定點式布設光纖技術在管道變形監測中的應用研究

白純鋼王西地 楊萌

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院 北京 100083 2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司 北京 100010）

1 研究背景

城市排水管網是城市排水設施重要的組成部分，是城市的“地下血脈”。隨著城市的發展，排水管線的長度在過去的20年里飛速增長。與城市燃氣、輸油、供水等管網設施相比，排水管網具有管道新舊混雜，結構材質多樣，對基礎和地基擾動敏感等特點，因此排水管結構在外力作用下極易發生變形破壞。近年來地下空間開發利用加劇了對排水管的擾動和影響，施工造成地下排水管損壞的案例逐漸增多，排水管結構的安全監測和管網破壞的預防預控已經成為排水行業亟待解決的問題[1]。

污水管道安全檢測方法可以分為污水管道泄漏檢測方法和污水管道防破壞預警方法，污水管道泄漏檢測方法主要有人工巡線檢測法、漏磁檢測法、超聲檢測法、照相檢測法、質量/流量檢測法和負壓波檢測法等，目前技術發展已較為成熟，但受制于檢測機理的原因，不能對污水管道的變形及時作出預警，只能用于管道泄露后的搶險與補救。因此，作為一種科學、可靠的監測方法，光纖傳感技術近年來已被廣泛地應用于航空航天、國防軍事、土木、水利、計量測試電力、能源、環保、智能結構、自動控制等眾多領域，尤其在輸油管道和燃氣管道監測中發揮了巨大作用，且表現出長距離，大范圍，長期穩定、耐腐蝕、成本低、測試精度高、定位精確等優點[2]。

2 定點式光纖應變監測技術

定點式光纖有多層結構，其內部的傳感光纖采用定點注膠的方式與光纜的護套固定在一起。在兩個固定點之間，傳感光纖與護套處于松套狀態，進而將巖土的變形均勻分布在兩個固定點之間，實現巖土體變形的分段獲取，如圖1所示。為滿足巖土體變形的監測要求，兩固定點間的傳感光纖應預先張拉。

圖1 定點感測光纖結構

定點式應變傳感光纜采用獨特的內定點設計，實現空間非連續、非均勻應變的分段測量，具有極好的機械性能和抗拉抗壓性能，能與巖土體、混凝土結構很好地耦合。定點式應變傳感光纜具有分布式監測、監測范圍大、傳感裝置簡潔、安裝方便以及易于實現自動化監測等特點。根據測量結果可直接進行位移換算，可用于各類巖土體大變形的監測，如地面沉降、地面塌陷、地裂縫、混凝土結構變形等。定點式應變傳感光纜既能夠對已有裂縫進行監測，也可以通過二維或者三維網格化布設，實現一定區域內多條裂縫的監測[3-6]。

3 管道變形模型實驗

3.1 實驗目的

為了驗證分布式光纖監測的可行性與可靠性，本實驗利用分布式光纖監測排水管變形的人工升降臺來模擬排水管變形。

3.2 實驗概況

本次實驗中，將五個升降臺將五個內徑為800mm、長為2.5m的排水管串聯進行兩組實驗，采用定點布設光纖的方式將一條光纖沿排水管外壁中部自上而下布設一個回路，如圖2所示。串聯在一起的5個排水管存在4個連接承插口，分別記為A、B、C、D。為了使承插口處的光纖處于拉緊狀態，在承插口兩側安裝兩個卡具，通過計算兩個卡具之間的平均應變可以求出對應光纖段的拉伸量。升降臺的調節裝置位于其正下方，通過人工調節升降臺高度使管節承插口處發生變形，從而利用定點光纖對該變形進行監測，并利用卷尺測量每個承插口處的光纖拉伸量。通過分析排水管變形程度與光纖應變變化之間的關系，從而驗證分布式光纖在排水管變形監測中的可行性。通過對比分析光纖監測與卷尺測量的光纖長度變化量兩種數據，從而驗證分布式光纖在排水管變形監測中的可靠性。

圖2 實驗管道模型

3.3 數據采集

（1）光纖安裝完畢之后，取初始值，包括：光纖初始頻率、每個承插口兩端卡具之間的光纖長度。

（2）將B插口兩端乘降臺下放3mm，測量每個承插口兩端卡具之間的光纖長度，并測量光纖頻率。

（3）將B插口兩端乘降臺累計下放5mm，測量每個承插口兩端卡具之間的光纖長度，并測量光纖頻率。

（4）繼續將C插口兩端乘降臺累計下放5mm，測量每個承插口兩端卡具之間的光纖長度，并測量光纖頻率。

（5）繼續將B插口兩端乘降臺累計下放15mm，測量每個承插口兩端卡具之間的光纖長度，并測量光纖頻率。

（6）繼續將C插口兩端乘降臺累計下放15mm，測量每個承插口兩端卡具之間的光纖長度，并測量光纖頻率。

4 實驗結果分析

根據實驗測量結果用中誤差表示定點式光纖監測技術的監測精度，具體公式如下：

其中：V=v-T，v-定點式光纖所測變形值；T-卷尺所測變形值（可視為真值）；n-測量實驗結果組數。

經計算定點式光纖監測技術測量中誤差為±0.39mm，通過二者實驗數據對比，可以看出兩種監測結果有很好的一致性，對比結果及誤差值如圖3、圖4所示。

圖3 光纖監測與卷尺測量值對比

圖4 兩種監測手段相對誤差值

5 結論

本文采用定點式光纖監測技術與卷尺直接測量兩種手段對管道承插口間的變形量進行了對比實驗，得到以下結論：

（1）實驗結果表明：定點式光纖監測技術測量中誤差為±0.39mm，說明本技術的監測精度為±0.39mm，同時根據兩種監測手段數據對比，可以看出二者監測結果有很好的一致性，滿足相關工程規范要求，驗證了應用定點式光纖監測技術在管道變形監測的可行性。

（2）采用定點布設的方法，可提高感測光纖的監測精度和量程，有效捕捉到分布于兩個定點間裂縫的發生和發展，從而對管道的危險區域給予及時的預警。

（3）定點式光纖監測技術具有分布式、長距離、耐腐蝕、直接監測等技術優勢，是管道變形監測一種十分有效的新手段，能很好地滿足管道變形監測的需要，在管道變形監測中具有廣闊的應用和推廣前景。