光纖傳感技術在巖土工程安全監(jiān)測中的應用分析

寸江峰

摘 要：巖土工程在施工過程中，其外部環(huán)境較為惡劣，且受材料腐化、地質(zhì)災害、使用方法及疲勞效應等多重因素的影響，工程結構可能存在開裂變形、地基下沉及穩(wěn)固性衰減等問題，由此，強化健康評估和安全監(jiān)測成了迫切需要。針對光纖傳感器的高精度、抗干擾及成活率高的優(yōu)勢，文章以光纖傳感器的原理及分類為切入點，詳細闡述了其在巖土工程應用中的關鍵性技術問題，并以分布式光纖傳感器技術為例分析了其布設方法，以此為巖土工程安全監(jiān)測提供一定的理論參考。

關鍵詞：光纖傳感技術；巖土工程；安全監(jiān)測

光纖傳感技術的發(fā)展和應用由來已久，早在20世紀80年代就在美、英、日等國家進入了實用化，其是依托于半導體光電技術、計算機網(wǎng)絡技術及光纖通信技術而發(fā)展起來的新型技術，具備寬帶大、耐環(huán)境、體積小、強度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢，并在智能電網(wǎng)、鐵路監(jiān)測、石油工業(yè)等多領域中得以推廣和應用，而當前“中國制造、一帶一路”等國家戰(zhàn)略的提出和實施，公路、橋梁、石油、礦山等沿途工程建設數(shù)量和規(guī)模將快速增加，但因為巖土工程設計基準期較長，使用環(huán)境較為惡劣，且容易受到外界環(huán)境負載、疲勞效應及材料老化等因素的影響，工程結構容易出現(xiàn)邊坡的失穩(wěn)破壞、混凝土結構開裂變形、地基基礎沉降等問題，因此，將支持大規(guī)模、高密集、多點網(wǎng)絡式和分布式測量引巖土工程安全監(jiān)測及健康評估之中，并就布設方法及關鍵技術問題進行深化研究具有重要的現(xiàn)實應用價值。

1 光纖傳感器技術的基本原理及分類

1.1 工作原理

光纖傳感器技術是集成光電技術、光導纖維及光通信技術于一體的綜合性應用技術，與傳統(tǒng)傳感器技術的最大區(qū)別是其以光纖為導體，其具備高精度、環(huán)境耐受力、抗干擾性、實時監(jiān)測及高效傳輸性，尤其適用于空間狹小、潮濕、腐蝕性強等特殊環(huán)境，也因此被廣泛應用在石油、礦場、隧道、電力及水利工程之中，其基本工作原理是借助光纖對溫度、壓力等外部環(huán)境的敏捷感知力，將光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合后傳輸至調(diào)制器，促使監(jiān)測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光互相作用后，引發(fā)傳輸光波強度、頻率、相位、偏振態(tài)、溫度、壓力、位移等物理特征參數(shù)發(fā)生直接或間接改變，而后將光纖作為傳感元件來測量光參數(shù)的變化，從而完成監(jiān)測外界被測物理量的目的。

1.2 相關分類

根據(jù)巖土工程安全監(jiān)測的實踐分析，依據(jù)隨距離增加可否實現(xiàn)被測量基體的連續(xù)監(jiān)測劃分為：點式、準分布式和分布式等幾類，其中，點式光纖傳感技術存在邁克爾遜干涉?zhèn)鞲屑夹g和非本征型法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲屑夹g幾類，對于結構局部變形的高精度監(jiān)測具有較強適用性，準分布式光纖傳感技術是基于光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG），通過波分復用（Wavelength Division Multiplex，WDM）、時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）和空分復用（Space Division Multiplexing，SDM）技術，構建多點準分布式傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)，分布式光纖傳感技術是依據(jù)沿線光波分布參量，并獲取對傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間及空間變化的被測量的分布信息，適用于長距離、大范圍的持續(xù)性監(jiān)測。

2 光纖傳感技術在巖土工程安全監(jiān)測中的具體應用

為詳細分析光纖傳感器技術在巖土工程安全監(jiān)測中應用的布設方案，本文以大型水電工程冶勒水電站為例，運用分布式光纖傳感器技術來監(jiān)測基座沿壩軸線方向存在的裂縫位置與寬度，以監(jiān)測基座在施工期蓄水期及運行期的變形工作狀態(tài)，從而及時修護裂縫、滲漏，具體而言，光纖傳感在混凝土基座捏的布置范圍為壩0+130.00～0+340.00，將兩條連續(xù)分布的折線形光纖傳感器回路布置在心墻基座內(nèi)，形成4條布設在成型鋼筋下方的傳感光路組成的監(jiān)測空間，各個光路由3種以折線形水平和垂直分布的傳感光纖構成，光纜沿監(jiān)測廊道、灌漿廊道分段分層由左向右，引入右岸廊道內(nèi)的監(jiān)測室。上層光纖水平布置于基座頂面高程以下30 cm處，先用光纖形狀的Ф 6.5鋼筋固定在頂面下第二層Ф 36的受力鋼筋上，在完成全部鋼筋的綁扎焊接后，而后在Ф 6.5鋼筋上進行傳感光纖綁扎，下層上游側面光纖以立式方式布置在一期混凝土防滲墻鑿除段頂縫面上的一層鋼筋上，在受力鋼筋上將冷彎成型的Ф 6.5鋼筋并排焊接，在焊接完成全部鋼筋后，在Ф 6.5鋼筋上進行光纖綁扎，下游側光纖以立式方式在最外層受力鋼筋外側焊接Ф 6.5鋼筋，而后在Ф 6.5鋼筋上完成光纖綁扎。

完成上述布設后，將進行模板的架立，光纖埋設時應確保安全與穩(wěn)定性，混凝土入倉時、端槽入倉應避免與光纖的沖突，為預防已布設光纖的損壞，振搗器須與光纖距離20 cm之上，光纖盤在每澆筑倉末端由堵頭模板內(nèi)引出后放置在保護鋼箱內(nèi)，完成光纖布設后以通導儀來檢測其光纖通導狀況，存在斷點的，應以光纖熔接機予以及時修補。在混凝土防滲墻基座內(nèi)光纖是以折線形構型布置的，其折線波長、高、夾角分別為135 cm，50 cm，10.69°，光纖曲率半徑≥60 cm，光纖露頭以大于5 mm壁厚的橡膠管予以保護，同時，要盡力保證光纖的完整性，盡量不留接頭，最終將所有終端盒聯(lián)接后通過傳輸光纖引入監(jiān)測室。完成布設后，根據(jù)實際檢測，左岸、河槽段、右岸三測區(qū)傳感光纖運行良好，可以支撐基座所有關鍵部位滲漏及裂縫的監(jiān)測，成活率達到52%，與常規(guī)監(jiān)測技術相比具有應用優(yōu)勢性。

3 光纖傳感器技術在巖土工程安全監(jiān)測中的關鍵技術問題

3.1 光纖傳感器與被測基體的耦合

在巖土工程結構變形測量中，因受封裝材料、中間介質(zhì)力學特質(zhì)及尺寸效應等的干擾，光纖傳感器應變與被測基體實際應變不能歸一為1∶1的關系，而是存在一個應變傳遞過程，對于測量基體變形的精準測量具有重要影響，而工程監(jiān)測中應變傳遞率多通過提升光纖傳感器與被測基體的耦合性來實現(xiàn)，而這需要保持光纖傳感器表層材料及中間耦合材料與被測基體材料的契合性，以規(guī)避滑動、移動問題，而且還要確保兩者力學特性的相似，以最大限度維持同步變形，預防嚴重的剪切位移，耦合材料存在原位與自配之分，但都是為了與原位材料保持特質(zhì)的相似性，以提升應變傳遞率。endprint

3.2 光纖傳感器的二維變形監(jiān)測

光纖傳感器是沿軸向的一維變形，因材料特性的影響，其不能承受較大的橫向剪切變形，實際測量中，受軸向變形和橫向變形的雙重作用，為此，光纖傳感器技術是置于二維或三維變形環(huán)境中的一維監(jiān)測手段，無法有效監(jiān)測結構變形狀況，需要對光纖傳感器的布設方式和結構進行改進，以完成二維、三維結構變形監(jiān)測，目前常用的二維變形監(jiān)測方法有：首先，光纖應變化，Lienhart將3個大型SOFO光纖傳感器依照120°角度布設于同一水平面上，構造成應變花結構，根據(jù)測得不同方向上的應變，可得出應變橢圓弧度Ф變化；其次，基于FBG的節(jié)理式偏斜儀水平位移監(jiān)測，也即借助節(jié)理式設計來限制光纖的軸向變形，可在某一方向自由彎曲，利用應變與旋轉(zhuǎn)角度關系計算水平位移，但存在±2°的最大可量范圍限制，實用性較差。

3.3 光纖傳感器的三維變形監(jiān)測

在運用分布式光纖傳感器技術進行工程監(jiān)測時，可將3～4根分布式光纖傳感器（Distributed Optical Fiber Sensor，DOFS）等角度沿軸向粘貼到桿體或管體表面，此種布置方法可支撐該光纖傳感器的三維變形測量，方法是基于彎矩的積分計算，依據(jù)協(xié)管4個方向的應變數(shù)據(jù)信息來對水平和垂直方向的變形量進行反推，位移靈敏度可達1 mm·m-1，最大安全位移為15 mm·m-1。ITEN等在邊坡樁基上布設了4根分布式傳感光纖測量其滑動量，并與3年測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，結果表明該方法能夠有效監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性。

4 結語

當前，在經(jīng)濟社會發(fā)展和技術進步的有效驅(qū)動下，公路、橋梁、隧道、地鐵、水利等沿途工程建設加速推進，而為了確保工程的安全運行，需要對其進行健康評估和安全監(jiān)測，但是傳統(tǒng)的振弦式、電感式監(jiān)測傳感器存在環(huán)境耐受力、信號傳輸性及實時監(jiān)測性差的諸多弊端，等而光纖傳感器技術的應用突破了這一限制，可實現(xiàn)多點布設，支持多參量、可編程、自檢測，在巖土工程安全監(jiān)測中具有明顯應用優(yōu)勢。

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