光纖傳感技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用分析

寸江峰

摘 要：巖土工程在施工過程中，其外部環(huán)境較為惡劣，且受材料腐化、地質(zhì)災(zāi)害、使用方法及疲勞效應(yīng)等多重因素的影響，工程結(jié)構(gòu)可能存在開裂變形、地基下沉及穩(wěn)固性衰減等問題，由此，強(qiáng)化健康評估和安全監(jiān)測成了迫切需要。針對光纖傳感器的高精度、抗干擾及成活率高的優(yōu)勢，文章以光纖傳感器的原理及分類為切入點(diǎn)，詳細(xì)闡述了其在巖土工程應(yīng)用中的關(guān)鍵性技術(shù)問題，并以分布式光纖傳感器技術(shù)為例分析了其布設(shè)方法，以此為巖土工程安全監(jiān)測提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：光纖傳感技術(shù)；巖土工程；安全監(jiān)測

光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用由來已久，早在20世紀(jì)80年代就在美、英、日等國家進(jìn)入了實(shí)用化，其是依托于半導(dǎo)體光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖通信技術(shù)而發(fā)展起來的新型技術(shù)，具備寬帶大、耐環(huán)境、體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢，并在智能電網(wǎng)、鐵路監(jiān)測、石油工業(yè)等多領(lǐng)域中得以推廣和應(yīng)用，而當(dāng)前“中國制造、一帶一路”等國家戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，公路、橋梁、石油、礦山等沿途工程建設(shè)數(shù)量和規(guī)模將快速增加，但因?yàn)閹r土工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期較長，使用環(huán)境較為惡劣，且容易受到外界環(huán)境負(fù)載、疲勞效應(yīng)及材料老化等因素的影響，工程結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)邊坡的失穩(wěn)破壞、混凝土結(jié)構(gòu)開裂變形、地基基礎(chǔ)沉降等問題，因此，將支持大規(guī)模、高密集、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)式和分布式測量引巖土工程安全監(jiān)測及健康評估之中，并就布設(shè)方法及關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

1 光纖傳感器技術(shù)的基本原理及分類

1.1 工作原理

光纖傳感器技術(shù)是集成光電技術(shù)、光導(dǎo)纖維及光通信技術(shù)于一體的綜合性應(yīng)用技術(shù)，與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的最大區(qū)別是其以光纖為導(dǎo)體，其具備高精度、環(huán)境耐受力、抗干擾性、實(shí)時監(jiān)測及高效傳輸性，尤其適用于空間狹小、潮濕、腐蝕性強(qiáng)等特殊環(huán)境，也因此被廣泛應(yīng)用在石油、礦場、隧道、電力及水利工程之中，其基本工作原理是借助光纖對溫度、壓力等外部環(huán)境的敏捷感知力，將光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合后傳輸至調(diào)制器，促使監(jiān)測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光互相作用后，引發(fā)傳輸光波強(qiáng)度、頻率、相位、偏振態(tài)、溫度、壓力、位移等物理特征參數(shù)發(fā)生直接或間接改變，而后將光纖作為傳感元件來測量光參數(shù)的變化，從而完成監(jiān)測外界被測物理量的目的。

1.2 相關(guān)分類

根據(jù)巖土工程安全監(jiān)測的實(shí)踐分析，依據(jù)隨距離增加可否實(shí)現(xiàn)被測量基體的連續(xù)監(jiān)測劃分為：點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式和分布式等幾類，其中，點(diǎn)式光纖傳感技術(shù)存在邁克爾遜干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)和非本征型法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)幾類，對于結(jié)構(gòu)局部變形的高精度監(jiān)測具有較強(qiáng)適用性，準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG），通過波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplex，WDM）、時分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）和空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，SDM）技術(shù)，構(gòu)建多點(diǎn)準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，分布式光纖傳感技術(shù)是依據(jù)沿線光波分布參量，并獲取對傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間及空間變化的被測量的分布信息，適用于長距離、大范圍的持續(xù)性監(jiān)測。

2 光纖傳感技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測中的具體應(yīng)用

為詳細(xì)分析光纖傳感器技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測中應(yīng)用的布設(shè)方案，本文以大型水電工程冶勒水電站為例，運(yùn)用分布式光纖傳感器技術(shù)來監(jiān)測基座沿壩軸線方向存在的裂縫位置與寬度，以監(jiān)測基座在施工期蓄水期及運(yùn)行期的變形工作狀態(tài)，從而及時修護(hù)裂縫、滲漏，具體而言，光纖傳感在混凝土基座捏的布置范圍為壩0+130.00～0+340.00，將兩條連續(xù)分布的折線形光纖傳感器回路布置在心墻基座內(nèi)，形成4條布設(shè)在成型鋼筋下方的傳感光路組成的監(jiān)測空間，各個光路由3種以折線形水平和垂直分布的傳感光纖構(gòu)成，光纜沿監(jiān)測廊道、灌漿廊道分段分層由左向右，引入右岸廊道內(nèi)的監(jiān)測室。上層光纖水平布置于基座頂面高程以下30 cm處，先用光纖形狀的Ф 6.5鋼筋固定在頂面下第二層Ф 36的受力鋼筋上，在完成全部鋼筋的綁扎焊接后，而后在Ф 6.5鋼筋上進(jìn)行傳感光纖綁扎，下層上游側(cè)面光纖以立式方式布置在一期混凝土防滲墻鑿除段頂縫面上的一層鋼筋上，在受力鋼筋上將冷彎成型的Ф 6.5鋼筋并排焊接，在焊接完成全部鋼筋后，在Ф 6.5鋼筋上進(jìn)行光纖綁扎，下游側(cè)光纖以立式方式在最外層受力鋼筋外側(cè)焊接Ф 6.5鋼筋，而后在Ф 6.5鋼筋上完成光纖綁扎。

完成上述布設(shè)后，將進(jìn)行模板的架立，光纖埋設(shè)時應(yīng)確保安全與穩(wěn)定性，混凝土入倉時、端槽入倉應(yīng)避免與光纖的沖突，為預(yù)防已布設(shè)光纖的損壞，振搗器須與光纖距離20 cm之上，光纖盤在每澆筑倉末端由堵頭模板內(nèi)引出后放置在保護(hù)鋼箱內(nèi)，完成光纖布設(shè)后以通導(dǎo)儀來檢測其光纖通導(dǎo)狀況，存在斷點(diǎn)的，應(yīng)以光纖熔接機(jī)予以及時修補(bǔ)。在混凝土防滲墻基座內(nèi)光纖是以折線形構(gòu)型布置的，其折線波長、高、夾角分別為135 cm，50 cm，10.69°，光纖曲率半徑≥60 cm，光纖露頭以大于5 mm壁厚的橡膠管予以保護(hù)，同時，要盡力保證光纖的完整性，盡量不留接頭，最終將所有終端盒聯(lián)接后通過傳輸光纖引入監(jiān)測室。完成布設(shè)后，根據(jù)實(shí)際檢測，左岸、河槽段、右岸三測區(qū)傳感光纖運(yùn)行良好，可以支撐基座所有關(guān)鍵部位滲漏及裂縫的監(jiān)測，成活率達(dá)到52%，與常規(guī)監(jiān)測技術(shù)相比具有應(yīng)用優(yōu)勢性。

3 光纖傳感器技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 光纖傳感器與被測基體的耦合

在巖土工程結(jié)構(gòu)變形測量中，因受封裝材料、中間介質(zhì)力學(xué)特質(zhì)及尺寸效應(yīng)等的干擾，光纖傳感器應(yīng)變與被測基體實(shí)際應(yīng)變不能歸一為1∶1的關(guān)系，而是存在一個應(yīng)變傳遞過程，對于測量基體變形的精準(zhǔn)測量具有重要影響，而工程監(jiān)測中應(yīng)變傳遞率多通過提升光纖傳感器與被測基體的耦合性來實(shí)現(xiàn)，而這需要保持光纖傳感器表層材料及中間耦合材料與被測基體材料的契合性，以規(guī)避滑動、移動問題，而且還要確保兩者力學(xué)特性的相似，以最大限度維持同步變形，預(yù)防嚴(yán)重的剪切位移，耦合材料存在原位與自配之分，但都是為了與原位材料保持特質(zhì)的相似性，以提升應(yīng)變傳遞率。endprint

3.2 光纖傳感器的二維變形監(jiān)測

光纖傳感器是沿軸向的一維變形，因材料特性的影響，其不能承受較大的橫向剪切變形，實(shí)際測量中，受軸向變形和橫向變形的雙重作用，為此，光纖傳感器技術(shù)是置于二維或三維變形環(huán)境中的一維監(jiān)測手段，無法有效監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形狀況，需要對光纖傳感器的布設(shè)方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以完成二維、三維結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，目前常用的二維變形監(jiān)測方法有：首先，光纖應(yīng)變化，Lienhart將3個大型SOFO光纖傳感器依照120°角度布設(shè)于同一水平面上，構(gòu)造成應(yīng)變花結(jié)構(gòu)，根據(jù)測得不同方向上的應(yīng)變，可得出應(yīng)變橢圓弧度Ф變化；其次，基于FBG的節(jié)理式偏斜儀水平位移監(jiān)測，也即借助節(jié)理式設(shè)計(jì)來限制光纖的軸向變形，可在某一方向自由彎曲，利用應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系計(jì)算水平位移，但存在±2°的最大可量范圍限制，實(shí)用性較差。

3.3 光纖傳感器的三維變形監(jiān)測

在運(yùn)用分布式光纖傳感器技術(shù)進(jìn)行工程監(jiān)測時，可將3～4根分布式光纖傳感器（Distributed Optical Fiber Sensor，DOFS）等角度沿軸向粘貼到桿體或管體表面，此種布置方法可支撐該光纖傳感器的三維變形測量，方法是基于彎矩的積分計(jì)算，依據(jù)協(xié)管4個方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)信息來對水平和垂直方向的變形量進(jìn)行反推，位移靈敏度可達(dá)1 mm·m-1，最大安全位移為15 mm·m-1。ITEN等在邊坡樁基上布設(shè)了4根分布式傳感光纖測量其滑動量，并與3年測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明該方法能夠有效監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的有效驅(qū)動下，公路、橋梁、隧道、地鐵、水利等沿途工程建設(shè)加速推進(jìn)，而為了確保工程的安全運(yùn)行，需要對其進(jìn)行健康評估和安全監(jiān)測，但是傳統(tǒng)的振弦式、電感式監(jiān)測傳感器存在環(huán)境耐受力、信號傳輸性及實(shí)時監(jiān)測性差的諸多弊端，等而光纖傳感器技術(shù)的應(yīng)用突破了這一限制，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)布設(shè)，支持多參量、可編程、自檢測，在巖土工程安全監(jiān)測中具有明顯應(yīng)用優(yōu)勢。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱鴻鵠，施斌.地質(zhì)和巖土工程分布式光電傳感監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢—第四屆OSMG國際論壇綜述[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013（1）：166-169.

[2]高垠，馬玉華，李克綿.光纖傳感技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2013（2）：117-121，128.

[3]王蓉川.光纖傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用[A].全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)信息網(wǎng)、中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全監(jiān)測專業(yè)委員會.全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)信息網(wǎng)2008年度技術(shù)信息交流會暨全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展研討會論文集[C].全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)信息網(wǎng)、中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全監(jiān)測專業(yè)委員會，2008：11.

[4]柴敬，張丁丁，李毅.光纖傳感技術(shù)在巖土與地質(zhì)工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（3）：28-37.

[5]毛江鴻.分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)變及開裂監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.endprint