光纖傳感技術(shù)在水利工程的應(yīng)用概述★

張 研

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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·水利工程·

光纖傳感技術(shù)在水利工程的應(yīng)用概述★

張 研

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

通過對(duì)近年來(lái)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用文獻(xiàn)的整理，總結(jié)了光纖傳感技術(shù)在水利工程中混凝土面板裂縫監(jiān)測(cè)、大壩混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)、裂縫預(yù)測(cè)等方面的應(yīng)用情況，對(duì)光纖傳感技術(shù)在地下工程的應(yīng)用進(jìn)行了思考，為地下工程監(jiān)測(cè)提供了新途徑。

光纖傳感技術(shù)，水利工程，應(yīng)用

0 引言

在全球金融危機(jī)背景下，“保增長(zhǎng)、擴(kuò)內(nèi)需、調(diào)結(jié)構(gòu)”是當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)工作的方向。為此，將有大規(guī)模的資金投入能源、水利、交通等基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域。其中作為綠色能源的水電資源的開發(fā)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的目標(biāo)，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定的發(fā)展具有重要意義。水電資源的開發(fā)離不開水利工程的建設(shè)，在工程建設(shè)中有很多指標(biāo)用常規(guī)方法不能很好采集，這就要利用現(xiàn)代化、信息化手段對(duì)工程中的各種難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并且對(duì)工程施工、運(yùn)行起重要作用的指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確獲取。

光纖傳感技術(shù)是在20世紀(jì)80年代興起的一種新興的光學(xué)技術(shù)。該技術(shù)以光纖傳感器為核心，將傳感、信息傳輸合為一體，并且具有耐久性好、數(shù)據(jù)精度高、抗干擾性強(qiáng)、體積輕巧等多重優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水利工程等惡劣環(huán)境下的物理量測(cè)量，為水利工程的安全監(jiān)測(cè)提供了一條可靠途徑。

本文通過對(duì)光纖傳感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為水利工程相關(guān)技術(shù)人員掌握光纖技術(shù)的應(yīng)用情況提供了參考。

1 光纖傳感技術(shù)的基本原理

光在光纖中傳輸時(shí)，總會(huì)受到外界環(huán)境各種因素的影響(如：溫度、濕度、壓力等)，會(huì)使得光纖光波參數(shù)發(fā)生變化(如光強(qiáng)、頻率、波長(zhǎng)等)。如果能找到光波參數(shù)的變化與各種物理量改變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能夠間接的測(cè)量所需物理量。基于該思想，應(yīng)運(yùn)而生了光纖傳感技術(shù)。

2 水利工程中的應(yīng)用

2.1 混凝土面板裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

混凝土面板堆石壩是20世紀(jì)60年代提出的一種新壩型，由于其具有抗滑穩(wěn)定性好，斷面小、樞紐布置緊湊，抗震性能強(qiáng)，施工導(dǎo)流方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于壩工結(jié)構(gòu)當(dāng)中。但是由于該壩型的面板與堆石分別屬于兩種不同的材料，通常會(huì)在二者結(jié)合處出現(xiàn)裂縫，而裂縫的大小關(guān)乎工程的安全，如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到裂縫情況一直備受工程界關(guān)注。有些學(xué)者將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到面板裂縫監(jiān)測(cè)中，通過對(duì)魚跳電站等多個(gè)混凝土面板裂縫的監(jiān)測(cè)，為提高在該方面的監(jiān)測(cè)精度提供了難得的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 大壩混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

大體積混凝土溫度應(yīng)力一直是大壩工程關(guān)注的焦點(diǎn)，大壩溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)無(wú)論在施工期還是運(yùn)行期，都具有重要的意義。在施工期的監(jiān)測(cè)可以減緩溫度應(yīng)力，防止出現(xiàn)溫度裂縫；在運(yùn)行期，通過溫度監(jiān)測(cè)可以了解大壩的變形情況、應(yīng)力情況，對(duì)壩體的安全性做出合理評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法或多或少有些不足，在三峽工程中采用了光纖傳感測(cè)溫，為大壩的健康診斷和安全運(yùn)行提供了保障。

2.3 大壩裂縫預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

混凝土大壩裂縫的監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)安全性的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法只能夠在裂縫出現(xiàn)以后來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，此時(shí)對(duì)大壩已經(jīng)造成了一定的損害。采用光纖傳感技術(shù)可以對(duì)壩體內(nèi)部的拉應(yīng)力進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握大壩的應(yīng)力狀況，指導(dǎo)壩體荷載分布，盡量避免不利工況，使得拉應(yīng)力低于混凝土的抗拉強(qiáng)度，防止裂縫的產(chǎn)生。

2.4 土石壩滲漏監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

正常運(yùn)行的土石壩滲流場(chǎng)主要由庫(kù)水位、地下水、大氣降水等等因素影響，呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。而當(dāng)擋水結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的時(shí)候，壩體的流量會(huì)逐漸增大，但是在初期由于變化不大很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。此時(shí)，壩體的滲流場(chǎng)卻會(huì)發(fā)生很大的變化，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)很難準(zhǔn)確反映滲流場(chǎng)的變化。利用光纖傳感技術(shù)間接監(jiān)測(cè)土體溫度場(chǎng)的變化可及時(shí)找出滲漏點(diǎn)，通過思安江水庫(kù)大壩的工程應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)該方法是可行的，為滲漏點(diǎn)的確定提供了一條新途徑。

2.5 水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究中的應(yīng)用

由于水利工程建設(shè)規(guī)模較大、投資較多，因此在前期總會(huì)進(jìn)行小比尺的模型試驗(yàn)，為后續(xù)工程建設(shè)提供參考。傳統(tǒng)模型試驗(yàn)借助應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)來(lái)采集應(yīng)力、變形，只能對(duì)比較關(guān)心的特殊點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而對(duì)其他部位的變化很難掌握。此外，常規(guī)方法對(duì)于隨機(jī)出現(xiàn)的裂縫很難捕捉。

近年來(lái)，一些學(xué)者將光纖傳感技術(shù)運(yùn)用到隨機(jī)裂縫的捕捉方面，并且在四川沙牌碾壓混凝土拱壩整體結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。

3 地下工程應(yīng)用的思考

我國(guó)水能資源主要分布于西部高山峽谷地區(qū)，隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，在今后十余年將有相當(dāng)多的大型水力發(fā)電工程以及抽水蓄能電站進(jìn)入興建期，其中相當(dāng)多數(shù)都設(shè)計(jì)有大型或者超大型地下洞室群作為主要的水工建筑物。自新奧法施工理念提出以來(lái)，利用圍巖開挖監(jiān)測(cè)信息指導(dǎo)工程施工、設(shè)計(jì)已經(jīng)成為地下工程建設(shè)的必要環(huán)節(jié)。然而，由于地下工程的特殊性，諸如：材料高度非線性，不確定性影響因素太多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，施工環(huán)境隱蔽性強(qiáng)等等特點(diǎn)，使得必要圍巖信息的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)獲取變得相當(dāng)困難。

受光纖傳感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用的啟發(fā)，結(jié)合本人的研究方向，對(duì)光纖傳感技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用情況查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在此方面主要有以下兩方面應(yīng)用：將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到巖石錨桿的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)；光纖傳感技術(shù)在隧洞位移監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。由于地下工程的復(fù)雜性，施工掘進(jìn)是一個(gè)可變性強(qiáng)、難以預(yù)測(cè)的多影響源過程，對(duì)施工信息進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化處理，做出施工狀況綜合評(píng)價(jià)，并且對(duì)下一步施工給出建議，更能滿足工程施工需要，為工程的安全建設(shè)提供了保障。設(shè)想將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到地下工程適時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)的研究，為地下工程動(dòng)態(tài)施工監(jiān)測(cè)提供了一條新途徑。

4 結(jié)語(yǔ)

光纖傳感技術(shù)由于其具有特殊的物理性能和優(yōu)點(diǎn)，通過數(shù)十年的研究和試驗(yàn)，現(xiàn)已在我國(guó)水利工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并已初見成效。本文對(duì)光纖傳感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)光纖技術(shù)在地下工程施工中的應(yīng)用提出了自己的一點(diǎn)思考，為工程技術(shù)人員能夠更好的將光纖技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程提供借鑒。

[1]郝長(zhǎng)江，季 凡，杜澤快，等.光纖傳感技術(shù)在水電工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用研究綜述.大壩與安全，2007(1)：38-41.

[2]胡 江，蘇懷智，張躍東.光纖傳感技術(shù)在大壩裂縫預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)中的可行性探討.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2008，32(5)：52-57.

[3]侯俊芳，裴 麗，李卓軒，等.光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用.光電技術(shù)應(yīng)用，2012,27(1)：49-53.

[4]周 勇，趙新銘，孫岳陽(yáng)，等.分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展.新技術(shù)新工藝，2014(11)：119-121.

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Summary of the application of optical fiber sensing technology in hydraulic engineering★

Zhang Yan

(CivilEngineeringCollege,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

According to the compilation of the application literature of optical fiber sensing technique, the paper sums up the application of the optical fiber sensing technique in crack monitoring on concrete plates, temperature field supervision of dam concrete structures, and cracks forecasting, and considers its application in underground projects, so as to provide new channel for the underground engineering monitoring.

optical fiber sensing technique, hydrological project, application

1009-6825(2015)18-0220-02

2015-04-13★：廣西高等學(xué)校科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YB2014156)

張 研(1983- )，男，博士，講師

TN929.11

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