖應(yīng)變測值亦可用于計算鋼筋應(yīng)力；出現(xiàn)裂縫、大撓度變形等特殊情況后，光纖受混凝土握裹，仍與混凝土變形同步，但由于光纖護套材料的傳遞損失，應(yīng)力集中區(qū)的光纖應(yīng)變梯度將略小于混凝土實際情況，應(yīng)變分布范圍增大，因此仍可通過積分等方法反推裂縫寬度等混凝土工作狀態(tài)。

表2 第一代BOTDA/R的工程應(yīng)用代表性案例Table 2:Engineering application examples of the first-generation BOTDA/R

表3 第二代BOTDA的工程應(yīng)用代表性案例Table 3:Engineering application examples of the second-generation of BOTDA

傳感光纖敷設(shè)方案和成果預(yù)測見圖1。在隧洞頂拱、左右邊拱位置，傳感光纖沿隧洞軸向埋設(shè)于襯砌內(nèi)。進入運行期后，沿隧洞軸向，各位置應(yīng)變應(yīng)基本保持一致；但在某些部位，受圍巖壓力、內(nèi)外水壓力等因素影響，混凝土襯砌可能發(fā)生裂縫、內(nèi)凸變形。裂縫發(fā)生時，裂縫對應(yīng)部位埋設(shè)的傳感光纖將受拉，應(yīng)變分布圖上會明顯產(chǎn)生一個或多個尖峰；通常情況下，裂縫可能不止一條，沿距離對應(yīng)變進行積分計算，可推求一段范圍內(nèi)（比如0.5 m）的裂縫總寬度，對襯砌運行工況進行評價。圍巖局部變形過大使襯砌表面嚴(yán)重?fù)锨冃位蛐》秶鷦兟鋾r，在應(yīng)變分布圖上可能產(chǎn)生數(shù)米的拉應(yīng)變分布區(qū)，結(jié)合配套的試驗研究、理論分析，可進一步分析襯砌變形的空間形態(tài)和發(fā)展過程。

4.2 蝸殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測

蝸殼在沖水保壓及后期運行中，內(nèi)壓變化及受力復(fù)雜，對蝸殼鋼襯及外包混凝土進行應(yīng)變分布監(jiān)測有利于進一步監(jiān)控結(jié)構(gòu)體的運行工況，分析承載比，對其安全狀態(tài)進行有效評估。

蝸殼鋼襯和混凝土應(yīng)變監(jiān)測的試驗方案見圖2。傳感光纜有兩種基本布設(shè)方式：（1）蝸殼外圈水平斷面的軸向應(yīng)變監(jiān)測；（2）蝸殼管道環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測，部分區(qū)段可能采用螺線狀布設(shè)。

圖2 蝸殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布監(jiān)測方案Fig.2 Scheme for strain monitoring of the spiral case

原則上，在鋼襯和外包混凝土對應(yīng)位置，按同圓心的路徑布置傳感光纜，以便于后期數(shù)據(jù)對比。其中，蝸殼鋼襯的應(yīng)變監(jiān)測光纜敷設(shè)在鋼襯外表面，粘結(jié)材料采用環(huán)氧樹脂；混凝土應(yīng)變監(jiān)測光纜用環(huán)氧砂漿與鋼筋粘結(jié)或沿鋼筋綁扎，利用混凝土的握裹力傳遞應(yīng)變，綜合反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況以及裂縫的監(jiān)測。

4.3 其它水工結(jié)構(gòu)

光纖應(yīng)變分布傳感技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，可彌補傳統(tǒng)傳感儀器的不足，因此在諸多水工結(jié)構(gòu)中都具有應(yīng)用潛力，比如：（1）壩體內(nèi)部的裂縫監(jiān)測；（2）大型調(diào)壓井的豎井下部、底板、分流墩、升管隔墻等的應(yīng)變和裂縫監(jiān)測；（3）廠房行車梁的應(yīng)力監(jiān)測；（4）壓力鋼管的變形監(jiān)測；（5）地下洞室的巖體深部變形監(jiān)測等。

5 結(jié)語

基于BOTDA/R的光纖應(yīng)變分布傳感技術(shù)已應(yīng)用于國內(nèi)外隧道、橋梁、工廠設(shè)備等工程的監(jiān)測中，基本性能已得到驗證，而近幾年新一代高性能產(chǎn)品的誕生更拓寬了這一技術(shù)的應(yīng)用方向，逐漸由整體的定性監(jiān)測向結(jié)構(gòu)體局部變形、裂縫等缺陷的定量化測量發(fā)展。經(jīng)過十年來的探索，BOTDA/R技術(shù)正在為工程界所熟悉和認(rèn)可，分布式光纖傳感的優(yōu)勢逐漸得到發(fā)揮。工程應(yīng)用的增加也勢必促進儀器性能的優(yōu)化和低價化，以及施工工藝、監(jiān)測系統(tǒng)等成套技術(shù)的成熟。

水工建筑物的分布式應(yīng)變監(jiān)測尚未見報道，具有較高的科研價值，同時也具有向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的潛力和可行性。為確保新技術(shù)的成功應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)重視試驗研究，在進入工程現(xiàn)場前做好充分的準(zhǔn)備，在小范圍內(nèi)對傳感光纜的埋設(shè)工藝和施工組織進行演練，熟悉儀器操作，并配合實驗室試驗，對傳感光纜的選型、埋設(shè)工藝和施工流程進行指導(dǎo)，積累數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗?！?/p>

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