分布式光纖傳感技術(shù)在輸水隧洞工程中的應(yīng)用

陸岸典，黃井武，姚曉慶，唐欣薇

（1、廣東粵海珠三角供水有限公司 廣州 511458；2、廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司 廣州 510635；3、廣東科正水電與建筑工程質(zhì)量檢測有限公司 廣州 510170；4、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510640）

0 引言

目前，大多數(shù)輸水隧洞以傳統(tǒng)點式傳感元件作為隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的主要測量手段，如振弦式、差阻式傳感器等。該類傳統(tǒng)點式傳感器應(yīng)用廣泛，價格便宜，定點測量時能穩(wěn)定地獲取測量數(shù)據(jù)，但存在著不可忽視的弊端，如引線繁多、安裝復(fù)雜、檢測效率低等，且點式傳感器只能進行局部定點測量，不能獲取連續(xù)不間斷的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分布。

分布式光纖是一種以光導(dǎo)纖維作為載體進行測量的傳感技術(shù)，相比傳統(tǒng)的點式傳感器，分布式光纖傳感器具有長距離、分布式、高精度測量及抗干擾和抗腐蝕性強、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點［1］，兼之其安裝較為輕便，近年來，開始逐漸應(yīng)用到土木工程監(jiān)測領(lǐng)域中［2-8］，且技術(shù)日臻成熟。為彌補現(xiàn)有輸水隧洞測量中常規(guī)點式傳感技術(shù)的不足，本文引入分布式光纖技術(shù)對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進行測量，探討了分布式光纖傳感技術(shù)在輸水隧洞工程中的應(yīng)用。

1 光纖傳感技術(shù)

1.1 工作原理

光纖傳感技術(shù)是以光波作為載體、以光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)的新型傳感技術(shù)，能高效、準確地感應(yīng)測量信號，并沿光纖進行傳輸，進而被探測器捕捉并經(jīng)處理器處理成可用信息。光纖感測系統(tǒng)主要包括光源、傳輸光纖、傳感器、探測器及信號處理器等（見圖1）。其中，光纖中探測器與信號處理器組成光纖解調(diào)儀，是光纖測量的重要組成部分，直接決定了測量結(jié)果的優(yōu)劣。

圖1 光纖傳感技術(shù)的基本原理Fig.1 Basic Principles of Optical Fiber Sensing

但光纖傳感技術(shù)因其材料及工作原理亦存在不足之處，如光纖解調(diào)時間長和易損壞等。隨著測量距離的增加，光纖解調(diào)儀的解調(diào)時間也將變長。而測量所使用的光導(dǎo)纖維主要成分為SiO2，易因彎折、擠壓等發(fā)生損壞，在使用過程中應(yīng)加強保護。

1.2 技術(shù)分類

分布式光纖傳感技術(shù)包括準分布式與全分布式兩類。

1.2.1 準分布式

準分布式光纖傳感技術(shù)（見圖2）將多個傳感器串聯(lián)在一起，一根光纖能同時測量多個測點，如光纖布拉格光柵（FBG）。

圖2 準分布式光纖傳感Fig.2 Quasi-distributed Optical Fiber Sensing

光纖布拉格光柵是通過相位掩模法等刻寫技術(shù)改變纖芯折射率形成的窄帶濾波器，其測量精度高且穩(wěn)定性較好，信號解調(diào)速度快，但因同時對溫度和應(yīng)變敏感，使用時為消除溫度誤差需進行溫度補償。

1.2.2 全分布式

全分布式光纖傳感技術(shù)（見圖3），光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感器元件，基于光的散射通過解調(diào)光纖散射光信息可獲取溫度、應(yīng)變等信息，極大地減少了傳感器數(shù)量及傳感設(shè)備所占用空間。

圖3 全分布式光纖傳感Fig.3 Fully Distributed Optical Fiber Sensing

光纖傳輸中產(chǎn)生的散射光分瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射3 種，結(jié)合頻域和時域解調(diào)差異，全分布式光纖解調(diào)技術(shù)可分為瑞利光時域反射計（OT?DR）、拉曼光時域反射技術(shù)（ROTDR）、布里淵散射光分析（BOFDA、BOTDA、BOTDR）等。常見的幾種全分布式光纖感測技術(shù)對比如表1所列。

表1 常見的幾種全分布光纖感測技術(shù)對比Tab.1 Comparison of Fully Distributed Optical Fiber Sensing Technologies

1.3 與傳統(tǒng)傳感器的對比

饒志強等人［9］針對巖土工程中光纖傳感器和傳統(tǒng)點式傳感器開展了對比試驗，結(jié)合船閘深孔結(jié)構(gòu)、沿江堤防等工程案例，分析得到前者各項性能指標優(yōu)于后者，靈敏度高出1～2個量級，具有精度高、量程大、抗干擾強等優(yōu)點。因而，該技術(shù)目前已逐步推廣于長距離隧道、油氣管線泄漏、邊坡穩(wěn)定、大面積地裂縫變形等監(jiān)測工程中。此外，該技術(shù)亦推廣應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)科研試驗，驗證了分布式光纖能夠準確定位，可直觀反映多層復(fù)合結(jié)構(gòu)斷面連續(xù)變形規(guī)律，彌補了傳統(tǒng)測量技術(shù)散點間斷測量、精度較低、抗干擾較差等不足，極大地提高試驗測量的成功率與測試效率［10］。

2 應(yīng)用案例

2.1 工程概況

珠三角水資源配置工程是國務(wù)院要求加快建設(shè)的172 項重大水利工程之一，全長113.2 km。輸水隧洞結(jié)構(gòu)選型極為復(fù)雜，需開展襯砌結(jié)構(gòu)原位試驗，探討結(jié)構(gòu)承載機理，為結(jié)構(gòu)選型提供參考。本文以“管片-自密實混凝土-鋼管”（見圖4）疊合式襯砌結(jié)構(gòu)原位試驗為例，介紹分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用與實施案例。

圖4 疊合式襯砌結(jié)構(gòu)Fig.4 superimposed linings structure

作為一種聯(lián)合承載的襯砌結(jié)構(gòu)，疊合式襯砌結(jié)構(gòu)具有充分發(fā)揮材料性能、可承受高內(nèi)壓等優(yōu)勢，但襯砌結(jié)構(gòu)承載機理復(fù)雜，需要針對結(jié)構(gòu)各部位變形特征及受力性能進行測量。為更好地獲取襯砌結(jié)構(gòu)的相關(guān)測量數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果應(yīng)滿足連續(xù)測量、少引線、施工便捷等要求，為彌補傳統(tǒng)點式傳感器的不足，原位試驗廣泛引入分布式光纖技術(shù)，如圖5所示。

圖5 應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)Fig.5 Distributed Optical Fiber Sensing Application Technology

2.2 光纖測量方案

借助于分布式光纖傳感技術(shù)，本次試驗需獲取以下測量內(nèi)容：①外襯管片內(nèi)表面混凝土應(yīng)變分布；②中襯SCC應(yīng)變分布；③內(nèi)襯鋼管應(yīng)變分布。

針對不同材料及構(gòu)件，本次測量采用準分布式光纖布拉格光柵（FBG）和全分布式光纖進行監(jiān)測，F(xiàn)BG光纖用于管片內(nèi)表面混凝土應(yīng)變監(jiān)測，全分布式光纖用于鋼管外表面應(yīng)變和SCC 外表面混凝土應(yīng)變監(jiān)測。監(jiān)測部位及現(xiàn)場施工照片如圖6所示，儀器參數(shù)如表2所示。并采用圖7 所示的NZS-FBG-A02 光纖光柵解調(diào)儀和fTB 5020 布里淵光頻域分布式光纖應(yīng)變/溫度解調(diào)儀。

表2 監(jiān)測儀器及參數(shù)Tab.2 Monitoring Sensors and Parameters

圖6 監(jiān)測部位及現(xiàn)場施工Fig.6 Monitoring Sites and On-site Laying

圖7 BOFDA及FBG解調(diào)儀Fig.7 BOFDA and FBG Demodulators

3 結(jié)果分析

光纖布拉格光柵監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，應(yīng)變以受拉為“+”，受壓為“-”。

3.1 管片混凝土監(jiān)測結(jié)果分析

圖8結(jié)果顯示，隨內(nèi)壓的增加，混凝土整體呈現(xiàn)受拉趨勢。混凝土應(yīng)變在0～0.15 MPa變化較大，與試驗內(nèi)壓加載模擬方案［11］有關(guān)，加載系統(tǒng)安裝耗時較長，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變形。

圖8 測試結(jié)果Fig.8 Monitoring Results

位于拱頂處B1-1 測點管片混凝土應(yīng)變最大，拱側(cè)的B2-2和F測點混凝土應(yīng)變則相對較小，應(yīng)變過渡相對較為平緩。

3.2 自密實混凝土監(jiān)測結(jié)果分析

自密實混凝土澆注前，地層荷載已由管片襯砌變形所平衡。SCC 澆注后，可認為地層引起的自密實混凝土初始應(yīng)變較小。

當拉應(yīng)變超出C30 峰值拉應(yīng)變+95 με 時，可認為自密實混凝土已發(fā)生開裂［12］。監(jiān)測結(jié)果表明，自密實混凝土外弧面應(yīng)變沿環(huán)周方向有多處拉應(yīng)變峰值，應(yīng)變隨隧洞內(nèi)水壓力上升而增加。0.35 MPa 內(nèi)壓時，沿環(huán)周25°、110°和186°自密實混凝土最先發(fā)生開裂；0.75 MPa 內(nèi)壓時，開裂區(qū)域達近10 處，與實際中混凝土裂縫多處發(fā)展相符，而此時右拱肩L1 塊（25°附近）最大拉應(yīng)變?yōu)?542 με。

3.3 鋼管監(jiān)測結(jié)果分析

相比自密實混凝土的集中開裂，鋼管應(yīng)變比較均勻，內(nèi)壓加載過程中，鋼管外弧面環(huán)向拉應(yīng)變逐漸增大，即鋼管表現(xiàn)為向外膨脹的變形趨勢。

因內(nèi)壓加載裝置存在安裝空隙，且自密實混凝土開裂會引起鋼管應(yīng)力分布改變，聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)鋼管在圓周方向上應(yīng)變存在多處波峰波谷交錯現(xiàn)象，說明鋼管呈現(xiàn)為整體受拉、局部受彎的拉彎狀態(tài)，與文獻［11］所述分開受力結(jié)構(gòu)相符。

4 結(jié)論

本文以光纖傳感技術(shù)為研究對象，詳細地介紹了光纖傳感技術(shù)的原理、分類及特點，并以珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞為例闡述了分布式光纖的應(yīng)用及布設(shè)工作，結(jié)果顯示，隨著內(nèi)壓的增加，襯砌結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)受拉趨勢，拉應(yīng)變過渡較為平滑，監(jiān)測結(jié)果符合工程實際。

分布式光纖傳感技術(shù)具有精度高、監(jiān)測效率高、穩(wěn)定性好、儀器安裝便捷等優(yōu)點，在工程實踐中可在較短的時間內(nèi)完成儀器鋪設(shè)及測量工作，在空間上獲取連續(xù)應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果。分布式光纖傳感技術(shù)在輸水隧洞領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，具有良好的推廣應(yīng)用價值。