光纖傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王毅

摘要：在巖土工程施工過(guò)程中，外部環(huán)境相對(duì)較差，受材料破壞、地質(zhì)災(zāi)害、使用方法和疲勞效應(yīng)等多方面因素的影響，工程結(jié)構(gòu)可能存在開(kāi)裂變形、地基沉降和穩(wěn)定性衰減等問(wèn)題。因此，加強(qiáng)健康評(píng)估和安全監(jiān)測(cè)迫在眉睫。針對(duì)光纖傳感器具有精度高、抗干擾、成活率高等優(yōu)點(diǎn)，以光纖傳感器的原理和分類為突破口，詳細(xì)闡述了其在巖土工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并以分布式光纖傳感技術(shù)為例，對(duì)其布設(shè)方法進(jìn)行了分析，為巖土工程安全監(jiān)測(cè)提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：光纖傳感技術(shù);巖土工程;安全監(jiān)測(cè)

光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用由來(lái)己久，早在20世紀(jì)80年代就在美、英、日等國(guó)家進(jìn)入了實(shí)用化，其是依托于半導(dǎo)體光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)，具備寬帶大、耐環(huán)境、體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢(shì)，并在智能電網(wǎng)、鐵路監(jiān)測(cè)、石油工業(yè)等多領(lǐng)域中得以推廣和應(yīng)用，而當(dāng)前“中國(guó)制造、一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，公路、橋梁、石油、礦山等沿途工程建設(shè)數(shù)量和規(guī)模將快速增加，但因?yàn)閹r土工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期較長(zhǎng)，使用環(huán)境較為惡劣，且容易受到外界環(huán)境負(fù)載、疲勞效應(yīng)及材料老化等因素的影響，工程結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)邊坡的失穩(wěn)破壞、混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂變形、地基基礎(chǔ)沉降等問(wèn)題，因此，將支持大規(guī)模、高密集、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)式和分布式測(cè)量引巖土工程安全監(jiān)測(cè)及健康評(píng)估之中，并就布設(shè)方法及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

一、光纖傳感器技術(shù)的概述

光纖傳感技術(shù)是依托于半導(dǎo)體光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，其具備寬帶大、耐環(huán)境、體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢(shì)。

1.1光纖傳感器技術(shù)的工作原理分析

光纖傳感器技術(shù)是集成光電技術(shù)、光導(dǎo)纖維及光通信技術(shù)于一體的綜合性應(yīng)用技術(shù)，與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的最大區(qū)別是其以光纖為導(dǎo)體，其具備高精度、環(huán)境耐受力、抗干擾性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及高效傳輸性，尤其適用于空間狹小、潮濕、腐蝕性強(qiáng)等特殊環(huán)境，也因此被廣泛應(yīng)用在石油、礦場(chǎng)、隧道、電力及水利工程之中，其基本工作原理是借助光纖對(duì)溫度、壓力等外部環(huán)境的敏捷感知力，將光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合后傳輸至調(diào)制器，促使監(jiān)測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光互相作用后，引發(fā)傳輸光波強(qiáng)度、頻率、相位、偏振態(tài)、溫度、壓力、位移等物理特征參數(shù)發(fā)生直接或間接改變，而后將光纖作為傳感元件來(lái)測(cè)量光參數(shù)的變化，從而完成監(jiān)測(cè)外界被測(cè)物理量的目的。

1.2光纖傳感器技術(shù)的主要類別

根據(jù)巖土工程安全監(jiān)測(cè)的實(shí)踐分析，依據(jù)隨距離增加可否實(shí)現(xiàn)被測(cè)量基體的連續(xù)監(jiān)測(cè)劃分為：點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式和分布式等幾類，其中，點(diǎn)式光纖傳感技術(shù)存在邁克爾遜干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)和非本征型法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)幾類，對(duì)于結(jié)構(gòu)局部變形的高精度監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)適用性，準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖布拉格光柵，通過(guò)波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)建多點(diǎn)準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，分布式光纖傳感技術(shù)是依據(jù)沿線光波分布參量，并獲取對(duì)傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間及空間變化的被測(cè)量的分布信息，適用于長(zhǎng)距離、大范圍的持續(xù)性監(jiān)測(cè)。

1.3光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢(shì)

作為我國(guó)巖土工程安全監(jiān)測(cè)工作中的重要工藝，其具有以下優(yōu)勢(shì)：①較高的可靠性。因光纖光柵是使用波長(zhǎng)編碼的形式進(jìn)行信息的監(jiān)測(cè)的，而波長(zhǎng)又是一種絕對(duì)的參數(shù)，所以，其不會(huì)受到因光源功率的波動(dòng)以及光纖彎曲等因素的變動(dòng)引起的系統(tǒng)損耗的影響，基于此，光纖光柵傳感器具有較好的可靠性以及穩(wěn)定性。②具有抵抗干擾的能力。監(jiān)測(cè)量是一種波長(zhǎng)信息，且其不會(huì)受到因光源功率波動(dòng)以及光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響，所以，其具有較好的抵抗電磁干擾以及腐蝕的能力，且具有較好的電絕緣性，同時(shí)，其導(dǎo)線以及傳感器也具備較好的防雷功效，也不會(huì)受到潮濕環(huán)境的影響，耐久性也較好，并且還具有抵抗包括高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境以及化學(xué)侵蝕的能力，抵抗環(huán)境的能力較強(qiáng)。③具有較高的靈敏度以及測(cè)量精度。精確的透射還有反射特征使其能夠更加準(zhǔn)確的反映應(yīng)力以及溫度發(fā)生的變化。但光源譜寬對(duì)其測(cè)量動(dòng)態(tài)實(shí)際范圍存在一定的限制，且不存在多值函數(shù)問(wèn)題。④較高的測(cè)量效率。將多個(gè)光纖光柵傳感器運(yùn)用于單路光纖中，可以形成一種分布式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還能對(duì)大型的工程進(jìn)行分布式的測(cè)量，且其測(cè)量點(diǎn)較多，測(cè)量的范圍也較大。⑤具有較好的適應(yīng)性。對(duì)于光纖傳感技術(shù)來(lái)說(shuō)，其中使用的傳感頭的具體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且其尺寸也較小，質(zhì)量也輕，能夠在各種各樣的應(yīng)用場(chǎng)合中運(yùn)用，特別適合于埋入材料內(nèi)部構(gòu)成所謂的智能材料或結(jié)構(gòu)。

二、光纖光柵傳感器技術(shù)指標(biāo)選擇

2.1中心波長(zhǎng)

在FBG反射光譜中對(duì)應(yīng)的反射峰值實(shí)際波長(zhǎng)即為反射譜中尖峰的中心波長(zhǎng)。同時(shí)，這些峰值的波長(zhǎng)會(huì)隨著被測(cè)量環(huán)境物理量的變化發(fā)生一定的變化，例如當(dāng)溫度升高或是應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，F(xiàn)BG傳感器的峰值波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)。此外，如果一個(gè)峰值的波長(zhǎng)為1535.050nm的傳感器從25℃加熱到35℃時(shí)，傳感器的峰值波長(zhǎng)將會(huì)增加到1535.150nm，且每℃變化為10pm。

2.2反射率

所謂反射率，即為FBG反射光譜中反射峰值的功率與入射光功率的比值。具體來(lái)說(shuō)就是，隨著光纖光柵反射率的增高，返回到測(cè)量系統(tǒng)的光功率就越大，同時(shí)，相應(yīng)的測(cè)量距離也就越大，且反射效率也會(huì)越來(lái)越高，而帶寬越窄，光柵則會(huì)越穩(wěn)定。此外，較小的反射概率使得噪音對(duì)其的影響較大，而對(duì)波長(zhǎng)查詢儀器工作的要求就會(huì)越來(lái)越高，進(jìn)而對(duì)測(cè)量的精度造成一定的影響。這時(shí)，為了能夠獲得最好的性能，光柵反射率一般都需大于90%，但在單純的強(qiáng)調(diào)高反射率的同時(shí)，也需全面考慮到邊模抑制。

2.3傳感器的長(zhǎng)度

對(duì)于巖土工程的安全監(jiān)測(cè)工作，傳感光柵的長(zhǎng)度是決定測(cè)量點(diǎn)精確程度的重要因素，具體來(lái)說(shuō)，光柵的長(zhǎng)度越小，測(cè)量點(diǎn)就越精確。但在實(shí)際操作過(guò)程中，還需對(duì)光柵涉及的各種參數(shù)進(jìn)行全面的考慮，且光柵越短，反射率就會(huì)越低，帶寬則會(huì)越寬。在光柵很短的情況下，其反射率以及帶寬都是很難滿足相應(yīng)的要求的，所以一定要在做好此三者的協(xié)調(diào)。此外，對(duì)于0.25nm的帶寬，傳感器光柵的物理長(zhǎng)度應(yīng)為10mm，這個(gè)長(zhǎng)度適合于大多數(shù)物理量的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。當(dāng)然，通過(guò)改變帶寬，不同的傳感光柵長(zhǎng)度也是可以達(dá)到相應(yīng)的工程安全監(jiān)測(cè)的要求的。

2.4傳感器波長(zhǎng)間隔

所謂的傳感器的波長(zhǎng)間隔，其主要是指兩個(gè)FBG中心波長(zhǎng)的差。其中，對(duì)于FBG傳感器陣列，其主要涉及了大量的傳感光柵，因此，必須要確保能“尋址”每一個(gè)光柵，也就是按照獨(dú)立的變化中心波長(zhǎng)確定每一個(gè)光柵。這就要求每個(gè)通道內(nèi)各個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)以及其工作范圍要不產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，這時(shí)需考慮以下兩方面的內(nèi)容：傳感光柵之間的緩沖區(qū)以及每個(gè)傳感光柵的探測(cè)范圍。此外，巖土工程安全監(jiān)測(cè)工作中具體探測(cè)范圍是由測(cè)量范圍決定的，且測(cè)量范圍越大，探測(cè)范圍就越大。

2.5緩沖區(qū)

對(duì)于巖土工程安全監(jiān)測(cè)工作中兩個(gè)相鄰的傳感光柵，必須要留置一個(gè)緩沖區(qū)域，并以此來(lái)確保第一個(gè)光柵最大波長(zhǎng)與第二個(gè)光柵最小波長(zhǎng)不相交。同時(shí)，在安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中，還需考慮到傳感器在制造過(guò)程中存在的中心波長(zhǎng)的誤差，一般為±0.5nm，精度比較高大約為±0.05nm。且必須將這個(gè)誤差加到緩沖區(qū)內(nèi)，進(jìn)而保證設(shè)計(jì)的間隔符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。所以，在進(jìn)行光纖光柵傳感器的選用時(shí)，要綜合考慮傳感器數(shù)、傳感器波長(zhǎng)間隔、緩沖區(qū)和測(cè)量范圍等內(nèi)容，進(jìn)而使其滿足所需的要求。

三、光纖傳感器技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1光纖傳感器與被測(cè)基體的耦合

在巖土工程結(jié)構(gòu)變形測(cè)量中，因受封裝材料、中問(wèn)介質(zhì)力學(xué)特質(zhì)及尺寸效應(yīng)等的干擾，光纖傳感器應(yīng)變與被測(cè)基體實(shí)際應(yīng)變不能歸一為1：1的關(guān)系，而是存在一個(gè)應(yīng)變傳遞過(guò)程，對(duì)于測(cè)量基體變形的精準(zhǔn)測(cè)量具有重要影響，而工程監(jiān)測(cè)中應(yīng)變傳遞率多通過(guò)提升光纖傳感器與被測(cè)基體的耦合性來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這需要保持光纖傳感器表層材料及中間耦合材料與被測(cè)基體材料的契合性，以規(guī)避滑動(dòng)、移動(dòng)問(wèn)題，而且還要確保兩者力學(xué)特性的相似，以最大限度維持同步變形，預(yù)防嚴(yán)重的剪切位移，耦合材料存在原位與自配之分，但都是為了與原位材料保持特質(zhì)的相似性，以提升應(yīng)變傳遞率。

3.2光纖傳感器的二維變形監(jiān)測(cè)

光纖傳感器是沿軸向的一維變形，因材料特性的影響，其不能承受較大的橫向剪切變形，實(shí)際測(cè)量中，受軸向變形和橫向變形的雙重作用，為此，光纖傳感器技術(shù)是置于二維或三維變形環(huán)境中的一維監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法有效監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形狀況，需要對(duì)光纖傳感器的布設(shè)方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以完成二維、三維結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，目前常用的二維變形監(jiān)測(cè)方法有：首先，光纖應(yīng)變化，Lienhart將3個(gè)大型SOFO光纖傳感器依照120。角度布設(shè)于同一水平面上，構(gòu)造成應(yīng)變花結(jié)構(gòu)，根據(jù)測(cè)得不同方向上的應(yīng)變，可得出應(yīng)變橢圓弧度?變化;其次，基于FBG的節(jié)理式偏斜儀水平位移監(jiān)測(cè)，也即借助節(jié)理式設(shè)計(jì)來(lái)限制光纖的軸向變形，可在某一方向自由彎曲，利用應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系計(jì)算水平位移，但存在±2。的最大可量范圍限制，實(shí)用性較差。

3.3光纖傳感器的三維變形監(jiān)測(cè)

在運(yùn)用分布式光纖傳感器技術(shù)進(jìn)行工程監(jiān)測(cè)時(shí)，可將3～4根分布式光纖傳感器等角度沿軸向粘貼到桿體或管體表面，此種布置方法可支撐該光纖傳感器的三維變形測(cè)量，方法是基于彎矩的積分計(jì)算，依據(jù)協(xié)管4個(gè)方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)信息來(lái)對(duì)水平和垂直方向的變形量進(jìn)行反推，位移靈敏度可達(dá)1mm·m-1，最大安全位移為15mm.m-1。ITEN等在邊坡樁基上布設(shè)了4根分布式傳感光纖測(cè)量其滑動(dòng)量，并與3年測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明該方法能夠有效監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性。

四、光纖傳感技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

為詳細(xì)分析光纖傳感器技術(shù)在巖土工程安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的布設(shè)方案，本文以某大型水電工程為例，運(yùn)用分布式光纖傳感器技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)基座沿壩軸線方向存在的裂縫位置與寬度，以監(jiān)測(cè)基座在施工期蓄水期及運(yùn)行期的變形工作狀態(tài)，從而及時(shí)修護(hù)裂縫、滲漏，具體而言，光纖傳感在混凝土基座捏的布置范圍為壩0+130.00～0+340.00，將兩條連續(xù)分布的折線形光纖傳感器回路布置在心墻基座內(nèi)，形成4條布設(shè)在成型鋼筋下方的傳感光路組成的監(jiān)測(cè)空間，各個(gè)光路由3種以折線形水平和垂直分布的傳感光纖構(gòu)成，光纜沿監(jiān)測(cè)廊道、灌漿廊道分段分層由左向右，引入右岸廊道內(nèi)的監(jiān)測(cè)室。上層光纖水平布置于基座頂面高程以下30cm處，先用光纖形狀的Ф6.5鋼筋固定在頂面下第二層Ф36的受力鋼筋上，在完成全部鋼筋的綁扎焊接后，而后在Ф6.5鋼筋上進(jìn)行傳感光纖綁扎，下層上游側(cè)面光纖以立式方式布置在一期混凝土防滲墻鑿除段頂縫面上的一層鋼筋上，在受力鋼筋上將冷彎成型的Ф6.5鋼筋并排焊接，在焊接完成全部鋼筋后，在Ф6.5鋼筋上進(jìn)行光纖綁扎，下游側(cè)光纖以立式方式在最外層受力鋼筋外側(cè)焊接Ф6.5鋼筋，而后在Ф6.5鋼筋上完成光纖綁扎。完成上述布設(shè)后，將進(jìn)行模板的架立，光纖埋設(shè)時(shí)應(yīng)確保安全與穩(wěn)定性，混凝土入倉(cāng)時(shí)、端槽入倉(cāng)應(yīng)避免與光纖的沖突，為預(yù)防已布設(shè)光纖的損壞，振搗器須與光纖距離20cm之上，光纖盤在每澆筑倉(cāng)末端由堵頭模板內(nèi)引出后放置在保護(hù)鋼箱內(nèi)，完成光纖布設(shè)后以通導(dǎo)儀來(lái)檢測(cè)其光纖通導(dǎo)狀況，存在斷點(diǎn)的，應(yīng)以光纖熔接機(jī)予以及時(shí)修補(bǔ)。在混凝土防滲墻基座內(nèi)光纖是以折線形構(gòu)型布置的，其折線波長(zhǎng)、高、夾角分別為135cm，50cm，10.69°，光纖曲率半徑≥60cm，光纖露頭以大于5mm壁厚的橡膠管予以保護(hù)，同時(shí)，要盡力保證光纖的完整性，盡量不留接頭，最終將所有終端盒聯(lián)接后通過(guò)傳輸光纖引入監(jiān)測(cè)室。完成布設(shè)后，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)，左岸、河槽段、右岸三測(cè)區(qū)傳感光纖運(yùn)行良好，可以支撐基座所有關(guān)鍵部位滲漏及裂縫的監(jiān)測(cè)，成活率達(dá)到52%，與常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)性。

結(jié)語(yǔ)：

在我國(guó)，巖土工程安全監(jiān)測(cè)廣泛采用傳統(tǒng)的電量測(cè)試技術(shù)，但由于工程因素和自身技術(shù)的限制，這些測(cè)試技術(shù)很難滿足巖土工程測(cè)試的某些要求。大型巖土工程的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施體積大、跨度大、分布面積大、使用壽命長(zhǎng)。傳統(tǒng)的電氣傳感設(shè)備組成的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在性能穩(wěn)定性和耐久性方面已不能滿足工程實(shí)踐的需要。

參考文獻(xiàn)

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