光纖光柵傳感器在長距離有壓引水隧洞中的應用

游 艇，劉 韜，孫 強

（1.遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽 110006；2.遼寧省大伙房水庫輸水建設局調度信息處，遼寧沈陽 110006）

0 引言

某在建長距離有壓引水隧洞工程，壓力約0.7 MPa，沿途穿越地形地質條件復雜，有溝谷、河流、斷層等。根據規(guī)范要求和工程需要，在某些較大斷層、溝谷淺埋段、外水壓力較大洞段等可能影響工程安全的部位，布置監(jiān)測儀器進行監(jiān)測[1]，但由于振弦式等傳統儀器監(jiān)測信號傳輸距離較短，無法滿足某些監(jiān)測斷面信號傳輸要求，而光纖光柵傳感器具有：1）光纖損耗小、傳輸距離遠；2）天然抗電磁干擾能力強；3）良好的抗老化耐腐蝕性能；4）動態(tài)響應快；5）可移植性強等優(yōu)點[2～4]。目前已廣泛應用于大型結構工程、巖土工程、交通工程、石油化工、采礦工程等領域[5]。根據光纖光柵傳感器以上特點，工程選擇光纖光柵傳感器作為安全監(jiān)測儀器。

1 傳感器原理及應用現狀

1.1 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵為光纖光柵式傳感器的敏感部件。光纖光柵是通過紫外線照射光纖中的一小段光纖，導致纖芯折射率發(fā)生變化而制成的一種光纖無源器件[6]，光柵可以反射特定波長的光波，或者濾除特定波長的透射光[2]。光纖光柵分為短周期光柵（FBG）和長周期光柵（LPG）[5]，工程傳感器光柵類型為短周期光柵（FBG），也稱為布拉格（Bragg）光柵。

根據模耦合理論，光柵反射波長滿足的Bragg方程見公式（1）[2]：

式中：λB為光纖光柵的中心波長，nm；Λ為光柵周期或柵距，nm；neff為纖芯的有效折射率。

當環(huán)境溫度或光纖光柵所受應變發(fā)生變化時，Λ和neff均產生變化，反射波長λB就會產生漂移，通過檢測波長變化，可實現溫度、應變等外界物理量變化[7]。

1.2 應用現狀

光纖光柵傳感器在無壓引水隧洞安全監(jiān)測中有少量應用，如大伙房水庫應急入連工程輸水隧洞的安全監(jiān)測[8]、牛攔江引水工程隧洞的安全監(jiān)測。筆者查閱相關文獻，在有壓引水隧洞安全監(jiān)測中，目前還沒有工程應用光纖光柵傳感器。

2 信號傳輸距離選擇

光纖光柵傳感器雖然具有信號傳輸距離遠的特點，有文獻介紹傳輸距離可達35 km[8]，但綜合考慮斷層分布、傳感器之間串并聯光損、傳感器與主干傳輸光纜連接光損、工程實用性、可檢修性等要求，工程實際設置監(jiān)測斷面距離采集站最遠約4.1 km。工程中HJ1監(jiān)測數據采集站各斷面信號傳輸距離。

3 隧洞監(jiān)測斷面設置及傳感器布置

結合光纖光柵傳感器信號傳輸距離選擇及地質條件，引水隧洞共設置25個監(jiān)測斷面，其中檢修豎井前設置16個斷面，重點對隧洞進口巖塞爆破影響深度、進口集渣坑、集渣坑與檢修豎井連接段等部位進行安全監(jiān)測；檢修豎井后設置9個斷面，對Ⅳ、Ⅴ類圍巖破碎帶處、可能對圍巖穩(wěn)定造成影響的斷層處及地下水位較高洞段進行安全監(jiān)測。工程襯砌結構監(jiān)測和外水壓力監(jiān)測傳感器典型布置圖，見圖1，2。

圖1 襯砌結構監(jiān)測典型布置圖（單位：mm）

圖2 外水壓力監(jiān)測典型布置圖（單位：mm）

4 傳感器串并聯應用及光纜根數選擇

4.1 串聯和并聯應用

光纖光柵傳感器具有可以串聯或并聯的特點，通過尾纖的串聯或并聯，可實現傳感器的串聯或并聯。具有兩端尾纖的傳感器，如鋼筋計、應變計、無應計、測縫計、錨桿應力計等通過尾纖連接進行串聯；具有一端尾纖的傳感器，如滲壓計通過耦合器進行并聯。串聯或并聯后的傳感器，兩端尾纖均可與主干傳輸光纜對應編號的光纖熔接接入采集設備，既可實現監(jiān)測信號的冗余采集，又可滿足工程監(jiān)測需要，減少主干光纜光纖芯數和光纖光柵解調儀采集通道數。

工程根據光纖光柵傳感器串并聯特點，結合傳感器波長分配，對監(jiān)測斷面的傳感器進行串聯和并聯設計，傳感器串聯個數控制在3～7支之間，傳感器并聯個數控制在3～6支之間。某監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鞯拇摵筒⒙?，見圖3。

圖3 某監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鞔⒙撨B接示意圖

4.2 監(jiān)測斷面主干傳輸光纜根數選擇

工程一個監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鹘涍^串或并聯，尾纖數不小于6，可單獨敷設1根主干傳輸光纜；若一個監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鹘涍^串或并聯，尾纖數不大于4，可考慮2～3個斷面?zhèn)鞲衅鬟B接到一根主干傳輸光纜上。

5 斷面接頭保護盒及主干傳輸光纜定制

5.1 斷面接頭保護盒

斷面接頭保護盒主要起保護傳感器尾纖串并聯接頭及其和主干傳輸光纜接頭的作用。

由于現有的室外光纜接頭盒不滿足使用要求，工程斷面接頭保護

盒結合工程應用環(huán)境定制，結構、耐水壓性能檢驗方法分別參照YD/T814.3-2005《光纜接頭盒第三部分：淺海光纜接頭盒》第5.4節(jié)及附錄B執(zhí)行，其余性能指標參照YD/T814.1-2013《光纜接頭盒第1部分：室外光纜接頭盒》相關規(guī)定執(zhí)行。

斷面接頭保護盒的尺寸需滿足保護耦合器和斷面尾纖匯接的空間要求，光纜安放裝置有順序地存放光纖接頭和足夠長的余留光纖。

5.2 主干傳輸光纜

工程所用主干傳輸光纜結合有壓隧洞應用環(huán)境定制。

光纜主要技術指標：

1）應用環(huán)境：長期位于0.7 MPa壓力隧洞光纜溝槽回填混凝土中；

2）光纖類型：G.652D光纖；

3）允許拉力（N/10 cm）：短期不小于 10 000，長期不小于5 000；

4）張力最小彎曲半徑（m）：不小于 0.7 m，無張力最小彎曲半徑（m）：不小于0.55 m；

5）允許光纖附加衰減：小于0.1dB；

6）光纜壽命：不小于25年。

光纜的耐水壓性能檢驗方法參照GB/T18480-2001《海底光纜規(guī)范》附錄C執(zhí)行，其它性能指標參照GB/T 7424.3-2003《光纜 第3部分：分規(guī)范室外光纜》和GB/T 13993.2-2014《通信光纜第2部分：核心網用室外光纜》相關規(guī)定執(zhí)行。

6 結論

1）通過采用光纖光柵傳感器，解決了有壓隧洞長距離監(jiān)測斷面信號傳輸問題，目前安裝的225支光纖光柵式傳感器運行良好，測值穩(wěn)定，表明光纖光柵傳感器在有壓隧洞安全監(jiān)測中的穩(wěn)定性和實用性，可為長距離有壓引水隧洞工程安全監(jiān)測提供參考。

2）工程每個監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅骶M行了串并聯設計，實現監(jiān)測信號的冗余采集，減少主干光纜光纖芯數和光纖光柵解調儀采集通道數。

3）結合有壓隧洞應用環(huán)境，對斷面接頭保護盒、主干傳輸光纜提出定制要求，目前已安裝的定制斷面接頭保護盒及主干傳輸光纜運行良好。

［1］SL 725-2016，水利水電工程安全監(jiān)測設計規(guī)范［S］.

［2］國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心.巖土工程安全監(jiān)測手冊（第三版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［3］張俊.光纖光柵傳感器在橋梁振動監(jiān)測中的應用研究［J］.交通科技，2016，279（6）：12-14.

［4］潘恒飛，楊慶，周克明.FBG應變計在引水隧道二次襯砌安全監(jiān)測中的應用與研究［J］.大壩與安全，2016（02）：11-13,18.

［5］徐國權，熊代余.光纖光柵傳感技術在工程中的應用［J］.中國光學,2016（03）：306-317.

［6］周克明，楊建喜，錢亞俊.光纖光柵儀器在引水工程中的應用［J］.水利信息化,2015（04）：44-47.

［7］李飛，朱鴻鵠，張誠成.地基變形光纖光柵監(jiān)測可行性的試驗研究［J］.浙江大學學報(工學版).2017（01）：204-210.

［8］張玉宏，李雙麟，紀林.光纖光柵技術在輸水隧洞安全監(jiān)測中的應用［J］.水利建設與管理，2012（增刊）：23-24.