智能大壩安全監(jiān)測中分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用分析

鄭云濤

青海黃河水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海西寧 810001

1 智能大壩安全監(jiān)測基本概述

智能大壩的主要特征是可以對大壩的施工數(shù)據(jù)以及日常運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析，建立全面有效的數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息對大壩的施工、運(yùn)行等工作進(jìn)行合理的安排與管理，提高大壩施工與運(yùn)行的質(zhì)量。

一般來說，智能大壩主要由實時傳感感知模塊、實時驅(qū)動分析模塊以及預(yù)警監(jiān)控模塊組成。其中，實時傳感感知模塊是智能大壩實施智能監(jiān)控的基礎(chǔ)模塊，只有在確保實時傳感模塊監(jiān)測具有較強(qiáng)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，才能確保實時驅(qū)動分析模塊與預(yù)測監(jiān)控模塊的有效性與可靠性，才能真正發(fā)揮智能大壩安全監(jiān)測的功能與作用。在智能大壩中應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)不僅可以對大壩運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行立體式的持續(xù)監(jiān)測，同時可以保證監(jiān)測結(jié)果具有較高的精準(zhǔn)度與準(zhǔn)確度。因此，對分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討與分析已經(jīng)成為當(dāng)前相關(guān)研究人員的重要研究方向。文章對分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩中的應(yīng)用進(jìn)行分析，僅僅是為分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

2 分布式光纖傳感技術(shù)的基本概述

分布式光纖傳感技術(shù)主要依靠的原理是光波在光纖中進(jìn)行傳輸時所體現(xiàn)的特征：光波在光纖中進(jìn)行傳播時能夠沿著光纖長度方向進(jìn)行連續(xù)的傳感測量，測量的主要因素包括溫度、應(yīng)力、變形以及壓力等。在光波傳輸?shù)倪^程中，光纖既是一種經(jīng)過測量的傳輸介質(zhì)，同時也是傳感介質(zhì)，因此，光纖傳感技術(shù)可以對整個光纖長度上的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行持續(xù)的實時測量，并且能夠根據(jù)被測量的空間轉(zhuǎn)換對空間的分布狀態(tài)進(jìn)行實時測量，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與時效性。分布式光纖傳感技術(shù)不可缺少的重要設(shè)備就是分布式光纖傳感器，當(dāng)前各個智能大壩所使用的分布式光纖傳感器具有很多應(yīng)用優(yōu)勢：擁有較強(qiáng)的抗干擾抗電磁性能，并且在使用過程中不會產(chǎn)生輻射，另外還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。這些優(yōu)點可以使分布式光纖傳感器對光纖路徑上傳輸?shù)臏y量內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確有效的測量，并且可以很好地保證測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。另外，激光脈沖在光纖中進(jìn)行傳輸時，因為光纖中存在雜質(zhì)導(dǎo)致激光與光纖發(fā)生相互作用，產(chǎn)生了瑞利散射、拉曼散射以及布里淵散射三種散射光影響分布式光纖傳感技術(shù)的測量結(jié)果，因此，在對分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行研究時，出現(xiàn)了瑞利散射分布式光纖傳感技術(shù)、拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)以及布里淵散射光纖傳感技術(shù)三種研究方向[1]。

3 智能大壩安全監(jiān)測中分布式光纖傳感技術(shù)的構(gòu)建原理

智能大壩的基礎(chǔ)系統(tǒng)是實時傳感感知模塊，這一系統(tǒng)主要是通過智能傳感系統(tǒng)實現(xiàn)傳感的感知功能的，而智能傳感系統(tǒng)的應(yīng)用原理是對人的感官與大腦的協(xié)調(diào)動作進(jìn)行有效模擬實現(xiàn)的。與此同時，還要根據(jù)長期的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)以及實際監(jiān)測經(jīng)驗才能確保智能傳感系統(tǒng)的有效性。一般在對智能大壩傳感器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，主要依靠智能傳感監(jiān)測模塊、智能監(jiān)測類型以及大壩內(nèi)部設(shè)置的智能傳感器等共同運(yùn)行，才能實現(xiàn)大壩的智能監(jiān)測與自動采集分析信息的目的。但是，在智能大壩運(yùn)行過程中可能存在很多問題影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度與可靠性，因此，還要注意對智能傳感器系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測與預(yù)測設(shè)計，以便及時發(fā)現(xiàn)大壩智能監(jiān)測存在的不足與誤差，盡早改進(jìn)優(yōu)化，確保智能大壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)采集信息與處理信息的準(zhǔn)確性，確保智能大壩監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

總之，智能傳感器系統(tǒng)其實是一項綜合技術(shù)系統(tǒng)，是當(dāng)前智能通信技術(shù)中較為先進(jìn)的新興技術(shù)，通常可以有效監(jiān)測大壩的變形、位移、溫度、應(yīng)力以及滲流等異常情況，及時對出現(xiàn)變化的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸與分析，并根據(jù)分析的結(jié)果對大壩進(jìn)行自動化合理化的施工管理以及運(yùn)行調(diào)度等工作，能夠較好地保證大壩的穩(wěn)定安全運(yùn)行狀態(tài)。而在智能傳感器系統(tǒng)中應(yīng)用分布式光纖傳感的相關(guān)技術(shù)可以提高智能大壩安全監(jiān)測的效率與準(zhǔn)確性。在智能大壩安全監(jiān)測中應(yīng)用的分布式光纖傳感技術(shù)一般為光纖應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)與分布式光纖裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，以這兩種監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過光纖傳感技術(shù)對大壩的溫度、滲漏情況以及位移變化等進(jìn)行實時連續(xù)監(jiān)測，確保分布式光纖傳感技術(shù)在智能傳感器系統(tǒng)中能夠充分發(fā)揮作用，提高智能大壩的監(jiān)測質(zhì)量；并且能夠根據(jù)監(jiān)測的施工過程對施工方案進(jìn)行及時調(diào)整，確保施工進(jìn)度與施工質(zhì)量。智能大壩安全監(jiān)測中應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)的基本構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩中應(yīng)用的基本結(jié)構(gòu)

4 分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用分析

4.1 分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用意義

通常情況下，對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測內(nèi)容主要包括大壩的建設(shè)工程施工過程與大壩的日常運(yùn)行過程。在監(jiān)測過程中必須根據(jù)實際的施工情況與運(yùn)行情況對大壩工程發(fā)生的位移、變形、溫度、滲流、加速度以及應(yīng)力等因素的變化進(jìn)行實時準(zhǔn)確的監(jiān)控，并且要根據(jù)采集到的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行全面科學(xué)的分析，再根據(jù)分析結(jié)果對大壩的施工過程與運(yùn)行工作進(jìn)行有效合理地管理與安排，這樣才能保證大壩建設(shè)施工的進(jìn)度與質(zhì)量，確保大壩運(yùn)行過程的穩(wěn)定性與安全性，從而保證大壩運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。但是，最初使用的傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測環(huán)境的要求極高，并且很容易受到外界電磁干擾，安裝施工的難度相對較高，更重要的是對大壩的運(yùn)行情況不能進(jìn)行實時全面監(jiān)測，嚴(yán)重影響了大壩安全監(jiān)測工作的有效性與可靠性。而將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在智能大壩安全監(jiān)測中可以有效解決以上問題，對提高大壩運(yùn)行效益十分有利。

4.2 智能大壩裂縫預(yù)測和監(jiān)測中分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用

對大壩混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行實時有效監(jiān)測是確保大壩堅固性與穩(wěn)定性的重要內(nèi)容。但是，在實際監(jiān)測過程中，經(jīng)常因為受到其他因素的影響，不能對大壩混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這在很大程度上影響了大壩修補(bǔ)的最佳的時間，對大壩的穩(wěn)定性運(yùn)行也產(chǎn)生不利影響。而分布式光纖傳感技術(shù)可以結(jié)合使用分布式光纖裂縫傳感器系統(tǒng)與分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)對大壩混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫位置進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測與精準(zhǔn)定位，并且根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)出預(yù)警信息以及處理解決方案，提高大壩監(jiān)測的效率與質(zhì)量。另外，還可以對光纖傳感技術(shù)對大壩的內(nèi)部應(yīng)力變化進(jìn)行全面監(jiān)測，然后制定合理科學(xué)的大壩負(fù)載分布方案，降低施工誤差，提高大壩的整體性能，避免大壩出現(xiàn)裂縫[2]。

4.3 大壩混凝土結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測中拉曼散射分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)瑞利散射分布式光纖傳感技術(shù)、布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)以及拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，拉曼散射光對溫度的敏感度更高，可以對監(jiān)測環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)，同時可以自動補(bǔ)償溫度，提高監(jiān)測準(zhǔn)確度。這樣可以大大提高分布式光纖傳感技術(shù)對大壩的溫度傳感監(jiān)測質(zhì)量。拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)研究比較成熟完善，產(chǎn)品化程度較高，目前三峽、百色等大壩安全監(jiān)測中都使用了以拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的智能大壩監(jiān)測系統(tǒng)。

5 結(jié)語

總而言之，將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在智能大壩安全監(jiān)測工作中可以有效提升大壩監(jiān)測的效率與質(zhì)量，對大壩的裂縫以及其他問題進(jìn)行提前預(yù)測，有助于工作人員及時采取相應(yīng)的預(yù)防與解決措施。這在很大程度上提升了智能大壩運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。在利用分布式光纖傳感技術(shù)對智能大壩進(jìn)行監(jiān)測時，相關(guān)工作人員必須對大壩的變形、位移、溫度以及應(yīng)力等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的傳感監(jiān)測，確保監(jiān)測的數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性，才能更好的保證大壩能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 鄭涵.智能大壩安全監(jiān)測中分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用方法[J].大科技，2016（19）.

[2] 閆娜娜.分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].大科技，2016（28）.