水利工程河道防洪堤光纖式智能監(jiān)測研究

秦兆明

(費(fèi)縣應(yīng)急保障服務(wù)中心，山東 臨沂 273400)

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市經(jīng)濟(jì)已成為國民經(jīng)濟(jì)重要組成部分，復(fù)雜多變的氣候環(huán)境對城市防汛排澇預(yù)警工作提出了更高的要求，進(jìn)入夏季以來，我國很多地區(qū)突發(fā)暴雨，多數(shù)城市出現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)澇的狀況，特別是局部地方特大暴雨來臨時，積水有的竟高達(dá)1m以上，且長時間無法及時排走，給居民的生活及出行帶來很大不便，同時也嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)活動順利開展。因此建設(shè)河道防汛監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，極為必要，它既可以為管理部門提供河道水位和道路積水的實(shí)時信息，同時也為防汛管理機(jī)構(gòu)提供決策支撐[1- 3]。

目前國內(nèi)外對防洪監(jiān)測開展了部分研究。舒博寧等[4]在總結(jié)濟(jì)寧城市防洪存在問題的基礎(chǔ)上，提出了濟(jì)寧城市防洪水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)、任務(wù)和方案，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了水文監(jiān)測站、城區(qū)低洼地水深監(jiān)測站、雨量站等基礎(chǔ)設(shè)施等。林冬萍[5]以福建省晉江市霞浯溪河道防洪堤為例，根據(jù)現(xiàn)場多種方法結(jié)合的監(jiān)測結(jié)果，分析軟土地基在施工期間的沉降、水平位移和孔隙水壓力的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，評價(jià)地基穩(wěn)定性，為軟土地基施工控制提供可靠依據(jù)，可為同類工程提供參考。錢睿智等[6]以揚(yáng)州市城市防洪排澇水文應(yīng)急監(jiān)測為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了監(jiān)測實(shí)施基本斷面設(shè)置、水位流量觀測方案設(shè)置、監(jiān)測實(shí)施和數(shù)據(jù)處理等方法和步驟，為防汛指揮部門提供及時準(zhǔn)確的水文基礎(chǔ)信息，具有一定的適用性。此外還有部分學(xué)者采用軟件和監(jiān)測手段對防洪系統(tǒng)進(jìn)行研究[7- 8]。本文以某防洪堤模型為例，采用地測設(shè)備和光纖對河堤的變形進(jìn)行了監(jiān)測分析，并對比了兩者的監(jiān)測精度，結(jié)果表明使用光纖傳感器可以顯著提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度，對于防洪堤水位變化引起的險(xiǎn)情能夠進(jìn)行精準(zhǔn)測量。

1 地測設(shè)備布置

由于在大型洪水的沖擊下，河堤會發(fā)生突然坍塌。因此，需要高精度和高采樣率的連續(xù)三維測量。本文使用2個全站儀監(jiān)測斜坡上的2個點(diǎn)，監(jiān)測精度約為1mm、采樣率約為8Hz。每個插銷錨定器的錨定頭上安裝了帶有特殊適配器的棱鏡。圖1左側(cè)顯示了一個錨頭的特寫視圖。為了測量插銷錨的傾角變化，還安裝了在錨頭上安裝了傾角計(jì)。圖1右顯示了總體設(shè)置。棱鏡P1由全站儀T1(徠卡地球系統(tǒng)TS15)跟蹤，棱鏡P2由全站儀T2(徠卡地球系統(tǒng)TPS1200)跟蹤。此外，在防洪堤底板上安裝第三個點(diǎn)P3作為參考點(diǎn)，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行控制。全站儀的位置在實(shí)驗(yàn)開始時使用本地參考點(diǎn)確定，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時再次控制。本文還收集了用于距離測量大氣校正的氣象數(shù)據(jù)。2個全站儀都是遠(yuǎn)程控制的，并利用EGMS開發(fā)了轉(zhuǎn)向軟件和數(shù)據(jù)分析軟件。

圖1 地測法設(shè)備布置

采用新型掃描全站儀徠卡地理系統(tǒng)多站MS50對整個河堤面進(jìn)行掃描可以快速直接驅(qū)動，每秒可測量1000個點(diǎn)。對于這種應(yīng)用，它比激光掃描儀更適合，因?yàn)椴恍枰厥獾膮⒖寄繕?biāo)，也不需要在辦公室進(jìn)行后期處理。在每個加載步驟結(jié)束時重復(fù)表面掃描。此外，MS50還用于評估2個全站儀T1和T2的跟蹤性能。這些精確的單點(diǎn)測量(精度約為0.2mm)后來用于驗(yàn)證其他兩個全站儀的連續(xù)跟蹤結(jié)果。完成單點(diǎn)測量后，MS50返回掃描模式。

2 光纖布置

為了盡可能早發(fā)現(xiàn)潰堤和調(diào)查蠕變效應(yīng)，必須進(jìn)行高頻率的測量，精度需超過1/100mm。為此，本文在河堤表面安裝了基于光纖布拉格光柵(FBG)的光纖監(jiān)測系統(tǒng)。使用FBG傳感器測量錨定點(diǎn)P1和P2(FBG1)之間以及P2和參考點(diǎn)P3(FBG2)之間的距離變化，如圖2所示。然而，由于安裝后插銷錨的位置可能偏離其初始位置5～10cm，因此必須使用長度可調(diào)的FBG傳感器。因此，開發(fā)了用于調(diào)整裸光纖長度的圓柱形適配器(如圖1所示)。FBG傳感器對應(yīng)變和溫度變化敏感，必須通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換函數(shù)將原始波長測量值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值或溫度值。對于本文使用的FBG傳感器，制造商沒有提供適當(dāng)?shù)膽?yīng)變和溫度靈敏度值。因此，這些系數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)確定。

圖2 光纖布置

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文總共進(jìn)行了7次實(shí)驗(yàn)。在每個試驗(yàn)中，垂直荷載通過鋼導(dǎo)線和2臺液壓機(jī)施加在壩頂上。圖3左大壩未進(jìn)行加固，圖3中用兩個插口錨進(jìn)行加固，圖3右用2個插口錨和1塊土工布進(jìn)行穩(wěn)定。插銷錨由鐵錨頭和鐵棒組成，鐵棒以不同角度通過錨頭擰入地面。為了評估大壩的穩(wěn)定性，必須測量大壩表面對施加荷載的反應(yīng)。監(jiān)測系統(tǒng)由1個大地測量組件和1個光纖組件組成，由于其精度和信息內(nèi)容不同，這2個組件相輔相成。

圖3 不同的河堤工況

4 監(jiān)測結(jié)果分析

圖4為施加荷載與錨頭移動規(guī)律。如圖4所示，當(dāng)荷載逐漸增加至650kN/m2時，錨頭開始發(fā)生移動。2個全站儀的跟蹤數(shù)據(jù)如圖4右側(cè)點(diǎn)所示。由圖可知，P1和P2點(diǎn)均經(jīng)歷不同的變形行為，P1的移動主要是水平的，而P2的水平和垂直移動量幾乎相同。P1的總移動量約為4.8mm，P2的總移動量約為3.2mm，表明插銷錨具有很高的穩(wěn)定性。此外，跟蹤數(shù)據(jù)的噪聲主要由全站儀測距噪聲引起。對于三維位置，可以達(dá)到0.9mm(1σ)的精度。如前所述，使用MS50進(jìn)行單點(diǎn)測量，以驗(yàn)證其他2個全站儀的連續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)。MS50測量的3D點(diǎn)精度可從周圍控制網(wǎng)絡(luò)的測量值計(jì)算得出。由本次監(jiān)測結(jié)果得出，0.2mm(1σ)的三維點(diǎn)精度比跟蹤數(shù)據(jù)的精度高約4倍。

錨頭的相對運(yùn)動可根據(jù)大地測量三維位置計(jì)算，或直接使用光纖傳感器測量。圖5給出了動態(tài)光纖測量的結(jié)果?？梢钥闯?，F(xiàn)BG傳感器描繪了荷載增加后錨定點(diǎn)之間的相對運(yùn)動。此外，通過這些測量可以看到河堤類似蛇形運(yùn)動軌跡，例如12∶18和12∶25之間。錨頭P1和P2(FBG1)之間的距離以及P2和固定參考點(diǎn)P3(FBG2)之間的距離呈減小趨勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，P1-P2的長度變化約為0.8mm(約600με)，P2-P3的長度變化約為2.7mm(約2200με)。通過分析初始穩(wěn)定期的數(shù)據(jù)，評估了FBG的測量噪聲。圖6空載狀態(tài)下5min內(nèi)的測量變化。從這兩個傳感器的數(shù)據(jù)中可以得出優(yōu)于7μm的標(biāo)準(zhǔn)偏差。為了驗(yàn)證結(jié)果，我們將FBG測量值與TS15全站儀測量值進(jìn)行了比較。圖6顯示了2種不同測量技術(shù)的結(jié)果。顯示錨定點(diǎn)P1和固定參考點(diǎn)P3之間的距離變化。這對應(yīng)于2個FBG讀數(shù)之和。對于大地測量數(shù)據(jù)，根據(jù)P1的連續(xù)跟蹤3D坐標(biāo)和固定參考點(diǎn)P3的已知坐標(biāo)計(jì)算距離。盡管大地測量和光纖測量技術(shù)的精度完全不同，但可以看出，整體變形也可以通過動態(tài)和靜態(tài)大地測量進(jìn)行檢測。然而，單個加載步驟和蠕變行為引起的變形只能通過光纖傳感器測量。

圖4 施加荷載(上)與錨頭移動(下)

圖5 動態(tài)光纖測量結(jié)果與負(fù)載階躍

圖6 測量噪聲

5 結(jié)語

本文以防洪堤的變形監(jiān)測為研究對象，通過室外試驗(yàn)得出了三維絕對變形位移可以可靠地從大地測量點(diǎn)獲得，其中動態(tài)測量的3D點(diǎn)精度約為0.9mm(1σ)，靜態(tài)測量的3D點(diǎn)精度約為0.2mm(1σ)。即使在高負(fù)荷情況下，錨頭的絕對移動也非常小，小于5mm。然而，由于大地測量的精度有限，無法解決單個加載步驟的測量，但使用光纖傳感器可以顯著提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，精度達(dá)到7μm以上。這種高精度允許分析每個加載步驟的變形行為，包括河堤的蠕變行為，因此對于防洪堤水位變化引起的險(xiǎn)情能夠進(jìn)行精準(zhǔn)測量。