光纖傳感技術在長距離引水隧洞安全監(jiān)測中的應用

白玉龍，李 麗

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

1 工程概況

隧洞是甘肅引洮供水二期工程最主要的建筑物之一，其總干渠布置超過10km的長距離引水隧洞3座，其中長度為20.45km的16#隧洞最長，是最具代表性的水工長隧洞，以該隧洞的安全監(jiān)測系統(tǒng)布置為例，介紹隧洞監(jiān)測斷面和監(jiān)測項目的選取、儀器的布設和組網(wǎng)。16#隧洞建筑物等級為2級，設計流量22.5m3/s，斷面結構為三心圓拱型，斷面尺寸(長×寬)3.9m×4.0m。洞線穿行在黃河一級支流祖厲河與渭河的分水嶺，為黃土低中山梁峁丘陵區(qū)地貌，最大埋深約220m。隧洞地質(zhì)條件復雜，圍巖主要以IV、V類條件較差圍巖為主，巖性多變，涉及的圍巖巖性有：飽和黃土狀土、離石黃土、粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、片麻巖古風化殼、片麻巖等。沿線共布置7條施工支洞，施工過程中采用了破碎錘、冼挖和鉆爆等多種開挖方法，其安全監(jiān)測系統(tǒng)，采取了整體貫通后集中埋設和安裝。

水工隧洞的安全監(jiān)測常借助于振弦式和差阻式2類儀器，受電學儀器原理的限制，2類儀器已不能滿足長隧洞的安全監(jiān)測需求，而光纖傳感技術，為解決此類隧洞的信號采集與傳輸問題，指出了方向。利用光纖傳輸，能夠完成大量長距離的數(shù)據(jù)傳輸工作，而光纖光柵傳感器是一種無源器件，能夠適應地下的高濕、強腐蝕等復雜環(huán)境，因此，光纖傳感技術能夠滿足長距離引水隧洞的安全監(jiān)測需要，目前，國內(nèi)有少量的應用實例。我國對光纖傳感技術的研究，起步時間稍晚于國際，應用于工程也比較遲，在長距離引水隧洞工程監(jiān)測方面的使用缺少經(jīng)驗[1]。

2 光纖傳感技術簡介

2.1 光纖的傳感原理

光纖的全稱是“光導纖維(Optical Fiber)”，巖土工程所使用的光纖，一般周邊及現(xiàn)場施工安裝環(huán)境比較復雜，通常由幾層保護結構對光纖形成保護[2-3]。常見應用于工程的傳輸光纖，涂覆包裹層較厚而芯徑較小，單根光纖的標準包層直徑125μm，塑料涂覆層的直徑約250μm[4]，光纖的涂覆包裹結構包括緩沖層及披覆。光纖完整構造如圖1所示。

圖1 光纖構造

光纖的基本傳輸原理是光的全反射現(xiàn)象[5]，如圖2所示。一旦光進入光纖，光線便從光纖的起始頭進入光纖纖芯，光纖的信息傳播原理是利用光的反射現(xiàn)象進行的，但是光纖芯的折射率與光纖外層包裹層的折射率是不一致的。當光進入纖芯，一部分光線會在光纖里面發(fā)生折射現(xiàn)象，這樣射入光纖內(nèi)部的光束會損耗一部分，導致光纖的傳輸效果降低，因此在實際操作中，使用人員會首先調(diào)整光線進入光纖的角度，一旦這個角度達到某個臨界值，那么射入光纖的光線便不會再發(fā)生折射現(xiàn)象，光束將完全在光纖內(nèi)部靠光的反射前進，提高傳輸效率。

圖2 光纖纖芯結構及導光原理圖

2.2 光纖光柵傳感器傳感原理

光纖光柵種類劃分較多，如果單純從結構上將光纖光柵進行劃分，光纖光柵可以被劃分為周期性光柵和非周期性光柵2種類型。周期性結構的光纖光柵又可以被劃分為2小類，即布拉格光柵和透射光柵，又被稱為短周期光柵和長周期光柵。實際工程中應用最為廣泛的光柵是布拉格光柵，其英文簡寫為Fiber Bragg Grating，其又被稱為光纖(FBG)光柵。光纖光柵主要利用紫外線將光線射入纖芯。其反射原理是對光束有條件限制的，只有滿足布拉格衍射條件的入射光線才能在在光柵處被反射，其他光線不會受到影響。反射光譜在FBG中心波長處出現(xiàn)峰值[6]。光纖(FBG)光柵傳感的基本原理如圖3所示。

圖3 光纖(FBG)光柵傳感原理圖

光纖纖芯的折射率變化會在光纖纖芯里形成空間相位光柵，一旦我們知道光纖的折射率與光柵的周期，便能計算得到光柵的中心波長。其計算公式為：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB—光纖(FBG)光柵的中心波長，nm；Λ—光柵周期；neff—纖芯的有效折射率。

光柵的柵距是沿著光纖的纖芯軸向分布的，其柵距會受到多種因素的影響。比如環(huán)境溫度，光纖承受的壓力等。一旦這些溫度、壓力等外界因素發(fā)生變化，則光纖的折射率和軸向會發(fā)生變化，接著光纖柵距也發(fā)生了變化，最終導致反射光線的波長改變。有研究發(fā)現(xiàn)，反射譜中心波長的變化與溫度T、應變ε的關系為：

(2)

式中，αf—熱膨脹系數(shù)；ξ—熱光系數(shù)；Pe—彈光系數(shù)。

在某些恒溫等特定條件下，不考慮溫度變化影響時，式(2)簡化為：

(3)

此時，軸向應力變化與其引起的光纖(FBG)光柵的中心波長變化呈簡單直線線性關系。

3 光纖傳感技術的應用優(yōu)勢

工程上所用的光纖一般因監(jiān)測點位多而所需通道數(shù)量相應較多，大多采用由多條光纖和外保護層組成的多芯光纖簇，即光纜。光纜傳輸、光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的電纜傳輸、電信號式儀器相比，具有如下優(yōu)點：①集傳輸和傳感于一體，傳輸數(shù)據(jù)量大而衰減小，傳輸距離遠；②非金屬絕緣材料，不受陰濕環(huán)境影響，耐高溫、抗腐蝕、適用于地下工程等特殊環(huán)境；③光信號傳輸，幾乎不受光源功率、光的波動和連接損耗等因素影響，穩(wěn)定性好；④自身的體積小、重量輕，不受電磁噪聲干擾、傳輸質(zhì)量和傳感靈敏度高；⑤傳感器監(jiān)測效率高，單根光纖可寫入多個不同波長的光柵，實時準分布式監(jiān)測；⑥適應性好，構造簡單、幾何尺寸小，適用于各類建筑物內(nèi)部埋設。

4 光纖(FBG)光柵的組網(wǎng)方式

光纖(FBG)光柵傳感是一種準分布式光纖傳感技術，一般采用單端或首、尾兩端出纖方式。兩端出纖時，其中一端因損傷或破壞不能正常工作時，則可接入另一端替代測量。大多數(shù)光纖(FBG)光柵工作波長在1520～1570nm，窗口范圍有限，因此，同一組傳感器寫入的光柵波長不能重疊，如果有重疊現(xiàn)象，則解調(diào)儀就無法接收到傳感器內(nèi)寫入光柵的反射光，造成數(shù)據(jù)不能讀取。工程上常用的寫入應變與溫度雙因子的串并聯(lián)光纖(FBG)光柵的數(shù)量一般不超過6個[6]，某些特定條件下所用的僅寫入應變單因子的串并聯(lián)光纖(FBG)光柵的數(shù)量一般不超過12個。雙因子與單因子串聯(lián)光纖(FBG)光柵波長分布如圖4所示。

圖4 雙因子與單因子串聯(lián)光纖(FBG)光柵波長分布示意圖

5 長距離引水隧洞安全監(jiān)測布置

5.1 安全監(jiān)測的必要性

該隧洞揭示的不良地質(zhì)條件有第四系飽水黃土狀土、古(新)近系極軟巖、前震旦系片麻巖古分化殼、斷裂帶等穩(wěn)定性極差的圍巖，圍巖穩(wěn)定問題突出[7]，是工程建設成敗和運行安全的關健項目，因此，做好隧洞的安全監(jiān)測工作，密切關注隧洞圍巖的穩(wěn)定性和建筑物運行狀態(tài)，確保隧洞建設和長期運行的安全性、可靠性，尤為重要。

5.2 安全監(jiān)測布置

5.2.1安全監(jiān)測斷面布置

16#隧洞安全監(jiān)測的重點是圍巖穩(wěn)定性，依據(jù)隧洞開挖揭示的地質(zhì)情況，布置在穩(wěn)定性差的各類不良地質(zhì)條件洞段、淺埋深洞段、水流條件變化洞段等具有代表性的洞段和關健部位[6]。依據(jù)安全監(jiān)測布置原則，共布置7個監(jiān)測斷面：飽和土洞身、巖性變化不整合接觸面、穿溝谷淺埋處、洞身斷層及出口淺埋和水流條件變化處等，縱向布置簡圖如圖5所示，斷面布置統(tǒng)計見表1。

圖5 隧洞安全監(jiān)測斷面縱向布置簡圖

表1 隧洞安全監(jiān)測斷面布置統(tǒng)計

5.2.2主要監(jiān)測項目選擇

水工隧洞安全監(jiān)測類別主要有變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變監(jiān)測等[8-13]。結合本工程運行期永久監(jiān)測需求，確定主要監(jiān)測項目是：圍巖內(nèi)部變形和松動范圍監(jiān)測；二次襯砌結構接縫、裂縫開合度監(jiān)測；滲流監(jiān)測；隧洞圍巖及支護襯砌結構應力

應變監(jiān)測等。

5.2.3安全監(jiān)測儀器布置

針對該隧洞的建設條件和待監(jiān)測的主要項目，結合隧洞橫向襯砌結構的受力條件，布置在隧洞受力彎矩和變形最大處附近，即頂拱拱頂、接近側底拱拱腳和底拱拱底位置[10-12]，每個監(jiān)測斷面測點在橫斷面上布置如圖6所示。主要布置的監(jiān)測儀器有：多點位移計(M)、埋入式測縫計(J)、表面測縫計(J)、滲壓計(P)、土壓力計(E)、應變計(S)、無應力計(N)及鋼筋計(R)等，監(jiān)測項目及監(jiān)測儀器統(tǒng)計見表2。

表2 隧洞監(jiān)測項目及監(jiān)測儀器統(tǒng)計

圖6 隧洞監(jiān)測斷面測點布置

5.3 監(jiān)測斷面組網(wǎng)

16#隧洞主干采用48芯光纜，洞內(nèi)每個斷面利用光纖耦合器連接分支光纖，將同一斷面內(nèi)所有儀器進行組網(wǎng)，通過主干光纜實現(xiàn)長距離傳輸，引至隧洞進口位置現(xiàn)地觀測站內(nèi)，接入解調(diào)儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解讀后進行洞外傳輸。每個斷面設有27支光纖(FBG)光柵傳感器，均為兩端出纖，采用串聯(lián)式組網(wǎng)，末端尾纖引出預留接口，其中多點位移計、鋼筋計及應力計等均布置在封閉運行的地下巖體或澆筑在襯砌混凝土內(nèi)部，地下環(huán)境無高溫影響，傳感器周邊介質(zhì)單一，同一介質(zhì)內(nèi)感溫和溫度傳導變幅甚微，采用的是應變單因子的光纖(FBG)光柵傳感器；而測縫計、滲壓計、土壓力計、無應力計等則主要是布置在巖體與一次支護、一次支護與襯砌混凝土之間或襯砌混凝土外表面。斷面內(nèi)光纖(FBG)光柵傳感器組網(wǎng)方式如圖7所示。

圖7 監(jiān)測斷面內(nèi)光纖(FBG)光柵傳感器組網(wǎng)示意圖

6 結語

光纖傳感技術有效地解決了地下工程長距離信號傳輸問題，近年來在鐵路、公路等長隧道安全監(jiān)測方面有較多應用，但國內(nèi)工程在長期通水高濕的水工長隧洞環(huán)境下應用不多。本工程隧洞各類光纖(FBG)光柵傳感器埋設完成后，成活率達到99%以上，環(huán)境適應能力強，工程實際應用效果良好，設在洞口現(xiàn)地站測試各設備的工作狀態(tài)，均能夠滿足設計的量測要求。但光纖自身質(zhì)地脆，彎曲轉(zhuǎn)向、盤卷和外力觸碰下易斷裂，因此，其安裝仍需專業(yè)人員，技術要求較高。由于光纖傳感的技術優(yōu)勢、獨特的傳感方式和環(huán)境適應能力，必將在水工長距離隧洞安全監(jiān)測中得到廣泛應用。