光纖光柵式設(shè)備在滇中引水工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王和芬 馬敏艷 牟晉民

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021；2.云南水利水電建設(shè)工程技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650021；3.基康儀器股份有限公司，北京 100080)

1 工程簡(jiǎn)介

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程中的標(biāo)志性工程，也是中國(guó)西南地區(qū)規(guī)模最大、投資最多的水資源配置工程。工程由水源工程和輸水工程兩部分組成，水源工程位于麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)，從位于石鼓鎮(zhèn)上游約1.5km的金沙江右岸取水，由泵站提水至總干渠渠首。輸水工程自麗江石鼓鎮(zhèn)望城坡開(kāi)始，途經(jīng)麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，終點(diǎn)為紅河州新坡背，引水線路總長(zhǎng)664.236km。工程受水區(qū)共涉及輸水總干渠沿線6州(市)35個(gè)縣(市、區(qū))的34個(gè)受水小區(qū)，多年平均引水量34.03億m3，設(shè)計(jì)輸水流量135～20m3/s，受益面積3.69萬(wàn)km2，惠及人口1112萬(wàn)。工程靜態(tài)總投資為748.85億元，動(dòng)態(tài)總投資780.48億元，施工總工期96個(gè)月。

輸水總干線全長(zhǎng)664.236km，共布置116座主要輸水建筑物，整條線路以隧洞為主，設(shè)置有隧洞58座，合計(jì)長(zhǎng)611.986km，占干線全長(zhǎng)的92.13%，其中長(zhǎng)度大于25km的隧洞有5條。海東隧洞為上述5條隧洞之一，長(zhǎng)25.29km，設(shè)置有0號(hào)及2號(hào)永久施工支洞，隧洞輸水流量135m3/s，設(shè)計(jì)流量135m3/s，凈斷面采用馬蹄形，R=4.73m，寬×高=9.46m×9.46m[1]。隧洞沿線埋深普遍較大，埋深大于300m的洞段長(zhǎng)約14km，隧洞穿越地層巖性主要為灰色厚層夾中層狀白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖；直接穿越的大小斷層有13條以上；因此隧洞主要存在高地應(yīng)力、硬巖巖爆、高外水壓力、高地溫，活動(dòng)斷裂、軟巖(包括斷層帶)大變形、隧洞突水突泥、有毒有害氣體等問(wèn)題。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)容

海東隧洞為滇中引水工程輸水線路較長(zhǎng)、隧洞埋深較大(埋深最大500m)、開(kāi)挖斷面最大(9.46m×9.46m)，且處于高地震烈度帶(Ⅷ度)、高外水壓帶(最大1.9MPa)、高地溫(最高溫度28.55℃)、地下水環(huán)境影響高敏感區(qū)、軟巖地帶及可溶巖地帶(9.31km)的隧洞，且隧洞穿越多條斷層及斷裂帶(F13)等。

海東隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，且為滇中引水工程開(kāi)工較早的建筑物。因此對(duì)海東隧洞進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，能全面掌握隧洞施工期及運(yùn)行期的總體運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的合理性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保設(shè)計(jì)更趨合理和建筑物的安全可靠，為今后隧洞的理論設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的深入研討積累一定的實(shí)用資料[2]。

根據(jù)海東隧洞的圍巖條件、開(kāi)挖方式、襯砌形式、受力狀態(tài)等選擇具有代表性的洞段或關(guān)鍵部位布置了10個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面、2個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)斷面、3個(gè)位錯(cuò)監(jiān)測(cè)斷面及2個(gè)水位監(jiān)測(cè)斷面等17個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，具體布置見(jiàn)圖1。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為：圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)、襯砌和圍巖的接縫開(kāi)合度監(jiān)測(cè)、活動(dòng)斷裂帶地表位移和襯砌位錯(cuò)監(jiān)測(cè)、襯砌外水壓力監(jiān)測(cè)、襯砌結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)、支護(hù)措施(錨桿、鋼拱架等)受力監(jiān)測(cè)、隧洞沿程水位監(jiān)測(cè)等[3]，共布置了585個(gè)施工期臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和596支永久安全監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖1 海東隧洞縱剖面監(jiān)測(cè)斷面布置

3 監(jiān)測(cè)設(shè)備的選取

海東隧洞長(zhǎng)25.29km，僅有0號(hào)、2號(hào)施工支洞為永久支洞，其余施工支洞需要封堵，因此電(光)纜只能從隧洞進(jìn)出口及0號(hào)、2號(hào)永久檢修洞引出，其中2號(hào)永久支洞至隧洞出口約18.24km，電(光)纜牽引傳輸距離最長(zhǎng)達(dá)7.1km，為滇中引水工程中電(光)纜牽引最長(zhǎng)的隧洞。因此儀器選型必須在滿足測(cè)量精度的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，并力求做到可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用[4]。滇中引水工程海東隧洞安全監(jiān)測(cè)面臨電纜數(shù)量大、牽引距離長(zhǎng)、采用傳統(tǒng)振弦式設(shè)備將存在信號(hào)衰減嚴(yán)重(電測(cè)信號(hào)一般不超過(guò)1.5km)等問(wèn)題，與此同時(shí)，在工程永久安全監(jiān)測(cè)后期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)之后，還將面臨測(cè)檢修測(cè)站多、工作量大、現(xiàn)場(chǎng)供電系統(tǒng)投資大等方面的難點(diǎn)。因此在觀測(cè)斷面選擇、各觀測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)和監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量不變的前提下，為達(dá)到解決問(wèn)題、優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，海東隧洞永久安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)在監(jiān)測(cè)儀器和自動(dòng)化設(shè)備的選擇中，采用了目前工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最新的傳感器技術(shù)成果——光纖光柵式設(shè)備。通過(guò)對(duì)儀器運(yùn)行和監(jiān)測(cè)的可靠性和工程經(jīng)濟(jì)性的綜合比較，選擇振弦式和光纖光柵式傳感器組合的形式；對(duì)于傳輸距離不大于1.5km的監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)設(shè)備選取振弦式，每支儀器電纜經(jīng)洞頂?shù)木€槽引出至洞外觀測(cè)站；對(duì)于傳輸距離大于1.5km的監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)設(shè)備選取光纖光柵式，光纜通過(guò)合理組網(wǎng)接入接線盒后，經(jīng)洞頂線槽或PVC保護(hù)管引出至洞外觀測(cè)站。

4 光纖光柵傳感器在海東隧洞中的應(yīng)用

光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器作為20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種集光學(xué)、電子學(xué)為一體的一種新興的光學(xué)技術(shù)成果[5]，可以用來(lái)測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力、彎曲、擾度、溫度、振動(dòng)、壓力等多個(gè)物理量，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。同時(shí)光纖傳感器集傳感和信息傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)分布式或準(zhǔn)分布式以及遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)[5]，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，提取相關(guān)的信號(hào)，進(jìn)行狀態(tài)分析，達(dá)到示警以及故障診斷的目的，而且其傳輸距離理論上可以達(dá)50多km，還能進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因而海東隧洞傳輸距離較遠(yuǎn)的6個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面(占總綜合監(jiān)測(cè)斷面的60%)及3個(gè)位錯(cuò)監(jiān)測(cè)斷面(占總位錯(cuò)監(jiān)測(cè)斷面100%)采用光纖光柵式設(shè)備。海東隧洞安全監(jiān)測(cè)采用光纖光柵式設(shè)備的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括以下幾個(gè)方面：

a.光纖光柵式設(shè)備容量大：可在一根光纖上同時(shí)測(cè)量幾十個(gè)點(diǎn)的溫度、應(yīng)變、壓力、位移、振動(dòng)等多種參量。在單路光纖上可以制作多個(gè)光柵，可以對(duì)大型工程進(jìn)行分布式測(cè)量，其測(cè)量點(diǎn)多，測(cè)量范圍大。因此海東隧洞光纖光柵式設(shè)備采用6個(gè)傳感器串聯(lián)為一組的形式。

b.光纖光柵式設(shè)備測(cè)量精度高：光纖光柵式設(shè)備發(fā)出光信號(hào)，測(cè)量?jī)x器測(cè)量其光的特征值，不受光源功率波動(dòng)、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素影響；精確的透射和反射特征(小誤差)使其更加準(zhǔn)確地反映了應(yīng)力、溫度等的變化。因此傳輸距離較遠(yuǎn)的整個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上的應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、鋼板計(jì)、位移計(jì)等設(shè)備均采用光纖光柵式。

c.光纖光柵式設(shè)備傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，適于各種應(yīng)用場(chǎng)合，便于安裝，尤其適合于隧洞襯砌混凝土內(nèi)。

d.光纖光柵式設(shè)備為抗腐蝕、抗高壓的無(wú)源器件，因此能在潮濕的惡劣化學(xué)環(huán)境下工作。同時(shí)光纜接長(zhǎng)時(shí)均在接續(xù)盒中完成，因此不需對(duì)接頭進(jìn)行防水處理等，特別適合地下水位較高、施工期洞內(nèi)滲水量較大的海東隧洞。

e.光纖光柵式設(shè)備具有更遠(yuǎn)距離傳輸能力，在遠(yuǎn)距離傳輸條件下，傳輸線纜最經(jīng)濟(jì)。海東隧洞9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面選擇光纖光柵式設(shè)備，光纖的工程投資約6.8萬(wàn)元(12芯主通信光纜約58m，24芯主通信光纜約1600m，36芯主通信光纜約7200m)，若改為電纜，工程投資較高，估算為2230萬(wàn)元(四芯電纜88萬(wàn)m，十芯電纜19萬(wàn)m)，而且電纜數(shù)量眾多，電纜布線也是個(gè)難點(diǎn)。

f.光纖光柵式設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)不需供電，光纖探測(cè)并直接進(jìn)行信號(hào)傳輸不受電磁及核輻射干擾；光纖光柵對(duì)被測(cè)信息用波長(zhǎng)編碼，不受光源功率波動(dòng)和光纖彎曲等因素引起的損耗的影響，因此光纖光柵式設(shè)備可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)。海東隧洞較長(zhǎng)，為監(jiān)測(cè)設(shè)備永久供電不僅會(huì)大大增加工程投資，而且施工期洞內(nèi)潮濕，供電風(fēng)險(xiǎn)較大。

g.光纖光柵式設(shè)備無(wú)零漂，出廠后不需要定期檢定，系統(tǒng)維護(hù)成本很低。

h.光纖光柵式設(shè)備數(shù)據(jù)測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)高速采集，為施工期及運(yùn)行期提供高效服務(wù)。

i.海東隧洞光纖光柵式設(shè)備采用6個(gè)傳感器串聯(lián)為一組引至洞頂接續(xù)盒內(nèi)并完成光纜接長(zhǎng)，不僅確保了設(shè)備及光纜的質(zhì)量和安全，還有效減少了電纜牽引工期，加快了工程進(jìn)度。

j.光纖光柵式設(shè)備采用串聯(lián)牽引，并將首纖與尾纖分別引出，首纖與尾纖傳輸數(shù)據(jù)能互相校驗(yàn)；首纖(或尾纖)出現(xiàn)故障可以從尾纖(或首纖)獲取數(shù)據(jù)，確保了儀器的成活率及運(yùn)行期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

滇中引水海東隧洞選擇的光纖光柵傳感器還采用了獨(dú)特的切趾(apodization)光柵技術(shù)，其與普通均勻光柵傳感器相比，除上述優(yōu)點(diǎn)外，性能更穩(wěn)定，出現(xiàn)意外光能量損耗過(guò)大時(shí)，仍能精確測(cè)量，不會(huì)誤報(bào)警，使各類傳感器串接鏈測(cè)量時(shí)更可靠，接入的儀器數(shù)量也更多[6]。切趾又叫變跡，就是將光柵的折射率調(diào)至中間高兩邊逐漸減小，其函數(shù)形式包括高斯函數(shù)、三角函數(shù)等。兩類光柵光譜見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 均勻光柵光譜

5 海東隧洞光纖光柵設(shè)備組網(wǎng)

海東隧洞為滇中引水工程中具有代表性的隧洞，隧洞監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備種類繁多且線纜牽引距離最長(zhǎng)，合理配置監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備具有十分重要的意義[7]。采用傳統(tǒng)振弦式設(shè)備與光纖光柵式設(shè)備混合使用，解決了電纜牽引繁雜、電纜長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、信號(hào)衰減過(guò)快等一系列問(wèn)題。

海東隧洞工程中的各光柵光纖監(jiān)測(cè)設(shè)備除滲壓計(jì)和水位計(jì)采用分路器并聯(lián)外，其余監(jiān)測(cè)設(shè)備采用串聯(lián)方式連接(通常情況6個(gè)傳感器串聯(lián)一組)。具體為：從2號(hào)檢修支洞出纜的6個(gè)光纖光柵式監(jiān)測(cè)斷面中，DLⅡ9+240.00監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)的8支滲壓計(jì)，每4支并聯(lián)成一組接入一分四耦合器(滲壓計(jì)為單端出纜)，其余66支傳感器每6支串聯(lián)為一組，共串聯(lián)成11組，再與兩個(gè)一分四耦合器一起并聯(lián)至該斷面的接續(xù)盒內(nèi)；DLⅡ9+180.000監(jiān)測(cè)斷面的3組三點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)及4支位錯(cuò)計(jì)串聯(lián)成三串然后并聯(lián)至DLⅡ9+240.00監(jiān)測(cè)斷面的接續(xù)盒內(nèi)；DLⅡ9+299.000監(jiān)測(cè)斷面的4支位錯(cuò)計(jì)串聯(lián)成一串然后并聯(lián)至DLⅡ9+240.00監(jiān)測(cè)斷面的接續(xù)盒內(nèi)；DLⅡ9+984.00、DLⅡ11+050.00及DLⅡ11+990監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)的傳感器連接方式與DLⅡ9+240.00監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鬟B接方式一致。

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鬟B接完成后，采用主通信光纜進(jìn)行組網(wǎng)。原則上為節(jié)省光纜的工程量，主通信光纜組網(wǎng)可將每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行串聯(lián)，如在DLⅡ11+990.00監(jiān)測(cè)斷面，各儀器設(shè)備光纜通過(guò)接續(xù)盒后連接24芯主通信光纜，至DLⅡ11+050.00監(jiān)測(cè)斷面位置，并入該斷面的12芯光纜后采用36芯主通信光纜；至DLⅡ9+984.00監(jiān)測(cè)斷面位置，并入該斷面的24芯光纜后采用60芯主通信光纜；至DLⅡ9+240.000監(jiān)測(cè)斷面位置，并入該斷面的36芯光纜后采用96芯主通信光纜，最終接入2號(hào)檢修支洞觀測(cè)房?jī)?nèi)的終端分線盒，共計(jì)12芯主通信光纜約58m，24芯主通信光纜約1200m，36芯主通信光纜約1300m，60芯主通信光纜約850m，96芯主通信光纜約2600m，光纜投資約5.1萬(wàn)元。但是考慮到多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面串聯(lián)，如果主通信光纜受到外界因素影響發(fā)生斷損，將會(huì)造成監(jiān)測(cè)儀器群死、大量數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。為保證儀器設(shè)備的成活率，各監(jiān)測(cè)斷面儀器采用并聯(lián)、串聯(lián)的綜合組網(wǎng)方式，且串聯(lián)不超過(guò)48芯。即從DLⅡ11+990.00監(jiān)測(cè)斷面接續(xù)盒出來(lái)后連接24芯主通信光纜，至DLⅡ11+050.00監(jiān)測(cè)斷面位置，并入該斷面的12芯光纜后采用36芯主通信光纜直接引至2號(hào)檢修支洞觀測(cè)房?jī)?nèi)的終端分線盒；在DLⅡ9+984.00監(jiān)測(cè)斷面，儀器光纜通過(guò)接續(xù)盒出來(lái)后連接24芯主通信光纜直接引至2號(hào)檢修支洞觀測(cè)房?jī)?nèi)的終端分線盒；在DLⅡ9+240.000監(jiān)測(cè)斷面，儀器光纜通過(guò)接續(xù)盒出來(lái)后連接24芯主通信光纜直接引至2號(hào)檢修支洞觀測(cè)房?jī)?nèi)的終端分線盒；共計(jì)12芯主通信光纜約58m，24芯主通信光纜約1600m，36芯主通信光纜約7200m，光纜投資約6.8萬(wàn)元。增加的工程投資僅占海東隧洞安全監(jiān)測(cè)投資(103.1萬(wàn)元)的1.6%。工程在投資增加不多的前提下充分保證了儀器的成活率，達(dá)到了監(jiān)測(cè)的意義和目的，因此海東隧洞主通信光纜采用并聯(lián)、串聯(lián)的混合組網(wǎng)方式，見(jiàn)圖4。

圖4 海東隧洞光纖光柵式儀器設(shè)備組網(wǎng)

光纖光柵式設(shè)備科學(xué)合理的組網(wǎng)方式不僅能很好地解決長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題，而且能提高系統(tǒng)可靠性，節(jié)省投資，便于管理和維護(hù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

永久安全監(jiān)測(cè)是為了服務(wù)工程正常運(yùn)行，保障建筑物結(jié)構(gòu)安全或運(yùn)行安全而開(kāi)展的持續(xù)性監(jiān)測(cè)，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)斷面較大的建筑物通常需要進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)[8]，因此監(jiān)測(cè)項(xiàng)目齊全，監(jiān)測(cè)設(shè)備種類繁多。超長(zhǎng)距離輸水工程還存在設(shè)備選型及組網(wǎng)方式的選擇問(wèn)題，合理的設(shè)備選擇及組網(wǎng)方式，不僅能提高系統(tǒng)安全性、可靠性，還能節(jié)省投資，便于管理和維護(hù)。

滇中引水工程為超長(zhǎng)距離輸水工程，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有專門針對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程安全監(jiān)測(cè)方面的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范，僅能以《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 725—2016)作為主要依據(jù)，加之滇中引水工程由不同單位承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)，極易造成各監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇和組網(wǎng)方式千差萬(wàn)別[9]。

海東隧洞為滇中引水工程中具有代表性的隧洞，隧洞監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備種類齊全、數(shù)量繁多、線纜牽引傳輸距離超長(zhǎng)，因此選擇了傳統(tǒng)設(shè)備(振弦式)與光纖光柵式聯(lián)合的布置方式[10]。實(shí)踐證明此方式不僅確保了施工質(zhì)量、安全及進(jìn)度，而且提高了監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)有效地減少了傳輸線纜工程量，降低了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

光纖光柵式設(shè)備現(xiàn)已在我國(guó)水電工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，但從目前研究與應(yīng)用情況來(lái)看，尚存在基礎(chǔ)研究薄弱、專業(yè)人員較少、針對(duì)性不強(qiáng)、傳感器與基體材料互適應(yīng)性研究較少、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的傳感原理研究困難、采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性等問(wèn)題。然而只要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，光纖光柵設(shè)備及其相關(guān)的材料在水電工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景就會(huì)非常寬廣，它們不僅是傳統(tǒng)儀器的理想替代者，而且有助于工程建設(shè)施工、運(yùn)行期的管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、智慧化水利工程奠定基礎(chǔ)。