光纖光柵傳感技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

呂磊 陳劍

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引言

水工結(jié)構(gòu)中壩體的安全運(yùn)營關(guān)系國家與社會的穩(wěn)定。從上世紀(jì)80年代開始，全世界工程師都關(guān)注于工程監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用[1-2]，各類型監(jiān)測技術(shù)不斷地被研發(fā)，水利工程中健康監(jiān)測的技術(shù)也出現(xiàn)了很多新的類型[3]?；谧詣踊到y(tǒng)的健康監(jiān)測手段在水利工程中頻繁應(yīng)用，例如差阻式傳感器及振弦式傳感器被大量采用，取得了一系列成果[4]。

近年來隨著新型光纖光柵傳感設(shè)備在橋梁工程中的成功應(yīng)用，其耐久性好、精度高、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)被水利工程師所看重，逐步應(yīng)用到水工結(jié)構(gòu)檢測中[5]，相比較橋梁工程，水工結(jié)構(gòu)有其自身特點(diǎn)，因此需要針對性解決一系列問題[6]。

本文以某水工混凝土結(jié)構(gòu)為工程背景，對光纖光柵傳感設(shè)備在日常監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，為今后的相關(guān)應(yīng)用提供一定的參考。

1 光纖光柵傳感基本原理

相較于傳統(tǒng)傳感設(shè)備，光纖光柵基于光纖傳輸特性，起源于光纖通信技術(shù)。光纖光柵傳感技術(shù)近年來發(fā)展快速，例如在土木工程中，道路橋梁工程的健康檢測廣為使用[7]。

光纖傳感器中的光纖和一般通訊光纖結(jié)構(gòu)相似，分為三個部分：纖芯、包層和涂覆層。光纖纖芯以二氧化硅為主，基于全內(nèi)反射物理原理，特定的光波會在纖芯中傳輸[8]。在特定波段的寬光譜光作用下，纖芯存在著光敏感特性，光纖折射率會根據(jù)光源的不同特征而發(fā)生變化。光纖中形成一定周期的折射率變化，這是光纖光柵的應(yīng)用基礎(chǔ)。

光纖光柵傳感器是一種準(zhǔn)分布式傳感器，在其某一范圍內(nèi)，沿光纖軸向使纖芯折射率發(fā)生周期性變化而形成芯內(nèi)體光柵。因此，應(yīng)力應(yīng)變、溫度差異變化的量測，可以通過監(jiān)測光纖光柵中波長的變值而準(zhǔn)確量測[8]。

光纖光柵傳感器，其結(jié)構(gòu)形式是非常簡單的。在高溫或酸堿的不良環(huán)境中能長期應(yīng)用，并且相比其他類型，穩(wěn)定性好，可靠度高。在傳導(dǎo)光纖上，可以完全完成多位置布設(shè)、多參數(shù)獨(dú)立測量，從而在復(fù)雜的水工結(jié)構(gòu)中是可以充分發(fā)揮其能力的。

2 水工混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)控要點(diǎn)

在全服役周期內(nèi)，水工混凝土結(jié)構(gòu)通常會面臨高速水流的滲透、侵蝕、沖刷、磨耗，同時，各種外部荷載也不斷變化。絕大多數(shù)工程會在設(shè)計、施工中存在一定的先天缺陷。各種內(nèi)外因素不斷作用和累積，構(gòu)筑物必然會產(chǎn)生一定程度的結(jié)構(gòu)問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性下降，結(jié)構(gòu)在使用中可能出現(xiàn)開裂、變形位移等病害，結(jié)構(gòu)的使用安全面臨不小的風(fēng)險。

大多數(shù)的水工結(jié)構(gòu)監(jiān)測包含了位移監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集及后處理等，其中，結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測主要有水平和豎直位移、基礎(chǔ)沉降量、變形縫變形量等；結(jié)構(gòu)滲流監(jiān)測主要包括結(jié)構(gòu)物本身以及結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)、建筑物基底及邊界處滲透壓力及滲流量；應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測由三個部分構(gòu)成：內(nèi)部鋼筋應(yīng)力監(jiān)測、混凝土應(yīng)力監(jiān)測、巖土壓力監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集及后處理的目的是對各監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析。

3 光纖光柵傳感系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 光纖光柵傳感器選擇

在實(shí)際使用中，光纖傳導(dǎo)需要考慮信號衰減、互擾的問題，由于光纖傳感設(shè)備信號傳輸中存在損耗，一般考慮10%的能量損耗[7-8]。在實(shí)際工程中，應(yīng)先根據(jù)需求選擇合適的傳感器調(diào)制方式以及傳感器類型，之后再進(jìn)行傳感器的布設(shè)安裝。

在大型新建工程中，構(gòu)建施工監(jiān)控或者后期運(yùn)營健康監(jiān)測系統(tǒng)，用埋入式光纖光柵布設(shè)方案較為科學(xué)，效果更好；已運(yùn)營的工程結(jié)構(gòu)，一般以外部設(shè)置為主，有損安裝方式輔助，將不同類型的傳感器安裝在結(jié)構(gòu)的重要位置進(jìn)行健康監(jiān)控。

3.2 傳感器優(yōu)化布置

水工結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需考慮各類傳感器的優(yōu)化布置，目的是通過用最小的成本來準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)時狀態(tài)，減小資源浪費(fèi)。

關(guān)于優(yōu)化傳感器布置，目前集中關(guān)注以下方面：第一，盡量使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳感器，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)時傳遞與共享；第二，采用遺傳算法對監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的優(yōu)化布點(diǎn)優(yōu)化計算和修正。國內(nèi)外有很多工程師采用廣義遺傳算法進(jìn)行傳感器優(yōu)化布置設(shè)計，或者采用關(guān)鍵截面插值擬合誤差最小準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化配置。

水工混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間存在服役環(huán)境復(fù)雜多變等影響，目前還沒有統(tǒng)一的傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布設(shè)應(yīng)用方法。在實(shí)際服役期間，傳感器的布設(shè)數(shù)量十分巨大，需要根據(jù)實(shí)際工程單獨(dú)或者參考同類工程設(shè)計和使用某種優(yōu)化方法。目前大型水工結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題是成本太高，系統(tǒng)的可靠度偏低。傳感器布設(shè)位置、布設(shè)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)的魯棒性等問題都是后續(xù)值得關(guān)注的問題。

3.3 水工混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

以某水工混凝土結(jié)構(gòu)為例，采用光纖光柵傳感器構(gòu)建其健康監(jiān)測系統(tǒng)?；炷两Y(jié)構(gòu)的主體部分，側(cè)面的中下部，橫截面結(jié)構(gòu)板頂、板底對稱線位置，以及主體過渡區(qū)段都需要重點(diǎn)關(guān)注。此外，在出入水口的輔助建筑，如檢修室以及渠段口底部，同樣是設(shè)置監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域。這樣的設(shè)置和實(shí)際需求非常接近，實(shí)際監(jiān)控設(shè)計同時需要通過數(shù)值分析找到較為敏感的位置，也就是受力最不利的區(qū)域、荷載比較集中的地方，并結(jié)合工程設(shè)計和實(shí)際施工，進(jìn)行傳感器合理布設(shè)和安全健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

綜合考慮該工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域和關(guān)注點(diǎn)主要包含結(jié)構(gòu)斷面最不利部位的應(yīng)力和裂縫實(shí)測；不同的區(qū)段搭接止水位置的滲流以及位移測量；土壓力監(jiān)測；引水、出水渠道變化段的滲流測量；結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力應(yīng)變傳感器優(yōu)化布置需要計算結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)，綜合考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，采用遺傳算法優(yōu)化計算和修正。

本結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)采用的是分布式監(jiān)測體系，監(jiān)測中心獨(dú)立設(shè)置。重要混凝土結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測設(shè)備基于自動采集，傳送到數(shù)據(jù)中心。設(shè)定數(shù)據(jù)采集儀單一通道，根據(jù)規(guī)定時間自動采集、存儲數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信采用無線傳輸。全部監(jiān)測設(shè)備的率定、安裝、施工期觀測、儀器保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、整理、分析及資料整編等工作和實(shí)際施工同步進(jìn)行。

健康監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容有：水體滲流、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、水位、錨桿應(yīng)力、位移、裂縫等。在重點(diǎn)斷面布設(shè)光纖光柵傳感器，在設(shè)計位置按要求布設(shè)數(shù)量不等的傳感器（1～4個），其中滲流傳感器與結(jié)構(gòu)間距須嚴(yán)格按照設(shè)計要求布設(shè)。

4 結(jié)論

本文采用新型的光纖光柵傳感技術(shù)，考量了水工混凝土結(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)，對運(yùn)營期健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了初步探索。

1）對水工結(jié)構(gòu)日常監(jiān)測相關(guān)理論和研究進(jìn)行了一定總結(jié)，同時對比分析了傳統(tǒng)監(jiān)控手段的缺陷和不足，闡述新型光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢和特點(diǎn)；

2）基于新型光纖光柵傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)化布點(diǎn)原則，開展光纖光柵多參數(shù)體系的構(gòu)建；

3）基于結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)架設(shè)原則，結(jié)合實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)，建立了日常健康監(jiān)測機(jī)制，完成基于新技術(shù)的系統(tǒng)理論構(gòu)架。