光纖光柵測試技術在某高速公路擴建中的應用*

周大川 劉保健 翁效林

1 光纖傳感技術及其應用

光纖傳感技術是隨著近代光纖及通信技術發展而逐步發展起來的一門嶄新技術。通信技術中光纖被用作傳輸波導線,在實踐中人們發現外界物理量的變化,能夠導致光纖內某些傳輸光參數的變化。通過對傳輸光某些參數變化的測量,實現對物理量的測量,由此誕生了光纖傳感技術。

與傳統的機電傳感技術相比,光纖傳感技術采用光作為信息的載體,用光纖作為傳輸信息的介質,因此具有不受電磁干擾、耐久性好、靈敏度高、響應快、體積小、適用溫度環境范圍大、可復用實現分布式測量等突出的優點,使其測量的對象十分廣泛,可應用于許多工程領域。目前最常用的光纖傳感技術有分布式光纖傳感技術與光纖光柵傳感技術。按照調制方式的不同,分布式光纖傳感技術分為兩種系統:1)分布式傳光型光纖監測系統。依據信號的性質,該技術可分為:利用后向瑞利散射的傳感技術;利用喇曼效應的傳感技術;利用布里淵效應的傳感技術;利用前向傳輸模耦合的傳感技術。2)分布式傳感型光纖傳感系統或準分布式光纖傳感系統和分布式光纖傳感系統。光纖總線僅起傳光作用,根據尋址方式不同,又可分為時分復用、波分復用、頻分復用、偏分復用和空分復用等幾類。而用FBG光纖光柵傳感器可組成波分復用分布式光纖傳感系統。

利用布里淵效應的分布式光纖傳感技術是目前應用較為廣泛的測試技術之一。測量原理為:脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射,入射的脈沖光與光纖中的聲學聲子發生相互作用后產生布里淵散射,其中的背向布里淵散射光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端,進入BOTDR的受光部和信號處理單元,經過一系列復雜的信號處理可以得到光纖沿線的布里淵背散光的功率分布,如圖1所示。與傳統的監測技術相比,其特點主要有長距離分布式測量、高精度、耐久性好,不需對光纖進行加工,不需要作特別保護,傳輸與傳感于一體,測試費用低等。

FBG傳感技術是目前應用較為廣泛的光纖光柵傳感技術之一。布拉格光柵是利用光纖的紫外敏感特性,在光纖的一段范圍內沿光纖軸向寫入可使纖芯折射率發生周期性變化的芯內體光柵,其長度一般為10 mm左右。當寬頻激光源射入光纖中遇到光柵時,波長為λB的光會被反射回來。通過測量埋入光纖光柵反射光波長的變化即可得知該點處結構的應變。可以在一根光纖上刻寫多個中心波長不同的布拉格光柵,進行波分多路復用同時測量多點處的應變,測試原理見圖 2。

2 光纖光柵測試技術在某高速公路改擴建中的應用

2.1 工程概況及實測方案的選擇

公路路線位于四川盆地北部,處于山地與盆地的接觸地帶,地形有構造侵蝕中低山～丘陵、河谷堆積地貌。巖性以砂泥為主。區內地下水類型主要有第四系松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水。路線區域地形起伏大,高差大,地貌多為單斜山,地質構造致使裂隙比較發育,巖體破碎。據勘察,沿線挖方邊坡段巖體存在傾角多為16°～20°之間順層滑坡。在該工程的K49標段,為保證施工與工后期挖方路段的邊坡穩定,應用現場監測的方案確保工程的安全。經設計,采用傳統的測斜儀與FBG光纖光柵測試技術相結合的方法共同監測巖土體深層的水平位移發展過程。

2.2 光纖光柵與測斜儀相結合的關鍵技術

實際上,硬質的測斜管內除有為測斜儀探頭滑動而設置的兩對矩形槽外,管外還設置有為定位的一對矩形槽。對于一般的裸光纖光柵,其直徑小于0.3 mm,完全可以封裝在測斜管的外槽內。若假設管子的下部無變形,當測斜管與巖土體產生同步變形時,管子從下到上就會產生撓曲變形,撓曲變形可由粘貼在管子外側的一對光纖光柵傳感監測并遞推換算得到。由于一對光纖的布設方向是平行于坡體的可能滑動的上下方向,管子與深層坡體又是共同工作的,則監測與推算的管子撓曲變形就應是坡體的深層水平位移。圖3是光纖光柵深層位移測試原理圖。

因為光纖光柵布設在測斜管的外部,并不影響測斜儀的使用,這樣就把兩種測試技術有機地結合起來了。對于裸纖,光纖光柵的封裝方法也是應用的關鍵技術,實踐證明該方法安全、可靠、特別經濟、可行,可推廣使用。

僅對裸纖進行封裝,只能構成測試元件,把封裝后的光纖光柵與測斜管結合起來才能構成傳感系統,這也是一項關鍵技術,它的質量直接影響到測試成果的水平。以下的制作過程是尤其要注意的:首先將測斜管表面的兩個凹槽用砂紙打磨,再用脫脂棉球蘸酒精將打磨處擦洗干凈,避免灰塵油污對表面的污染,然后將光纖穿入其中。在測斜管接頭處有兩個凸起與兩個凹槽相對應,用來固定相連接的兩個測斜管,應將凸起部分用工具去除,并用砂紙打磨光滑并清理,使光纖能從凹槽中順利穿過。粘貼光纖時膠粘劑的選擇必須考慮結構應變和長期監測的需要,因此膠粘劑必須適用于光纖和測斜管的粘結性能,需要具有較高的抗剪強度和耐久性,并具有較小的凝固收縮性。

將測斜管放入鉆孔過程中,應注意不得將測斜管過度彎曲,以防光纖產生過大變形甚至拉斷。在填充測斜管與鉆孔間空隙時,應使填充材料凝固后的彈性模量與周圍巖土體相近。要填充密實,以保證測斜管與周圍巖土體共同工作,共同變形。

2.3 測試成果及示例

實測記錄如表1所示。

表1 實測記錄示例

3 結論與建議

1)將光纖光柵傳感測試技術用到公路邊坡監測上是先進與可行的。與傳統監測方法相比,其具有自動電測、精度高、費用低的優勢。2)裸光纖光柵的封裝技術、溫度補償技術、傳感系統的埋設技術是該方法在邊坡穩定監測中應用與發展的關鍵技術。3)與傳統邊坡穩定監測方法相輔相成,積累資料是光纖光柵測試技術能否在邊坡穩定監測中推廣應用的首要任務。

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