探討分布式傳感光纖在輸水隧洞工程監測中應用

黃曉燕

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

輸水隧洞工程中傳統點式監測技術，對于土層分布不均勻、地質條件多變的地下巖土工程而言，存在監測部位結構無異常，監測儀器測量值也無明顯變化的情況，而相鄰部位卻發生較大的結構健康問題。因此，傳統監測技術選取合適的監測斷面尤其重要，有限的測點難以更有效地反映線性工程結構整體安全狀態和指導施工。

近年迅速發展起來的BOTDA分布式光纖傳感技術具有長距離連續測量、耐久性好和系統集成方便等特點，光纖質量小，可研制成較小的傳感元件，光纖本身既是傳感元件又是信號傳輸介質[1]，可實現對監測對象的遠程分布式監測。因此，提出在輸水隧洞工程中采用分布式傳感光纖，配合傳統點式監測設備進行監測。

目前，國內利用BOTDA分布式光纖傳感技術在隧洞工程中應用較少，大量運用于實際工程中還需進一步驗證。借助珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞試驗，通過埋設分布式傳感光纖與傳統點式傳感器對結構的物理場分布進行監測，對兩種類型監測設備測量數據進行分析，驗證分布式傳感光纖應用于工程結構測量的優勢及可靠性，并對分布式傳感光纖有效應用于輸水隧洞工程中提供技術指導。

1 BOTDA分布式光纖傳感技術

BOTDA分布式光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為信息載體、光纖為媒介的新型傳感技術[2]。工作原理是當光波在光纖中傳播時產生布里淵散射，通過檢測光纖中布里淵散射頻移的變化，并利用其頻移變化量隨應變呈線性變化的關系(見公式1)來感知被測對象物理性質的變化，利用BOTDA采集設備測量散射光頻移實現物理量和光學特性之間的轉換，沿光纖按照一定的空間分辨率測量出應變或者溫度的分布。

ΔvB=Cvt·Δt+Cvε·Δε

(1)

式中：ΔvB為布里淵頻移量；Cvt為布里淵頻移溫度系數；Δt為溫度變化量；Cvε為布里淵頻移應變系數；Δε為應變變化量。

2 現場試驗

2.1 概述

試驗段主要是為研究四種結構型式作為壓力輸水隧洞的可行性，在輸水隧洞進行模擬內水加壓試驗，采用高壓橡膠囊體充水模擬輸水隧洞高內水壓，將加壓系統安裝在輸水隧洞內，內壓從0 MPa開始加載至0.65 MPa。通過埋設監測設備，在內壓空載及逐級加載情況下，獲取分析隧洞結構物理場的變化規律，分析結構受力或變形分布情況。選取雙層管片—混凝土內襯結構輸水隧洞變化規律進行探討，隧洞結構型式采用混凝土襯砌管片，管片厚度0.3 m，內徑5.4 m，外徑為6 m，襯砌管片之間通過螺栓連接；管片內側為鋼筋砼內襯，鋼筋砼內襯厚0.3 m。

2.2 監測系統

在試驗區間選取監測斷面a和b，在監測斷面a管片內弧面每隔36°布置1支光纖光柵應變片，用于監測管片內弧面混凝土環向應變變化分布，采用環氧樹脂膠把光纖光柵貼片式應變計固定在襯砌管片的內弧面。

沿監測斷面a管片內弧面上部270°鋪設分布式傳感光纖(玻璃絲布應變感測光纜)，用于監測管片混凝土應變變化分布，采用環氧樹脂膠全黏貼方式安裝。

沿監測斷面b管片內弧面管片接縫(縱縫)各布置1支振弦式測縫計，并沿管片內弧面上部270°環向鋪設分布式傳感光纖(0.5 m定點式應變感測光纜)，用于監測管片環向接縫張開量和收斂變形情況。定點式應變感測光纜采用夾具將光纜的定點固定，定點固定間隔為0.5 m，采用鍍鋅U型槽將光纜與內襯混凝土隔離。試驗段隧洞結構及監測設備布置見圖1～圖2。

圖1 監測斷面a監測設備布置圖

圖2 監測斷面b監測設備布置圖

在監測斷面附近設置監測站，采用采集設備對監測傳感器進行實時在線測量。

2.3 數據分析

2.3.1 分布式傳感光纖與光纖光柵應變片測量對比

圖中正值表示拉應變，負值表示壓應變。從圖3玻璃絲布應變感測光纜測值隨內壓加載過程變化曲線圖整體變化趨勢上看，前期加壓過程中，左右腰部位的管片表現為受壓狀態，隨內壓加大，管片整體環向拉應變逐漸增大趨勢，特別是在管片接縫區域的測值增大更為明顯，管片混凝土變化趨勢是向外膨脹受拉。圖4光纖光柵貼片式應變計測值變化曲線圖看，前期加壓過程中，左右腰部位的管片主要表現為受壓狀態，隨內壓加大，測值均逐漸增大，管片混凝土變化趨勢是膨脹受拉。從量值上看，隨著內壓加載，管片混凝土應變逐漸增大，在只有外載作用下，管片環周混凝土處于受壓狀態。內壓達到0.65 MPa時，管片內側混凝土基本全部進入受拉狀態，管片內弧面混凝土拉應變增量范圍為15.4 με～115.9 με，玻璃絲布應變感測光纜和光纖光柵貼片式應變計的測值比較接近，最大拉應變增量位于管片B1塊與B2接縫附近，位于管片F塊區域的拉應變增量次之。

圖3 玻璃絲布應變感測光纜應變分布圖

圖4 光纖光柵貼片式應變計應變分布圖

對比兩種類型監測設備的測量數據可知，光纖光柵貼片式應變計只能是點式布設測量，獲得測值按測點控制，安裝工期相對較長，容易受外界各類環境因素(如濕度、溫度或電磁干擾等)影響。玻璃絲布應變感測光纜可進行分布式連續測量，獲得的測值曲線相對平滑，具有測量點多(最小測量間距達10 cm)、結構簡單安裝簡便和防水等優勢，可測量鋪設了分布式傳感光纖范圍內混凝土的應變分布情況。

2.3.2 分布式傳感光纖與振弦式測縫計測量對比

圖5為振弦式測縫計測值隨內壓加載過程變化曲線圖，正值表示張開，負值表示閉合。測量數據顯示，管片接縫最大張開量在內壓0～0.65 MPa范圍內均比較小，隨內壓逐步加大，管片環向測縫計測值呈現逐漸增大趨勢，即是管片接縫張開量逐漸增大，管片受內壓作用后膨脹變形。相同內壓作用下，接縫最大張開量較小，管片最大接縫張開量位于拱頂L1-B1接縫處，最小接縫張開量位于拱底L2-B3接縫處，從測值上看，內壓達到0.65 MPa時，管片環向測縫計測值為0.01 mm～0.14 mm，與管片2 mm接縫張開限值相比，還預留了較大的安全儲備空間，在0～0.65 MPa內壓承載范圍內，可認為對管片結構接縫張開量的影響較小。

圖5 振弦式測縫計變化過程線

圖6為0.5 m定點式應變感測光纜測值隨內壓加載過程變化曲線圖，正值表示張開，負值表示壓縮。隨內壓加大，光纜呈現為拉應變增大趨勢，即光纜定點節段伸長，表現為管片整體呈膨脹外擴變形趨勢。光纜定點節段的最大伸長量位于拱頂管片接縫L1-B1附近部位，最大應變量約為+251 με，轉化為伸長量約為+0.13 mm，其余部位光纜定點節段伸長量相應較小，這與接縫張開量極值位置基本相符合。

圖6 0.5 m定點式應變感測光纜應變分布圖

該部位的分布式傳感光纖的測值曲線呈現明顯臺階狀，而非平滑，這是因為上文提到的非定點分布式光纖(玻璃絲布應變感測光纜)測值為連續測值，適用于整體性結構的應變測量，而定點分布式光纖(0.5 m定點式應變感測光纜)測量定點范圍內數據均一化，實現空間非連續非均勻應變分段測量[3]，在定點旁邊測值會有波動，兩個定點中間區域測值較穩定，為有效測值，因此二者測值曲線展示有所區別。定點分布式光纖在計算時，應采取定點中間區域內的有效測值計算，該值能真實反映定點之間的位移值，適用于接縫結構和結構的變形測量。

傳感光纜的測量數據可同時監測收斂變形和接縫變形情況，與傳統點式監測設備測值變化趨勢接近。傳感光纜的結構相對簡單，對監測對象結構性能影響較小，而振弦式測縫計用于監測管片接縫變形，需要在管片上開槽安裝，這對結構性能會產生影響。

3 結論

根據試驗成果可知，傳統點式監測設備和分布式傳感光纖隨內壓加大測值變化趨勢接近，均能反應結構的收斂變形、混凝土應變等變化情況，說明分布式傳感光纖的監測數據是可靠的。在輸水隧洞工程中采用分布式傳感光纖進行監測，對監測對象結構性能影響小，安裝簡單，可進行分布式連續測量，獲取更多數據輸出，并可實現工程結構健康診斷的全面感知功能等優勢。利用分布式傳感光纖測量可彌補傳統點式監測技術的不足，但是也有不足之處。如果光纖中間某段斷開，存在中間部分的光纖測量失效的風險。因此，在線性輸水隧洞工程中采用分布式傳感光纖配合傳統點式監測設備進行測量，可確保測量成果的可靠性，并且是先進、可加以推廣的測量方案。

4 展望

目前光纖應變/溫度分析儀主要應用于測量沿光纖分布的應變和溫度變化，而光纖本身既是傳感元件又是信號傳輸介質，以輸水隧洞工程為例，在輸水隧洞內沿線埋設通訊光纜并預留2芯光纖，考慮以后是否可以通過光纖應變/溫度分析儀測量隧洞沿線的滲漏或振動等物理場分布。