光纖光柵傳感監(jiān)測在拱壩地質力學模型試驗中的應用

楊庚鑫，張 林，朱鴻鵠，陳 媛，胡成秋

(1.四川大學 a.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室;b.水利水電學院，成都 610065;2.香港理工大學 土木及結構工程學系，香港)

1 研究背景

光纖光柵是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型全光纖無源器件，光纖光柵傳感器是用光纖光柵制成的一種新型光纖傳感器，可測量的物理量包括位移、應變、應力和溫度等［1］。由于其具有波長解碼、體積小、易構成分布式結構、靈敏度高、耐腐蝕抗電磁干擾強等特點，光纖光柵傳感器已經成為一種重要的參量檢測手段。因此，近年來隨著光纖光柵傳感技術的逐漸成熟，其在工程監(jiān)測領域得到了廣泛的應用，中國科學院力學研究所的李世海［2］以及清華大學水利水電工程系的李仲奎［3］等人分別利用光纖光柵傳感器對抗滑樁模型試驗以及地下結構三維地質力學模型試驗進行了初步研究。而大型水利水電工程的興建，需要通過水工地質力學模型研究成果作為重要的設計依據，但對于光纖光柵傳感器應用在水工地質力學模型試驗中的研究卻少有報道。

水工地質力學模型是按照一定的相似原理對工程進行縮尺研究的一種試驗方法，能夠較準確地反映出地質構造與工程結構的空間關系，模擬巖體、上部結構的破壞全過程，得到地基的極限承載能力，通過分析破壞機理，得出模型的綜合穩(wěn)定安全度，作出工程的安全性評價［4－6］。近年來，本課題組采用超載和強降相結合的綜合法試驗，先后應用于錦屏一級拱壩［7］、溪洛渡拱壩［8］、小灣拱壩［9］、白鶴灘拱壩以及大崗山拱壩［10］等地質力學模型試驗，取得了比較滿意的試驗成果。

在水工地質力學模型試驗中，通常采用表面位移計、電阻應變片和內部位移計等監(jiān)測儀器對壩體下游壩面的應變和位移，以及兩岸壩肩抗力體和軟弱結構面的變位進行監(jiān)測。而由于壩體上游壩面布置有傳壓和加壓系統，受空間限制，對上游壩面的應變監(jiān)測和開裂過程的了解有一定的難度，然而，上游壩面的應變分布及變化情況又是判定壩與地基整體穩(wěn)定和壩體初裂荷載及部位的重要依據，所以，在確保上游壩面?zhèn)鲏杭凹訅合到y穩(wěn)定和準確的基礎上，如何監(jiān)測拱壩上游壩面的應變分布及變化情況是試驗中需要解決的問題。本文將光纖光柵量測技術與水工地質力學模型相結合，以立洲三維地質力學模型為基礎，利用光纖光柵波長解碼、體積小、易構成分布式結構、靈敏度高等特點，對上游壩面進行光纖網絡布置，充分發(fā)揮光纖光柵傳感器的優(yōu)點，為解決上游壩面的應變監(jiān)測問題開辟新的途徑。

2 光纖光柵工作原理

光纖光柵的工作原理:在外場量作用下，光纖芯區(qū)折射率的擾動會對一小段光譜產生反射，當光波在光柵中傳輸時，相應頻率的入射光被反射回來，其余頻率的入射光譜則不受影響。一般光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過調整芯層，使其折射率n1比包層折射率n2大，從而形成波導。光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調制后，即成為光纖布拉格光柵(簡稱光纖光柵)。光纖光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光，其工作原理如圖1所示。

圖1 光纖光柵工作原理圖Fig.1 Working principle of FBG

當入射光進入光纖時，光纖光柵會反射特定波長的光，該波長滿足以下的特定條件:

式中:λB是反射光的中心波長，一般為1 510～1 590 nm(1 nm=10－9m);neff是光纖的有效折射率;Λ是光纖光柵周期(折射率調制的空間周期)。

對(1)式兩邊微分得

將式(2)兩端分別除以式(1)得

式中ΔλB是中心波長的變化量。

當光柵周期的應變發(fā)生變化時，將導致光柵柵距周期及纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵中心波長發(fā)生移動，通過檢測波長移動的情況，如圖2所示，即可以獲得待測應變的變化情況［11］。

圖2 光纖光柵應變傳感機理Fig.2 Working principle of strain sensing by FBG

3 系統組成及試驗方案

3.1 模型材料系統組成

立洲拱壩三維地質力學模型超載法試驗綜合考慮了壩址區(qū)河谷的地形特點、壩基及壩肩主要地質構造特性、拱壩樞紐布置特點及試驗任務要求等多種因素，確定模型幾何比 CL=150，模型尺寸為2.6 m ×2.8 m ×2 m(縱向 × 橫向 × 高度)，相當于原型工程390 m×420 m×300 m范圍。本次試驗重點模擬壩體及對壩肩穩(wěn)定起控制作用的主要斷層、層間剪切帶、長大裂隙以及卸荷裂隙。

原型壩體混凝土為三級配C9025碾壓混凝土，重度為 γp=24 kN/m3，變形模量 Ep=24 GPa，根據相似關系Cγ=1，CE=CL=150，可得模型壩體材料的重度為γm=24 kN/m3，Em=160 MPa。根據壩體模型材料試驗結果，立洲拱壩及墊座采用重晶石粉為加重料，少量石膏粉為膠結劑，水為稀釋劑，并摻適量的添加劑，按模型材料的力學指標選定配合比，滿足物理力學相似要求，最后整體澆制而成。

各類巖體均以重晶石粉為加重料，高標號機油為膠結劑，可熔性的高分子材料作為摻合料，根據該工程涉及的巖類，分別摻入一定量的添加劑等，按不同配合比制成混合料，再用Y32－50型四柱式壓力機壓制成不同尺寸的塊體。需要針對各類材料力學指標要求，作好材料試驗研究［12］。

壩肩(壩基)中的斷層、層間剪切帶、裂隙等是影響立洲拱壩與地基變形和整體穩(wěn)定的主要控制性因素，其模型材料主要依據結構面的抗剪斷強度的相似關系進行選配。通過大量的材料試驗研究，以重晶石粉、機油及高分子材料為主，按所要求的力學指標配制出相應的軟料，再選用不同材料的薄膜配合使用，來實現對結構面抗剪斷強度的相似模擬［13］。各巖體及軟弱結構面模型力學參數見表1、表2。

表1 模型巖體材料主要力學參數表Table 1 Mechanical parameters of rock mass of the model

表2 模型結構面主要力學參數Table 2 Mechanical parameters of structure planes of the model

3.2 模型量測系統組成

地質力學模型試驗屬于非線性破壞試驗，它所使用的材料為高重度、低變模及低強度材料，因此模型量測主要進行變形量測，即包括壩肩及抗力體和壩體下游面典型高程的表面變形量測。針對立洲拱壩壩肩、壩基及抗力體的地質構造特征，左右壩肩內存在斷層、長大裂隙、層間剪切帶等軟弱結構面，它們是影響壩肩穩(wěn)定的主要控制因素。因此，還應重點監(jiān)測這些結構面的相對變位。此外，在拱壩下游面典型高程的拱冠及拱端布置一些應變測點，進行壩體應變量測，以此作為判斷安全度的依據之一。

綜上所述，地質力學模型試驗主要有3大量測系統，即拱壩與壩肩表面變位δ量測、結構面內部相對變位Δδ量測、壩體下游壩面應變ε量測系統。在本次模型試驗中，結合立洲拱壩的地質條件及空間分布關系，在壩體下游面、兩壩肩及抗力體巖體表面共布置了64個表面變位測點;在影響拱壩與地基變形和整體穩(wěn)定的主要結構面上，如斷層f5，f4、裂隙 L1，L2，Lp285，層間剪切帶 fj1－ fj4等，在結構面上布置內部相對變位測點，以監(jiān)測其沿結構面的相對錯動，共埋設了42個內部相對位移計;在上游壩面沿建基面及壩頂拱圈處布置了3條分布式傳感光纖，沿建基面布置的光纖C1串聯了9個光纖光柵應變傳感器(圖3)，用于監(jiān)測建基面附近壩體應變隨超載倍數增加的相應變化情況，在壩頂拱圈上布置2條分布式傳感光纖C2，C3，其中C2串聯了3個光纖光柵傳感器，C3串聯6個光纖光柵傳感器(圖4)，用于監(jiān)測壩頂應變隨超載倍數增加的相應變化情況;同時在下游壩面4個典型高程2 092，2 050，2 000，1 960 m的拱冠及拱端處，共布置了12個應變測點，每個測點在水平向、豎向及45°方向各布置一枚電阻應變片，共布置了36枚電阻應變片(圖5)，用于監(jiān)測壩體下游壩面應變隨超載倍數增加的相應變化情況。立洲拱壩上游壩面光纖光柵布點見圖3、圖4，下游壩面應變測點布置見圖5。

圖3 拱壩上游壩面光纖光柵布點圖Fig.3 Layout of FBG on the upstream surface of arch dam

圖4 拱壩壩頂光纖光柵布點圖Fig.4 Layout of FBG on the crest of arch dam

圖5 拱壩下游壩面應變測點布點圖Fig.5 Layout of strain-measuring points on the downstream surface of arch dam

3.3 光纖光柵網絡布置工藝

以立洲拱壩地質力學模型試驗超載法破壞試驗為基礎，在壩體上游建基面及頂拱圈周邊鋪設光纖光柵傳感器，通過光纖光柵傳感器對拱壩在超載作用下應變分布及變化情況進行監(jiān)控來反應壩體上游壩面的破壞情況。并與傳統量測方法得到的結果相互印證，論證光纖光柵傳感器在地質力學模型試驗中應用的可行性。

但是，在地質力學模型試驗中，由于壩體材料特殊性，在粘接過程中會對光柵傳感器造成損害，因此必須采取封裝措施進行保護。光纖光柵傳感器其封裝形式如圖6所示。采用直徑規(guī)格分別為1 mm的細不銹鋼管對光纖光柵進行封裝。光纖光柵與細不銹鋼管以及細不銹鋼管之間均采用美國生產的環(huán)氧樹脂固定。為了增加粘貼強度，光纖光柵要進行除油、敏化等預處理。同時，需處理細不銹鋼管表面以保持其光潔。

圖6 光纖封裝示意圖Fig.6 Sketch of fiber packaging

4 成果分析

本次試驗采用超載法進行模型破壞試驗，試驗的程序是:首先對模型進行預壓，然后加載至一倍正常荷載，在保證加載系統穩(wěn)定的情況下，按照0.2P0(P0為正常荷載)的步長加載至4.0 P0，然后以0.3 P0的步長超載至拱壩與地基出現整體失穩(wěn)的趨勢為止，并觀察各級荷載下大壩與壩肩壩基巖體的變形與破壞現象。

4.1 上游壩面監(jiān)測成果分析

上游壩面采用光纖光柵傳感器進行監(jiān)測，上游壩面在不同超載倍數下應變分布及變化情況如圖7所示。

圖7 上游壩面光纖光柵典型測點ε-KP關系曲線Fig.7 Relation of ε-KPat typical measuring points on the upstream surface of dam

圖8 壩體最終破壞形態(tài)Fig.8 Failure pattern of the dam

根據光纖光柵監(jiān)測結果分析表明，在正常工況下，即Kp=1.0時，壩體應變總體較小，在超載階段壩體應變隨超載系數的增加而逐漸增大，左拱端應變大于右拱端;當 Kp=1.2～2.2時，壩踵處應變曲線有一定的波動，出現拐點，表明此時拱壩上游壩體表面有應力釋放，壩踵處出現初裂;當Kp=2.2～3.0時，左拱端應變整體出現一定的波動，曲線有轉折和拐點的出現，表明左岸壩肩巖體受內部結構面影響發(fā)生較大的位移;當 Kp=3.6～4.3時，壩體應變整體出現較大的波動，應變的變化幅度顯著增大，其中左拱端應變曲線C17出現較大的波動，形成較大的拐點，此時壩體左半拱發(fā)生開裂，C17所在位置與壩體裂縫位置相一致;此后，應變曲線進一步發(fā)展，陸續(xù)出現波動或轉向，表明壩體裂縫不斷發(fā)展，直至壩體發(fā)生應力釋放，逐漸失去承載能力。大壩最終破壞形態(tài)見圖8。

4.2 下游壩面監(jiān)測成果分析

下游壩面采用電阻應變片進行監(jiān)測，下游壩面在不同超載倍數下應變分布及變化情況如圖9所示。

圖9 下游壩面電阻應變片典型測點ε-KP關系曲線Fig.9 Relation of ε-KPat typical measuring points on the downstream surface of dam

根據應變與超載系數ε-Kp關系曲線可以看出:在正常工況下，即Kp=1.0時，壩體應變總體較小;在超載階段，壩體應變隨超載系數的增加而逐漸增大，當Kp=1.4～2.2時，應變曲線出現一定的波動，曲線有微小的轉折和拐點，表明此時拱壩上游壩踵附近出現初裂;當 Kp=3.4～4.3時，壩體應變整體出現較大的波動，形成較大的拐點，應變的變化幅度顯著增大，此時壩體左半拱發(fā)生開裂;此后，應變曲線進一步發(fā)展，陸續(xù)出現波動或轉向，表明壩體裂縫不斷擴展;當Kp=6.3～6.6時，壩體裂紋貫通至壩頂，壩體發(fā)生應力釋放，逐漸失去承載能力。電阻應變片監(jiān)測的不同超載倍數下大壩上游壩面應變分布及變化情況如圖9所示。

4.3 上下游測點對比分析

光纖光柵傳感器成功地采集了壩體應變數據，通過對比分析下游電阻應變片測試成果表明:在正常工況下，即Kp=1.0時，上下游壩面應變總體較小，在超載階段壩體應變隨超載系數的增加而逐漸增大;當 Kp=1.2～2.2時，上下游壩面的監(jiān)測數據同時出現波動，上游部分測點率先出現轉折，說明拱壩上游側壩踵附近發(fā)生初裂，但裂縫尚未貫穿至下游壩面;當Kp=3.4～4.3時，2套監(jiān)測數據同時出現較大波動，均形成了較大的拐點，尤其是下游壩面監(jiān)測數據發(fā)生了明顯的波動和轉折，表明大壩下游側出現壓剪破壞。結合現場觀察，左半拱下游壩面發(fā)生開裂，裂縫起裂與高程2 040 m高程左拱端下游壩面，并向上延伸，綜合分析高程2 040 m高程附近地質情況，該部位壩肩巖體發(fā)育有多條相互切割的軟弱結構面，在拱端產生應力集中所致;當Kp=5.0～6.3時，上下游監(jiān)測數據陸續(xù)發(fā)生了轉折，裂縫逐步發(fā)展，表明大壩出現整體失穩(wěn)的趨勢?，F場觀察，左半拱裂縫繼續(xù)向上擴展，開裂至拱頂約1/2左弧長附近，右半拱在建基面附近出現一條裂縫，裂縫位于f5與壩體交匯的壩址處，并逐漸向上擴展;當Kp=6.3～6.6時，壩體裂紋貫通至壩頂，壩體發(fā)生應力釋放，逐漸失去承載能力。

5 成果討論

由光纖光柵傳感器監(jiān)測的上游壩面應變與超載系數的關系曲線可見:壩體上游面的應變符合常規(guī)，壩體上游面主要受拉，建基面附近局部受壓;對比下游面應變測點曲線，光纖光柵監(jiān)測的上游面應變曲線在波動、拐點、轉向等超載破壞特征上與電阻應變片的監(jiān)測成果具有相同的變化趨勢，且與不同超載階段的壩體破壞特征基本吻合。從以上2個方面表明光纖光柵傳感器對上游壩面的應變監(jiān)測成果符合超載過程中應變的變化規(guī)律，證明了光纖光柵傳感器在三維地質力學模型試驗中的應用是可行的，為光纖光柵傳感器在地質力學模型試驗中的廣泛應用總結了經驗方法。

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