基于POF-OTDR的混凝土壩裂縫監(jiān)測復用能力分析

包騰飛，趙津磊，李澗鳴

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基于POF-OTDR的混凝土壩裂縫監(jiān)測復用能力分析

包騰飛1, 2, 3，趙津磊4，李澗鳴1, 2, 3

(1. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098；3. 河海大學水利水電學院，南京 210098；4. 江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，揚州 225127)

塑料光纖由于彌補了石英光纖容易斷裂的缺點，且具有大直徑、低成本、高可塑性、良好韌性等優(yōu)良特性，在結構裂縫監(jiān)測領域具有良好的前景．將塑料光纖應用于以混凝土壩為代表的大體積混凝土結構裂縫監(jiān)測時，不僅要求其能夠感知單條裂縫的產生，更需要其具有對結構多處開裂的感知和持續(xù)監(jiān)測能力．為了研究塑料光纖對混凝土結構多條裂縫的監(jiān)測能力，設計了一套模擬結構出現(xiàn)不同角度裂縫的試驗裝置，采用光時域反射技術進行了力光轉換特性試驗，并利用試驗結果推導了單支塑料光纖對裂縫監(jiān)測的復用能力．試驗結果顯示，塑料光纖對裂縫開展的感知敏感性隨塑料光纖與裂縫的夾角和裂縫開度的增大而降低．理論分析表明，塑料光纖的復用能力和敏感性之間存在相互制約關系，即塑料光纖與裂縫夾角較大時，敏感性較大，而復用能力較小，反之亦然．基于以上分析，以某混凝土壩為例結合兩種不同敏感程度的布設方式計算了各壩段開裂情況對光時域反射動態(tài)范圍的消耗量，驗證了以上結論，并對塑料光纖在混凝土壩中的實際裂縫監(jiān)測能力進行了探討和評估．分析表明，塑料光纖雖具有較好的裂縫監(jiān)測復用能力，為避免出現(xiàn)裂縫漏檢的情況，實際應用中建議首尾兩端探測和分壩段布設多條塑料光纖．

塑料光纖；光時域反射；裂縫監(jiān)測；復用能力

結構裂縫監(jiān)測對結構安全評估具有重要意義．然而，由于裂縫具有隨機和不確定的特性，現(xiàn)有技術難以對結構裂縫進行動態(tài)和長期的監(jiān)測．光纖具有分布實時監(jiān)測和遠程長期監(jiān)測的潛力，近來在結構裂縫監(jiān)測方面受到越來越多關注，以往研究對象多為石英光纖[1-2]．塑料光纖(plastic optical fiber，POF)由于克服了石英光纖易斷裂的不足，且具有大直徑、良好韌性、高可塑性、低成本等優(yōu)良特性，在混凝土結構裂縫監(jiān)測方面具有良好的應用前景[3-6]．

由于混凝土壩工程裂縫分布范圍廣而且往往數(shù)量較多，將POF通過一定方式埋設于混凝土壩內時，可能會出現(xiàn)多條裂縫穿過同一條POF的情況，此時POF需具備感知和分辨多處開裂的能力．表征POF對多條裂縫的感知能力的參量主要是復用能力．其大小關系到壩體可探測裂縫的條數(shù)、寬度和分布范圍，對POF分布式裂縫監(jiān)測能力和工程應用潛力的發(fā)揮具有重要意義．吳永紅等[7-9]推導了單模石英光纖微彎損耗方程，對監(jiān)測復用能力進行了定量分析，并通過模型試驗研究了大壩裂縫開展隨機性以及涂覆層對光纖監(jiān)測能力的影響，結合三峽工程泄洪壩段的工程實例分析了光纖裂縫復用能力的工程適用性．錢飛等[10]通過理論分析和模型試驗分析了裂縫開度、夾角和間距對光纖微彎裂縫傳感器復用性能的影響，并提出了復用能力優(yōu)化公式和修正方法．Liu等[11]結合OTDR和TDM技術提出了一種新型光纖布拉格光柵復用方法，并從理論上分析了監(jiān)測復用能力，探討了新型光纖傳感器在航空航天健康監(jiān)測領域的應用．以上研究均為石英光纖，鮮見有塑料光纖對裂縫監(jiān)測復用能力的相關文獻報道．

本文采用光時域反射技術(optical time domain reflect，OTDR)通過試驗研究單支POF對裂縫監(jiān)測的復用能力，并以此為基礎對POF在某混凝土壩裂縫監(jiān)測能力的適用性進行探討．

1?POF-OTDR裂縫監(jiān)測及復用能力

1.1 ?POF中的瑞利散射

POF內部光散射分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，光頻譜如圖1所示．其中，瑞利散射是由于POF材料內部微觀折射率不同而產生的一種光散射現(xiàn)象．可以看出，瑞利散射強度相對較高，可以作為光學特征指標分析光纖的狀態(tài)．

圖1 ?POF內部散射光頻譜

1.2 ?基于POF-OTDR的裂縫分布式監(jiān)測

POF-OTDR技術通過向POF的一端發(fā)射光脈沖并于同一端監(jiān)測POF內部各處的背向瑞利散射強度，實現(xiàn)對POF內部各處光學特性的連續(xù)性測量．由式(1)可見，光纖線路各點瑞利散射強度的返回曲線為一條指數(shù)衰減曲線，在外界因素影響下，當光纖內部某處光強度降低時，該處的瑞利散射強度也會降低，從而導致瑞利散射強度返回曲線出現(xiàn)局部下降的情況．當混凝土結構發(fā)生開裂時，布設在其中的POF會發(fā)生局部變形，從而引起光信號出現(xiàn)局部高損耗．通過OTDR測量POF后向瑞利散射光損耗的位置和大小即可實現(xiàn)對混凝土中的裂縫的分布式監(jiān)測．POF-OTDR光學傳感系統(tǒng)及典型測試界面如圖2所示．

圖2 ?POF-OTDR光學傳感系統(tǒng)及典型測試界面

1.3 POF-OTDR裂縫監(jiān)測復用能力

POF-OTDR裂縫監(jiān)測的復用能力為在OTDR動態(tài)范圍內單支POF能測得的與裂縫寬度相對應的裂縫條數(shù)．

式(3)中指數(shù)項表達式可用于分析POF復用能力的力光轉換關系，即POF光損耗總和表示為

考慮由裂縫引起的光損耗，則個裂縫點引起的光損耗為

圖3 ?POF-OTDR多條裂縫監(jiān)測示意

2? POF-OTDR裂縫監(jiān)測復用能力試驗分析

2.1? POF力光轉換特性試驗

為了得到單一裂縫POF光損耗與裂縫寬度的關系，設計了一套模擬結構出現(xiàn)不同角度裂縫的裝置，如圖4所示，假設裂縫為張開型且POF與裂縫斜交．該裝置由一組有機玻璃板和一臺位移控制平臺組成．使初始緊靠的兩塊玻璃板發(fā)生相對移動而產生縫隙，以此實現(xiàn)張開型裂縫的模擬．用環(huán)氧樹脂膠將POF以不同夾角粘貼于兩玻璃板上，以此控制POF與裂縫的夾角．本研究選用的POF為三菱公司的SH2001-J，OTDR為SCIENTEX Inc.生產的OTDR-2100POF-650-4．

圖4 ?裂縫模擬裝置實物及示意

POF的一端連接OTDR設備，另一端連接一500m的POF線圈(尾纖)．試驗中通過位移控制平臺的搖輪控制圖中上方玻璃板緩慢豎直向上移動，實時記錄裂縫開度值及對應的光損耗水平，當光損耗水平不再發(fā)生明顯變化時停止試驗，將POF與裂縫呈不同角度(30°、45°、60°)布置并進行多次試驗，試驗結果如圖5所示．結果顯示，裂縫開度較大時POF對裂縫開展的感知敏感性降低，而且POF與裂縫夾角較大時POF對裂縫開展的感知敏感性也會降低．

圖5 裂縫模擬試驗中不同角度布置下裂縫開展時POF內部光損耗測試結果

2.2 ?復用能力分析

本文選用的OTDR動態(tài)范圍為17dB，分析處理試驗結果，可推算POF的裂縫監(jiān)測復用能力，如圖6所示．可以看出，整體上POF對裂縫的復用能力隨裂縫開度的增大而減小，而且POF與裂縫的夾角較大時可以獲得較高的復用能力，與圖5得出的敏感性規(guī)律相反．對比不同情況下POF對裂縫的復用能力和敏感性可以得出兩者存在相互制約的關系，即POF與裂縫的夾角較大時，光損耗較低，則POF對開裂較不敏感，而復用能力則較大，反之亦然，因此難以兼顧敏感性和復用能力，均達到最優(yōu)．在實際應用中，應根據(jù)實際情況對兩者進行協(xié)調優(yōu)化，折中處理．即結合工程力學性態(tài)和已有工程資料和經(jīng)驗合理設計POF的布置形式，使POF與裂縫的夾角能保證POF對裂縫的復用能力和敏感性均滿足工程需求，同時取得相對較佳的效果．

圖6?基于裂縫模擬試驗的POF復用能力推算結果

3?工程實例分析

某混凝土壩位于黃河上游干流，其水庫具有多年調節(jié)性能．工程的任務是以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用效益．樞紐由主壩、兩岸重力墩、兩岸重力副壩、泄水建筑物、引水建筑物和水電站廠房等組成．擋水前緣總長度1226m，其中主壩396m，最大壩高178m，最大底寬80m，建基標高2432.0m，壩頂高程2610m．水庫校核洪水位2607m，壩前正常高水位2600m，汛期限制水位2594m，死水位2560m，極限死水位2530m．正常高水位下庫容247×108m3，有效庫容193.5×108m3．電站裝機128×104kW，保證出力58.98×104kW，年發(fā)電量59.42×108kW·h．該工程自蓄水以來，在壩體下游面出現(xiàn)了大量裂縫，以水平裂縫居多，主要分布在拱冠梁9#壩段及其兩邊壩段的2510～2570m高程，其他部位分布較少或以短、小裂縫為主，下游面裂縫分布情況如圖7所示，各壩段裂縫最大開裂寬度及裂縫條數(shù)的檢查情況見表1．

根據(jù)該工程的開裂情況，從整體上初步對POF在實際工程中應用時的復用能力進行分析．在分析中假設每條裂縫與POF只有一個交點，且不考慮相交方式的差異．根據(jù)第2節(jié)所得出的POF對裂縫敏感性與復用能力的相互制約關系，從兩種情況考慮，分別是：①情況1：POF對裂縫敏感性較佳的情況，即POF與裂縫開展方向夾角較小，這里以夾角為30°為例；②情況2：POF對裂縫敏感性較差的情況，即POF與裂縫開展方向夾角較大，這里以夾角為60°為例．

結合第2節(jié)試驗結果和POF復用能力的定義公式(5)，計算了該工程各壩段的開裂情況對OTDR動態(tài)范圍的消耗量(即開裂使POF產生的光損耗量)，結果如表1所示．

由表1中的計算結果可以看出，在情況1即POF與裂縫總體呈較敏感布設方式下，壩體裂縫總體的光損耗需求量為17.154dB，已經(jīng)超出了OTDR的固有動態(tài)范圍．另外，考慮到實際應用中會由于鋪設操作等原因造成額外損耗，該情況下的壩體開裂總體動態(tài)范圍實際需求量大于17.154dB．這說明當使用POF-OTDR技術對裂縫開裂情況進行探測時，如果探測光的方向由壩段3#至壩段16#，則會出現(xiàn)后面若干壩段的開裂無法探測的情況．但是考慮到POF- OTDR技術可以從首尾兩端分別進行探測，即該情況下當將探測光的傳輸方向改為由壩段16#至壩段3#，則可得到漏檢壩段的開裂情況．在情況2即POF與裂縫總體呈敏感性較差布設方式下，壩體裂縫總體光損耗需求量為11.706dB，說明該情況下單條POF即可完成對整個壩段開裂情況的探測．圖8為上述兩種布置情況下各壩段裂縫的動態(tài)范圍消耗量占總消耗量的百分比，可以看出，裂縫引起的光損耗主要發(fā)生在中間壩段，兩種情況下僅拱冠梁附近的7#、8#、9# 3個壩段裂縫的動態(tài)范圍消耗量分別占到了53.61%和51.94%．

圖7? 某混凝土壩下游面裂縫分布

表1 某工程壩體開裂情況及動態(tài)范圍消耗量計算結果

Tab.1 Crack status and dynamic range consumption of a concrete dam

以上分析均基于每條裂縫與POF只有一個交點的理想假設，實際應用中壩體開裂情況錯綜復雜，每條裂縫可能與同一條POF存在多個交點．假設每條裂縫與POF有2個交點且POF與裂縫總體呈較敏感布設方式，如果從壩段3#向壩段16#進行探測，則在9#壩段就會出現(xiàn)開裂無法探測的情況，即使從POF首尾兩端分別進行探測，也會出現(xiàn)中間部分壩段開裂無法探測的情況．因此雖然理論上POF具有較好的裂縫監(jiān)測復用能力，但在實際應用中也應分壩段布設多條POF以保證不會出現(xiàn)裂縫漏檢的情況．由圖7和圖8可知，為了在成本一定的情況下取得更好的監(jiān)測效果，宜在中間壩段靠近下游面的壩體中上部布置多條POF．

圖8 兩種布置情況下各壩段裂縫動態(tài)范圍消耗量占比

4? 結?論

(1) 通過模型試驗研究了POF與裂縫呈不同角度時POF光損耗與裂縫寬度關系，由試驗結果推算了POF監(jiān)測多條裂縫時的復用能力，綜合試驗結果和復用能力關系，可以得出POF監(jiān)測裂縫的復用能力和敏感性之間存在相互制約關系．

(2) 以某混凝土壩為例計算了各壩段的開裂情況對OTDR動態(tài)范圍的消耗量，分析了POF在實際工程中監(jiān)測多條裂縫的能力．

［1］ Barrias A，Casas J R，Villalba S. A review of distributed optical fiber sensors for civil engineering applications[J]. Sensors，2016，16(5)：748.

［2］ Leung C K Y，Wan K T，Inaudi D，et al. Optical fiber sensors for civil engineering applications[J]. Materials and Structures，2015，48(4)：871-906.

［3］ Zhao J，Bao T，Chen R. Crack monitoring capability of plastic optical fibers for concrete structures[J]. Optical Fiber Technology，2015(24)：70-76.

［4］ 包騰飛，李澗鳴，趙津磊. 表面粘貼式塑料光纖與混凝土間應變傳遞模型及敏感性分析[J]. 水利水電科技進展，2018，38(5)：59-64.

Bao Tengfei，Li Jianming，Zhao Jinlei. Modeling and sensitivity analysis of strain transfer between surface-bonded POFs and concrete[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources，2018，38(5)：59-64(in Chinese).

［5］ Zhang C，Zhu H，Shi B，et al. Performance evaluation of soil-embedded plastic optical fiber sensors for geotechnical monitoring[J]. Smart Structures and Systems，2016，17(2)：297-311.

［6］ 包騰飛，趙津磊，李澗鳴. 剪扭作用下塑料光纖力光轉換特性試驗研究[J]. 光子學報，2018，47(4)：219-226.

Bao Tengfei，Zhao Jinlei，Li Jianming. Experiment of optical response characteristics of plastic optical fibers under shear and torsion loading[J]. Acta Photonica Sinica，2018，47(4)：219-226(in Chinese).

［7］ 吳永紅，劉龍江. 裂縫方位對大壩裂縫光纖監(jiān)測復用

能力的影響[J]. 長江科學院院報，2007(1)：20-22.

Wu Yonghong，Liu Longjiang. Effect of crack orientation’s randomness on multiplexing capability of distributed fiber optic concrete dam crack detection[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007(1)：20-22(in Chinese).

［8］ 吳永紅，蘇懷智，高培偉. 混凝土大壩裂縫光纖監(jiān)測關鍵性基本問題的協(xié)同研究[J]. 水力發(fā)電學報，2007(4)：120-123.

Wu Yonghong，Su Huaizhi，Gao Peiwei. Integrated study on key basic problems of fiber optic monitoring cracks in concrete large dams[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2007(4)：120-123(in Chinese).

［9］ 吳永紅，蘇懷智，徐洪鐘，等. 混凝土高壩裂縫光纖分布式監(jiān)測能力的研究[J]. 光子學報，2007(4)：722-725.

Wu Yonghong，Su Huaizhi，Xu Hongzhong，et al. Study on multiplexing capability of huge concrete dam crack distributed fiber opptic monitoring[J]. Acta Photonica Sinica，2007(4)：722-725(in Chinese).

［10］ 錢?飛，佟劍杰. 混凝土壩裂縫分布式光纖監(jiān)測復用能力研究[J]. 水電能源科學，2010，28(1)：70-72，109.

Qian Fei，Tong Jianjie. Study on multiplex capacity of distributed optical fiber monitoring for cracks of concrete dam[J]. Water Resources and Power，2010，28(1)：70-72，109(in Chinese).

［11］ Liu J，Zhang J，Li X，et al. Study on multiplexing ability of identical fiber Bragg gratings in a single fiber[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2011，24(5)：607-612.

［12］ 王惠文，江先進，趙長明，等. 光纖傳感技術與應用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2001.

Wang Huiwen，Jiang Xianjin，Zhao Changming，et al. The Technologies and Application of Optical Fiber Sensing[M]. Beijing：China National Defense Press，2001(in Chinese).

［13］ 謝孔利. 基于φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)[D]. 成都：電子科技大學，2008.

Xie Kongli. Distributed Opric-Fiber Sensing System Based onf-OTDR[D]. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008(in Chinese).

Multiplexing Capability Analysis of Crack Monitoring of a Concrete Dam Based on POF-OTDR

Bao Tengfei1, 2, 3，Zhao Jinlei4，Li Jianming1, 2, 3

(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China；3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4. Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China)

It is widely accepted that plastic optical fiber will have a broad application in the field of crack monitoring. Unlike the optical fibers of silica，this fiber is not easy to break and enjoys the advantages of large diameter，low cost，high plasticity，and good toughness．In the application of plastic optical fibers to crack monitoring of mass concrete structures like concrete dams，not only is the capacity for single crack sensing needed，but also the capacity for sensing and continuous monitoring of multiple cracks．In order to investigate the monitoring ability of plastic optical fibers for concrete structures with multiple cracks，a device which is capable of monitoring different angles between fibers and cracks was designed，and optical experiments using an optical time domain reflectometer were carried out．The crack monitoring multiplexing capability of single plastic optical fibers were then analyzed based on the experimental results．The results showed that the sensitivity of plastic optical fibers in terms of crack propagation decreases with increased angle and crack width．Theoretical analysis indicated that there is a constraint between multiplexing capability and sensibility of plastic optical fibers，i．e.，when the angle between plastic optical fiber and crack was great，the multiplexing capability was high while the sensitivity was low，and vice versa．Based on the above analysis，a concrete dam was studied as an engineering example．Specifically，in consideration of two design layouts，optical loss of plastic optical fibers resulting from cracks was calculated for each dam part．Actual monitoring ability of the plastic optical fibers in the dam is discussed and evaluated．Fibers with both ends showed superiority in real application and，in the process of avoiding missing inspection multiples，offered the good multiplexing capability of the single plastic optical fiber．

plastic optical fiber(POF)；optical time domain reflect；crack monitoring；multiplexing capacity

TN247

A

0493-2137(2019)08-0804-06

10.11784/tdxbz201805039

2018-05-20；

2018-12-10.

包騰飛（1974—??），男，教授.

包騰飛，baotf@hhu.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0401601)；國家自然科學基金資助項目(51579086，51739003，51479054，51379068，41323001)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2018B623X14)；江蘇省杰出青年基金項目(BK20140039)；江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目(KYCX18_0592)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(水利工程)(YS11001).

the National Key R&D Program of China(No.2016YFC0401601)，the National Natural Science Foundation of China (No.51579086，No.51739003，No.51479054，No.51379068，No.41323001)，the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2018B623X14)，the Jiangsu Natural Science Foundation(No.BK20140039)，the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province(No.KYCX18_0592)，the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions(No.YS11001).

(責任編輯：王曉燕)