光纖光柵技術(shù)在輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張玉宏 李雙麟 紀(jì) 林

(大連市供水有限公司 116021)

1 工程概況

大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程輸水隧洞穿越遼東千山山脈的西南段，位于蓋州市境內(nèi)，總長(zhǎng)14.11km。隧洞穿越蓋州市的低山丘陵地區(qū)，區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育，覆蓋嚴(yán)重，溝谷部位有坡洪積土層覆蓋，基巖埋深較淺，表層風(fēng)化嚴(yán)重，山頂部位基巖裸露。為了保證輸水隧洞長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，擬對(duì)隧洞變形、裂縫、應(yīng)力應(yīng)變、水位、進(jìn)出口水溫等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)工程的實(shí)際情況及圍巖狀況，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面選擇在受力狀態(tài)具有代表性的部位，樁號(hào)為123+ 203.31、126+ 900.69、127+ 820.59、131+ 083.09、136+ 169.09、136+979.26、137+321.43 共7個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)23 套、錨桿測(cè)力計(jì)33 套、滲壓計(jì)15支、土壓力計(jì)15支、鋼筋計(jì)15支、測(cè)縫計(jì)15支、應(yīng)變計(jì)15支、無(wú)應(yīng)力計(jì)15支，全部采用光纖光柵傳感器。目前該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目正在施工過(guò)程中。

2 光纖光柵傳感器的工作原理

光柵的Bragg 波長(zhǎng)λB由下式?jīng)Q定:

式中 n——芯模有效折射率;

Λ——光柵周期。

光柵的波長(zhǎng)與光纖的有效折射率及周期有關(guān)，當(dāng)溫度、應(yīng)變變化后，這兩個(gè)量均會(huì)發(fā)生變化，在通常情況下，可以認(rèn)為波長(zhǎng)是這兩個(gè)量的二元一次方程，因此，當(dāng)溫度升高、光柵承受軸向發(fā)生應(yīng)變后，其反射波長(zhǎng)發(fā)生的變化可以由微分方程解出。

由于光柵波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變均有關(guān)系，因此，在測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)所受的應(yīng)變及溫度時(shí)，一般至少需要兩只光柵同時(shí)來(lái)測(cè)量，然后計(jì)算兩個(gè)被測(cè)量。目前在工程上常用的方法是:用溫度傳感器測(cè)出溫度，然后對(duì)應(yīng)變進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而計(jì)算出被測(cè)物所受的應(yīng)變。下頁(yè)圖為測(cè)量系統(tǒng)光路示意圖。

3 光纖光柵傳感器的特點(diǎn)

光纖光柵傳感器的核心元件是光纖光柵，傳感器將外界被測(cè)物理量通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的漂移量得到被測(cè)物理量的變化，與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖光柵傳感器有以下特點(diǎn):

a.抗電磁干擾能力強(qiáng)，電絕緣性好，耐腐蝕，本質(zhì)防爆。

b.既可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測(cè)量，也可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。

c.測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數(shù)問(wèn)題，測(cè)量精度高。

測(cè)量系統(tǒng)光路示意圖

d.檢出量是波長(zhǎng)信息，因此不受接頭損失、光沿程損失等因素的影響。

e.波長(zhǎng)編碼，可以方便實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量。

f.單根光纖單端檢測(cè)，可盡量減少光纖的根數(shù)和信號(hào)解調(diào)器的個(gè)數(shù)。

g.輸出線性范圍寬，在10000 微應(yīng)變范圍內(nèi)波長(zhǎng)移動(dòng)與應(yīng)變有良好的線性關(guān)系，頻帶寬，信噪比高。

4 光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)振弦式傳感器受工作原理的限制，其信號(hào)的傳輸距離多以2km 以?xún)?nèi)為最佳。每只傳感器連接一根電纜。可想而知，大量的電纜無(wú)論是安裝還是維護(hù)都很不便。現(xiàn)場(chǎng)的高濕環(huán)境將對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的防腐及絕緣要求更高，采用分布式數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化時(shí)，其通訊距離也有限制，且在現(xiàn)場(chǎng)電源的提供往往也是一個(gè)難題，隧洞通水后監(jiān)測(cè)人員難以進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，任何數(shù)據(jù)采集裝置出現(xiàn)故障后均將難以及時(shí)解決，甚至?xí)斐申P(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失，同時(shí)也增加運(yùn)行成本。

光纖光柵傳感器在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸方面具有不可比擬的優(yōu)越性，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電，具有極佳的抗電磁干擾能力，耐潮濕、耐腐蝕，特別適合于輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳輸距離可達(dá)35km，損耗0.20dB/km，傳輸光纜容量大，每根光纖可連接不少于20支光纖光柵傳感器，因此每個(gè)斷面采用1～3 根以上的光纖(光纜)即可將傳感器信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的監(jiān)控站中與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接。另外光纖光柵傳感器性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、易維護(hù)，采用光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投資更少，其整體設(shè)備費(fèi)用較常規(guī)電測(cè)儀器系統(tǒng)減少30%～40%。

5 輸水光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在選取的7個(gè)斷面中埋設(shè)不同種類(lèi)的光纖光柵傳感器，通過(guò)沿隧洞布設(shè)的通訊光纜傳輸?shù)缴w州泵站監(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧洞系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)。

6 結(jié) 語(yǔ)

光纖光柵傳感器以其穩(wěn)定可靠、傳感元件壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)保養(yǎng)等功能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，逐步取代了弦式傳感器，應(yīng)用前景十分廣闊。因此，大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖光柵傳感器無(wú)疑是最具有前瞻性的，無(wú)論從技術(shù)角度還是從管理角度看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和投入使用，為輸水隧洞的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。