定點(diǎn)式布設(shè)光纖技術(shù)在管道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

白純鋼王西地 楊萌

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院 北京 100083 2.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 北京 100010）

1 研究背景

城市排水管網(wǎng)是城市排水設(shè)施重要的組成部分，是城市的“地下血脈”。隨著城市的發(fā)展，排水管線的長(zhǎng)度在過(guò)去的20年里飛速增長(zhǎng)。與城市燃?xì)?、輸油、供水等管網(wǎng)設(shè)施相比，排水管網(wǎng)具有管道新舊混雜，結(jié)構(gòu)材質(zhì)多樣，對(duì)基礎(chǔ)和地基擾動(dòng)敏感等特點(diǎn)，因此排水管結(jié)構(gòu)在外力作用下極易發(fā)生變形破壞。近年來(lái)地下空間開(kāi)發(fā)利用加劇了對(duì)排水管的擾動(dòng)和影響，施工造成地下排水管損壞的案例逐漸增多，排水管結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)和管網(wǎng)破壞的預(yù)防預(yù)控已經(jīng)成為排水行業(yè)亟待解決的問(wèn)題[1]。

污水管道安全檢測(cè)方法可以分為污水管道泄漏檢測(cè)方法和污水管道防破壞預(yù)警方法，污水管道泄漏檢測(cè)方法主要有人工巡線檢測(cè)法、漏磁檢測(cè)法、超聲檢測(cè)法、照相檢測(cè)法、質(zhì)量/流量檢測(cè)法和負(fù)壓波檢測(cè)法等，目前技術(shù)發(fā)展已較為成熟，但受制于檢測(cè)機(jī)理的原因，不能對(duì)污水管道的變形及時(shí)作出預(yù)警，只能用于管道泄露后的搶險(xiǎn)與補(bǔ)救。因此，作為一種科學(xué)、可靠的監(jiān)測(cè)方法，光纖傳感技術(shù)近年來(lái)已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、土木、水利、計(jì)量測(cè)試電力、能源、環(huán)保、智能結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域，尤其在輸油管道和燃?xì)夤艿辣O(jiān)測(cè)中發(fā)揮了巨大作用，且表現(xiàn)出長(zhǎng)距離，大范圍，長(zhǎng)期穩(wěn)定、耐腐蝕、成本低、測(cè)試精度高、定位精確等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2 定點(diǎn)式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)

定點(diǎn)式光纖有多層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的傳感光纖采用定點(diǎn)注膠的方式與光纜的護(hù)套固定在一起。在兩個(gè)固定點(diǎn)之間，傳感光纖與護(hù)套處于松套狀態(tài)，進(jìn)而將巖土的變形均勻分布在兩個(gè)固定點(diǎn)之間，實(shí)現(xiàn)巖土體變形的分段獲取，如圖1所示。為滿(mǎn)足巖土體變形的監(jiān)測(cè)要求，兩固定點(diǎn)間的傳感光纖應(yīng)預(yù)先張拉。

圖1 定點(diǎn)感測(cè)光纖結(jié)構(gòu)

定點(diǎn)式應(yīng)變傳感光纜采用獨(dú)特的內(nèi)定點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)空間非連續(xù)、非均勻應(yīng)變的分段測(cè)量，具有極好的機(jī)械性能和抗拉抗壓性能，能與巖土體、混凝土結(jié)構(gòu)很好地耦合。定點(diǎn)式應(yīng)變傳感光纜具有分布式監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)范圍大、傳感裝置簡(jiǎn)潔、安裝方便以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可直接進(jìn)行位移換算，可用于各類(lèi)巖土體大變形的監(jiān)測(cè)，如地面沉降、地面塌陷、地裂縫、混凝土結(jié)構(gòu)變形等。定點(diǎn)式應(yīng)變傳感光纜既能夠?qū)σ延辛芽p進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)二維或者三維網(wǎng)格化布設(shè)，實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)多條裂縫的監(jiān)測(cè)[3-6]。

3 管道變形模型實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證分布式光纖監(jiān)測(cè)的可行性與可靠性，本實(shí)驗(yàn)利用分布式光纖監(jiān)測(cè)排水管變形的人工升降臺(tái)來(lái)模擬排水管變形。

3.2 實(shí)驗(yàn)概況

本次實(shí)驗(yàn)中，將五個(gè)升降臺(tái)將五個(gè)內(nèi)徑為800mm、長(zhǎng)為2.5m的排水管串聯(lián)進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，采用定點(diǎn)布設(shè)光纖的方式將一條光纖沿排水管外壁中部自上而下布設(shè)一個(gè)回路，如圖2所示。串聯(lián)在一起的5個(gè)排水管存在4個(gè)連接承插口，分別記為A、B、C、D。為了使承插口處的光纖處于拉緊狀態(tài)，在承插口兩側(cè)安裝兩個(gè)卡具，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)卡具之間的平均應(yīng)變可以求出對(duì)應(yīng)光纖段的拉伸量。升降臺(tái)的調(diào)節(jié)裝置位于其正下方，通過(guò)人工調(diào)節(jié)升降臺(tái)高度使管節(jié)承插口處發(fā)生變形，從而利用定點(diǎn)光纖對(duì)該變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用卷尺測(cè)量每個(gè)承插口處的光纖拉伸量。通過(guò)分析排水管變形程度與光纖應(yīng)變變化之間的關(guān)系，從而驗(yàn)證分布式光纖在排水管變形監(jiān)測(cè)中的可行性。通過(guò)對(duì)比分析光纖監(jiān)測(cè)與卷尺測(cè)量的光纖長(zhǎng)度變化量?jī)煞N數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證分布式光纖在排水管變形監(jiān)測(cè)中的可靠性。

圖2 實(shí)驗(yàn)管道模型

3.3 數(shù)據(jù)采集

（1）光纖安裝完畢之后，取初始值，包括：光纖初始頻率、每個(gè)承插口兩端卡具之間的光纖長(zhǎng)度。

（2）將B插口兩端乘降臺(tái)下放3mm，測(cè)量每個(gè)承插口兩端卡具之間的光纖長(zhǎng)度，并測(cè)量光纖頻率。

（3）將B插口兩端乘降臺(tái)累計(jì)下放5mm，測(cè)量每個(gè)承插口兩端卡具之間的光纖長(zhǎng)度，并測(cè)量光纖頻率。

（4）繼續(xù)將C插口兩端乘降臺(tái)累計(jì)下放5mm，測(cè)量每個(gè)承插口兩端卡具之間的光纖長(zhǎng)度，并測(cè)量光纖頻率。

（5）繼續(xù)將B插口兩端乘降臺(tái)累計(jì)下放15mm，測(cè)量每個(gè)承插口兩端卡具之間的光纖長(zhǎng)度，并測(cè)量光纖頻率。

（6）繼續(xù)將C插口兩端乘降臺(tái)累計(jì)下放15mm，測(cè)量每個(gè)承插口兩端卡具之間的光纖長(zhǎng)度，并測(cè)量光纖頻率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果用中誤差表示定點(diǎn)式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度，具體公式如下：

其中：V=v-T，v-定點(diǎn)式光纖所測(cè)變形值；T-卷尺所測(cè)變形值（可視為真值）；n-測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果組數(shù)。

經(jīng)計(jì)算定點(diǎn)式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量中誤差為±0.39mm，通過(guò)二者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果有很好的一致性，對(duì)比結(jié)果及誤差值如圖3、圖4所示。

圖3 光纖監(jiān)測(cè)與卷尺測(cè)量值對(duì)比

圖4 兩種監(jiān)測(cè)手段相對(duì)誤差值

5 結(jié)論

本文采用定點(diǎn)式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)與卷尺直接測(cè)量?jī)煞N手段對(duì)管道承插口間的變形量進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：定點(diǎn)式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量中誤差為±0.39mm，說(shuō)明本技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度為±0.39mm，同時(shí)根據(jù)兩種監(jiān)測(cè)手段數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出二者監(jiān)測(cè)結(jié)果有很好的一致性，滿(mǎn)足相關(guān)工程規(guī)范要求，驗(yàn)證了應(yīng)用定點(diǎn)式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在管道變形監(jiān)測(cè)的可行性。

（2）采用定點(diǎn)布設(shè)的方法，可提高感測(cè)光纖的監(jiān)測(cè)精度和量程，有效捕捉到分布于兩個(gè)定點(diǎn)間裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而對(duì)管道的危險(xiǎn)區(qū)域給予及時(shí)的預(yù)警。

（3）定點(diǎn)式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)具有分布式、長(zhǎng)距離、耐腐蝕、直接監(jiān)測(cè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是管道變形監(jiān)測(cè)一種十分有效的新手段，能很好地滿(mǎn)足管道變形監(jiān)測(cè)的需要，在管道變形監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。