光纖光柵監(jiān)測儀器在長距離隧洞中的應(yīng)用

葉雷震，宋漢耀

（1.杭州市水利水電工程質(zhì)量安全管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310016；2.杭州市千島湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

隨著水利水電工程的快速發(fā)展，水利水電項目中隧洞建設(shè)的規(guī)模和距離日益趨增，水工隧洞設(shè)計及施工直接影響隧洞使用年限[1]，而安全監(jiān)測又是水利工程建設(shè)施工和工程安全評估不可缺少的部分。目前，振弦式和電阻式監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性受檢測距離限制，難以滿足遠程工程監(jiān)測需要。設(shè)備電纜長度超過一定范圍，會對傳感器數(shù)據(jù)的精度和可靠性產(chǎn)生影響，難以正常獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。光纖光柵FBG技術(shù)采用可適應(yīng)長距離傳輸?shù)墓饫w作為媒介，將對應(yīng)的解調(diào)設(shè)備安裝于終端，實現(xiàn)安全監(jiān)測半自動化。基于杭州第二水源千島湖配水工程，本文主要介紹光纖光柵監(jiān)測儀器在長距離水利隧洞中的應(yīng)用。

2 工程概況

千島湖配水工程從新安江水庫上游淳安金竹牌村附近取水，通過全封堵暗管將水引至杭州市閑林水庫配水井進行水量分配，為杭州市民提供優(yōu)質(zhì)的千島湖原水。千島湖—閑林水庫輸水建筑物包括輸水隧洞、埋管、跨江建筑物、沿線事故檢修設(shè)施、交通洞以及閑林控制閘等。千島湖—閑林水庫輸水線路長113.22 km，其中輸水隧洞混凝土襯砌段長約102.29 km，平底圓形斷面，襯后直徑6.7 m。

3 FBG傳感檢測原理

FBG傳感檢測是通過改變纖芯區(qū)折射率，產(chǎn)生小的周期性波動，通過調(diào)制器解碼生成成果。當(dāng)檢測點或周邊溫度和應(yīng)力發(fā)生變化，光纖在軸向上隨之產(chǎn)生變化，傳輸周期變大而光纖芯層和包層半徑變小，通過光的彈性效應(yīng)改變光纖折射率引起光柵波長偏移，擬合計算得到被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 FBG傳感系統(tǒng)原理圖

在光纖中，由于纖芯折射率在光纖的軸向上呈現(xiàn)周期性變化，形成FBG，同時在一定條件下，當(dāng)入射波長與FBG的周期符合公式（1）時，光柵對入射激光進行反射。FBG反射的波長λB與柵格間距及光纖折射率呈線性函數(shù)關(guān)系，光纖軸向發(fā)生應(yīng)變或溫度變化即可引起柵格間距及折射率的變化，反射波長也隨之發(fā)生相應(yīng)改變，通過檢測λB的變化量得到光纖變形量或溫度變化量。

式中：λ為反射波波長（mm）；neff為光纖纖芯折射率；Λ為光柵柵距（mm）。

研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變和溫度均與中心波長λB存在很好的線性關(guān)系，且相互獨立，其關(guān)聯(lián)公式見式（2）。

式中：αε為光纖光柵應(yīng)變的靈敏系數(shù)；αT為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)；ΔT為溫度變化值（℃）；ε為應(yīng)變量。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)BG波長解調(diào)精度最高可達1 pm，應(yīng)變測試精度可達1個微應(yīng)變，溫度解調(diào)精度可達0.1 ℃。光纖光柵主要通過測量FBG反射波長變化，從而實現(xiàn)光纖光柵應(yīng)變或溫度測量。由于應(yīng)變測試精度非常高，將FBG通過特殊手段加持到彈性元件上，經(jīng)過精密加工，最終可成為壓力、位移、傾斜及應(yīng)力等性能可變的傳感器，實現(xiàn)多元化變量的傳感測試技術(shù)。

4 監(jiān)測布置及技術(shù)要求

4.1 監(jiān)測布置

采用光纖光柵鋼筋計及光纖光柵應(yīng)變計對混凝土襯砌應(yīng)變及鋼筋應(yīng)力進行監(jiān)測[2-4]。本工程共布置3個監(jiān)測斷面，分別位于石毛畈主支洞交匯部位、江家弄淺埋段及西塢山主支洞交匯部位。每個斷面布置10支混凝土應(yīng)變計、2支溫度計和1支無應(yīng)力計監(jiān)測斷面的襯砌應(yīng)變情況，布置7支鋼筋應(yīng)力計和1支溫度計監(jiān)測斷面的鋼筋受力變化情況，合計每個監(jiān)測斷面共布置21支光纖光柵傳感器。光纖光柵儀器典型斷面監(jiān)測布置見圖2。

圖2 光纖光柵儀器典型斷面監(jiān)測布置圖 單位：cm

由于儀器采用串聯(lián)的方式，為防止采集過程中設(shè)備或線纜斷路造成數(shù)據(jù)丟失，施工過程中將兩端光纖引出，以保證數(shù)據(jù)通道的有效性，最終在斷面匯合，采用主光纜合并連接后引至終端解調(diào)儀位置。通過對儀器波長的采集和出廠設(shè)定的參數(shù)系數(shù)進行分析計算，得出斷面位置的應(yīng)力應(yīng)變變化情況[5]。光纖光柵儀器斷面監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 光纖光柵儀器斷面監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 光纖光柵監(jiān)測技術(shù)要求

4.2.1 傳感器現(xiàn)場檢驗

（1）光纖光柵設(shè)備安裝埋設(shè)后，大多無法進行更換和維修，所以在監(jiān)測設(shè)備到場后需要進行現(xiàn)場檢驗，以保證儀器的有效性?，F(xiàn)場使用特定的檢驗設(shè)備，對儀器應(yīng)力進行分段改變并采集數(shù)據(jù)，計算儀器設(shè)備的參數(shù)并與儀器出廠參數(shù)進行比對，判斷儀器的可靠性和穩(wěn)定程度。

（2）光纖光柵解調(diào)儀器包括用于現(xiàn)場儀器檢驗的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，必須保證在檢定有效期內(nèi)。

4.2.2 安裝埋設(shè)技術(shù)要求

（1）前期準(zhǔn)備工作包括溝通協(xié)調(diào)和現(xiàn)場情況踏勘。初步了解現(xiàn)場地質(zhì)情況、儀器設(shè)計布置方案以及法律法規(guī)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)要求；盡量在穩(wěn)定、安全且光線充足的室內(nèi)環(huán)境做好光纖光柵傳感器的組裝和熔接準(zhǔn)備工作；現(xiàn)場安裝時，輔助機械、主要工具和安全防護設(shè)施必須保證到位。

（2）光纖光柵傳感器的安裝埋設(shè)需考慮走線和布線，注意光纖線纜的曲率問題和安裝要求，不能隨意彎折或者彎曲角度過大導(dǎo)致光纖內(nèi)部纖芯破碎，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范、設(shè)計要求進行[6]。

（3）安裝埋設(shè)后對監(jiān)測儀器和線纜的保護要穩(wěn)固、隱蔽，盡量不干擾其他作業(yè)，并且在交叉作業(yè)位置做好旁站保護工作。

5 結(jié) 語

目前廣泛使用的振弦式和電阻式監(jiān)測設(shè)備，難以滿足長距離隧洞遠程監(jiān)測的需要。光纖光柵監(jiān)測儀器在杭州市第二水源千島湖配水工程運行期監(jiān)測中的應(yīng)用結(jié)果表明：光纖光柵FBG采用可適應(yīng)長距離傳輸?shù)墓饫w作為媒介，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作的半自動化，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的前提下，大大提高監(jiān)測成果的準(zhǔn)確性和可靠性。