分布式傳感光纖測量疏浚土大型充填袋變形

何 斌，汪璋淳，何 寧，錢亞俊，周彥章

(南京水利科學研究院，江蘇南京 210029)

圍海造陸、航道工程等海堤建設中需要大量的砂石料資源，但生態(tài)環(huán)境保護政策已不再允許大規(guī)模開山采石，筑堤工程所需的砂石料資源難以得到滿足；同時圍海造陸、航道建設的疏浚工程中產生的大量疏浚土被棄置，開展利用疏浚土作為筑堤材料的關鍵技術研究對于解決資源短缺和環(huán)境制約等問題具有重要意義。傳統(tǒng)充填袋應用技術規(guī)范要求充填料黏粒含量小于10%，而疏浚土含泥量遠遠超過規(guī)范要求，航道疏浚土作為充填土料的大型充填袋筑堤過程中，目前還缺乏針對土工布袋體受力-變形方面的科學合理的監(jiān)測技術和手段。開展利用高含泥量疏浚土大型充填袋筑堤工程中袋體受力-變形監(jiān)測的研究能夠為疏浚土充填袋筑堤技術的推廣應用提供重要的理論依據(jù)。

基于布里淵散射的監(jiān)測技術與常規(guī)監(jiān)測技術存在根本區(qū)別，具有分布式、長距離、實時性、精度高和耐久性長等特點，能做到對工程設施的各個部位進行監(jiān)測與監(jiān)控。相比于傳統(tǒng)監(jiān)測技術，分布式光纖傳感技術具有以下特點：(1)分布式光纖集傳感器和傳輸介質于一身，安裝方便，性價比高；(2)可以進行光纖沿線任意點空間連續(xù)測量，測量距離長、范圍大、信息量大，大幅降低傳統(tǒng)點式方法檢測的漏檢率；(3)分布式光纖傳感器的結構簡單，體積小，對安裝埋設部位的物理性能影響很小，適合于測量變形模量較小的充填袋土工布袋體的受力和變形。

疏浚土大型充填袋筑堤工程中，無法應用傳統(tǒng)的點式監(jiān)測技術測量充填、加載過程中袋體的受力-變形過程，如土工布袋體材料的加筋作用能否滿足施工充填壓力的強度要求、確定抗拉強度與上覆荷載間的關系等，需要借助新型的線性分布式監(jiān)測技術手段。

1 分布式光纖傳感技術原理

圖1 分布式光纖傳感技術原理Fig.1 Principle of distributed optical fiber sensing technology

光在光纖中傳播時會發(fā)生散射。散射光主要有3種：瑞利散射光、拉曼散射光和布里淵散射光。布里淵散射由光子與聲子的非彈性碰撞產生，散射光的頻率發(fā)生變化，變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關[1]。與布里淵散射光頻率相關的光纖材料特性主要受溫度和應變的影響，因此通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應變測量。研究證明，光纖中布里淵散射信號的布里淵頻移和功率與光纖所處環(huán)境溫度和承受的應變在一定條件下呈線性關系。與傳統(tǒng)測量技術相比，它獨特的分布式測量為使用者提供了更加豐富的數(shù)據(jù)來源，它可以在一個連續(xù)結構上以0.1 m為間隔連續(xù)采樣(圖1)[2]。這種由點式測量向分布式測量的突破，盡管在目前技術發(fā)展階段會降低單點測量精度，如一般點式傳感器的應變測量精度為1 με，而分布式光纖傳感器的應變測量精度約為30 με，但這種精度損失可以通過連續(xù)積分來彌補[3]。

2 室內標定試驗

(a) 0.9 mm和2 mm傳感光纖安裝固定方法

(b) 6 mm傳感光纖安裝固定方法圖2 標定試驗傳感光纖安裝方法(單位： mm)Fig.2 Fiber installation method for calibration tests (unit: mm)

為探討分布光纖傳感技術用于大型充填袋袋體受力和變形監(jiān)測的測量可行性、光纖選型及其布設方法的正確性，采用瑞士產DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)(量程±30 000 με)，開展分布式傳感光纖傳感測量袋體受力和變形的室內標定試驗。標定試驗采用數(shù)控萬能拉力機，傳感光纖分別選用0.9 mm塑料護套光纖、2 mm柔性護套光纖和6 mm塑料護套鎧裝光纖3種單模緊套傳感光纖，袋體材料選用單位面積質量為230 g/m2的機織土工布。標定試驗將傳感光纖采用不同結構型式固定在160 mm×900 mm(寬×長)的標定試驗土工布的中部位置，土工布兩端各預留100 mm固定段用于特殊試驗夾具夾牢。0.9 mm塑料護套光纖和2 mm柔性護套光纖先用柔性膠粘貼固定在80 mm×700 mm(寬×長)、單位面積質量為130 g/m2的機織土工布中部，然后縫制固定在標定試驗用230 g/m2袋體材料土工布中部；6 mm鎧裝傳感光纖直接膠接和縫制固定在標定試驗用230 g/m2袋體材料土工布中部。室內標定試驗中3種傳感光纖布置和安裝固定方法如圖2。采用光纖熔接技術將光纖兩端與專用測量光纖接頭熔接連接后，分別接入DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)“From”和“To”端口。

室內標定試驗采用數(shù)控萬能拉力機對土工布進行拉伸變形，試驗過程中由萬能拉力機自動控制、測量和記錄土工布變形。700 mm長的土工布試樣按最大變形15 mm控制，分8級，前7級每級2 mm，最后一級1 mm。每級加載穩(wěn)定3 min后，采用DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)對傳感光纖測量3次，測量空間分辨率設置為0.1 m。接入DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)的光纖總長度為10 m，考慮到試驗中有效應變測量范圍，只對有效位置1 m范圍內傳感光纖進行應變測量。每級加載后對傳感光纖測量3次歷時約10 min，測量完成后繼續(xù)進行下一級加載。因測量系統(tǒng)受環(huán)境溫度變化的影響較為微弱，本次標定試驗可忽略測量過程中的溫度修正。室內標定試驗共進行3種傳感光纖各3組試驗，試驗結果如表1、表2和圖3所示。

表1 標定試驗傳感光纖應變測值Tab.1 Strain measured data from calibration tests με

表2 標定試驗傳感光纖試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.2 Satistics of measured data from calibration tests

(a) 傳感光纖第1組試驗成果 (b) 傳感光纖第2組試驗成果 (c) 傳感光纖第3組試驗成果圖3 標定試驗傳感光纖測量結果Fig.3 The measured data from calibration tests

試驗結果表明，試驗選用DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)及試驗用傳感光纖測量技術的系統(tǒng)綜合應變測量誤差約為30 με，系統(tǒng)誤差與前期試驗研究成果一致[4]。根據(jù)要求，疏浚土充填袋袋體變形技術指標不大于30%[5-6]，即300 000 με，分布式傳感光纖測量技術系統(tǒng)精度為疏浚土充填袋袋體最大允許變形的0.01%，試驗表明，分布式光纖傳感技術測量精度可以滿足疏浚土大型充填袋的土工布袋體變形測量要求。

根據(jù)表2中標定試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果及圖3中3組試驗測量成果可以看出：對于0.9 mm塑料護套光纖和2 mm柔性護套光纖，采取合理的膠結安裝方法，傳感光纖基本能夠與膠結為一體的充填袋土工布同步變形；傳感光纖應變測值與拉力機示值換算得到的土工布應變值之間的誤差小于5%，可以滿足測量充填袋土工布前期變形的工作要求；且分布式傳感光纖技術的應變測量范圍為±30 000 με，相當于3%的變形量，較傳統(tǒng)應變計(最大量程3 000 με)[7]等監(jiān)測技術更適合于變形量較大的充填袋的變形測量。而對于6 mm的塑料護套鎧裝光纖，由于護套變形模量遠大于被測土工布，傳感光纖與膠結為一體的充填袋土工布不能發(fā)生同步變形，傳感光纖應變測值與拉力機示值換算得到的土工布應變值之間的誤差超過40%；在現(xiàn)場條件下，膠結情況很難達到與室內標定試驗中相同的理想狀況，因此選用6 mm塑料護套鎧裝光纖測量充填袋變形適用性較差。另外，采用0.9 mm塑料護套和2 mm柔性護套傳感光纖，兩者標定試驗結果基本相似，測量誤差均小于5%，兩種分布式傳感光纖技術測量充填袋變形的測量精度都可滿足原位監(jiān)測需要。但0.9 mm塑料護套光纖較細、較脆，現(xiàn)場安裝保護困難，采用膠結方法固定在較薄的土工布后運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝的過程中很容易受到損壞，因此，選擇以2 mm的柔性護套傳感光纖為宜。

3 原位試驗

圖4 原位試驗中充填袋變形的傳感光纖測量結果Fig.4 Deformation measurement of filling bag in field experiment

為進一步驗證分布式光纖傳感技術測量大型充填袋土工布的變形狀態(tài)和監(jiān)測大型充填袋變形的可靠性[8]，在連云港港30萬t航道建設的疏浚土大型充填袋筑堤技術試驗研究現(xiàn)場試驗段工程中，開展了分布式光纖傳感技術監(jiān)測大型充填袋變形的現(xiàn)場試驗研究。工程中大型充填袋平面尺寸為20 m×16 m(寬×長)，傳感光纖采用 2 mm的柔性護套傳感光纖，在室內先用703膠(柔性膠)以回路型式沿長度方向膠結在16 m×0.2 m(長×寬)的130 g/m2的機織土工布中央，傳感光纖以0.1 m間距、平行回路型式膠結其上，大型充填袋鋪設完成以后將膠結著傳感光纖的130 g/m2機織土工布條縫制固定在充填袋土工布的上(或下)表面，測量時將光纖兩端與專用測量光纖接頭熔接連接后，分別接入DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)“From”和“To”端口。該現(xiàn)場試驗段工程某斷面第二層充填袋上表面固定的傳感光纖在2011年1月6至8日的3組應變測值曲線如圖4，其中1月6日為充填袋首次充填施工過程，7日為首次充填完成后補充充填及上覆充填袋第1次加荷過程，8日為上覆充填袋補充充填及次級上覆充填袋的繼續(xù)加荷過程，傳感光纖的空間測量分辨率為0.1 m，測量數(shù)據(jù)為沿袋體土工布長度方向的變形分布狀態(tài)。

現(xiàn)場試驗段工程中傳感光纖測量結果表明：同一時刻兩條平行的分布式傳感光纖測得沿袋體長度方向的變形規(guī)律一致性較為良好，且對應位置沿長度方向間距為0.1 m的各測點應變測值非常接近或吻合。現(xiàn)場試驗段工程監(jiān)測資料分析也說明：隨上覆荷載增加，疏浚土充填袋的變形也逐漸增大，且充填袋變形沿長度方向中間大、兩端小，符合柔性袋體受力變形的一般規(guī)律，其實測應變量值與理論計算分析結果[9]及離心模型試驗中應變片測量結果[10]也較為吻合；測得最大應變超過30 000 με，相當于3%的變形量，是大型充填袋土工布大變形監(jiān)測的一種理想監(jiān)測技術，是對傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法的有益補充和技術創(chuàng)新。

4 結 語

針對高含泥量疏浚土大型充填袋筑堤技術袋體受力和變形監(jiān)測等工程實踐問題，通過室內標定試驗和現(xiàn)場原型試驗，開展了傳感光纖選型、膠結固定及保護方式、測量精度及誤差分析、工程原型應用測試等分布式光纖傳感技術測量疏浚土大型充填袋受力和變形可行性和適用性的應用研究，主要結論如下：

(1)因袋體土工布變形模型較小，疏浚土大型充填袋袋體受力變形監(jiān)測中應選用模量較小的柔性護套應變傳感光纖，并采用柔性膠膠結固定的安裝方式，輔以可靠的保護措施。

(2)選擇合適的分布式傳感光纖能提高疏浚土大型充填袋袋體的應變測量精度，可使精度在±30 με內，傳感光纖測值與拉力機示值換算應變值間的誤差值小于5%。

(3)室內標定試驗和現(xiàn)場試驗段原型試驗測量結果均表明，分布式光纖傳感技術監(jiān)測袋體受力變形的空間分辨率為0.1 m，最大應變測量范圍可達到30 000 με。

(4)分布式光纖傳感技術具有分布式、長距離、實時性等特點，是疏浚土大型充填袋袋體受力變形監(jiān)測的可靠的、理想的新型測量方法。

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