基于傳感光纖技術的堤壩分布式變形監測

何 斌，何 寧, ，張中流，汪璋淳，胡德新，智月榮

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.南京嘉兆儀器設備有限公司，江蘇 南京 210037)

堤防、路堤、大壩變形是評價分析其工作特性和安全的重要指標，堤壩變形通過監測獲取，包括表面變形和內部變形監測，目前堤壩表面變形監測主要采用全站儀、水準儀等光學儀器監測，其監測技術成熟可靠；常用的內部變形監測設備有測斜儀、引張線水平位移計、并（串）聯式水平位移計、沉降標、單點沉降儀、磁環式沉降儀、水管式沉降儀、靜力水準儀等。上述變形監測設備和儀器均為點式監測技術，在堤壩變形監測中發揮了重要的作用，但也存在多測點管理不便、布設困難等問題[1-2]。目前堤壩變形監測主要是在代表性斷面布置監測點進行監測，主要為點式監測技術，近期變形監測雷達技術[3]、基于數字圖像的變形監測技術[4]和三維激光掃描等大范圍面式監測技術[5]開始在巖土工程表面變形監測中推廣應用。采用活動測斜儀可實現堤壩地基沿深度方向水平位移的準分布式監測，活動測斜儀結構、傳感技術、測斜管及其安裝埋設技術較成熟，基本可以滿足土木工程的沿深度方向準分布式水平位移監測要求，也可以用于堤壩沿高度方向的水平位移分布式監測，但不能滿足堤壩內部水平斷面變形監測需要；采用斷面沉降儀理論上可對堤壩斷面沉降實現準分布式測量，常用斷面沉降儀傳感器分別采用高精度角度傳感器或壓力傳感器，但由于現有的斷面沉降儀對其配套監測管道環境與安裝精度要求高，斷面沉降儀在土木工程中得到良好應用并取得可靠的堤壩斷面沉降準分布式監測成果罕見。隨著分布式光纖應變傳感技術在土木工程監測中的推廣應用，基于分布式光纖的土木工程及其結構分布式變形和受力監測得到發展并取得了較好的研究成果[6-11]，但上述成果是分別在土木工程受力與變形的某單項指標監測中開展研究并進行推廣應用，部分為試驗研究，包括傳感光纖選型、光纖安裝埋設技術。而監測數據計算分析技術等在內的基于分布式光纖技術的堤壩多維變形監測技術有待進一步開發和深化研究。

本文基于前期試驗研究取得的基于分布式光纖監測技術的變形監測成果[6-9]，并根據土質堤壩堤體結構在一定尺度下具有較好一體性的特性，設計了堤壩內部二維分布式變形一體化監測的分布式光纖監測技術傳感光纖布設方法與輔助結構型式，試驗研究不同型式傳感光纖的適用性，基于原型堤壩通過系統試驗并對試驗數據進行分析，提出一種土質堤壩內部二維變形一體化監測技術。

1 測量輔助結構論證試驗

為研究分布光纖傳感技術測量堤壩分布式沉降變形的測量精度和可行性，設計分別采用長18 m的C240和長192 m的C160型雙C型鋼及長18 m的20#a型槽鋼為變形分布式監測試驗系統的測量結構，將分布式傳感光纖分別粘貼于C型鋼或槽鋼的上、下內表面，利用測得的C型鋼與槽鋼發生彎曲變形時其上、下內表面的應變差值數據，計算該變形測量結構的分布式變形，試驗系統中變形結構架設于高度可調節的變形調節基座上以調節測量結構的節點沉降，試驗結果見參考文獻[9]，上述試驗表明借助合理的變形監測輔助結構，利用分布式光纖傳感技術可以滿足堤壩沉降監測需要，其測量精度為毫米級。參考文獻[7]利用原型土石壩的引張線水平位移計的保護鋼管的保護及錨固結構，完成基于分布式光纖傳感技術的壩體內部水平位移監測系統的安裝及保護，并同步開展測量試驗，其測量結果與安裝在該原型面板堆石壩的引張線水平位移計監測結果一致性良好，且實現了壩體內部水平位移全斷面分布式監測，驗證了基于分布式光纖傳感技術的壩體內部水平位移監測系統的測量精度和可行性，其測量精度達亞毫米級。為研究分布式光纖傳感技術測量堤壩分布式側向變形的測量精度和可行性，設計采用長60 m、橫截面200 mm×200 mm的方鋼為堤壩分布式沉降監測系統的輔助測量結構，方鋼測量結構分別設置有沉降和側向位移調節節點，試驗過程中同時調整位移調節點的沉降和側向變形，通過粘貼于方鋼上、下外表面的應變傳感光纖測量方鋼沉降變形，并研究方鋼發生側向變形時對其沉降變形測量結果的影響，通過測量應變傳感光纖以驗證其側向變形測量精度和可行性，并研究方鋼發生沉降變形時對側向變形測量結果的影響。介于輔助測量結構為窄長型結構，沉降或側向變形變化引起另一個方向對稱兩根光纖的應變變化基本相同，在差值計算中能夠互相抵消，因此兩個方向的變形計算理論上不會產生互相干擾。方鋼驗證試驗的第1組和第6組側向位移測量結果如圖1所示。

圖1 方鋼沿線側向位移計算與實測變形對比Fig.1 Comparison between the calculated values and measured values of deformation along the square steel

驗證試驗中側向變形和沉降變形驗證試驗各完成10組，側向變形驗證時同時調整方鋼的沉降變形以研究沉降變形對側向變形監測結果的影響，沉降變形驗證以同樣方式開展，考慮驗證試驗計算結果與實測值的對比規律基本一致，為了更清晰地展示對比結果，這里僅取出第1組和第6組的試驗結果加以說明，其驗證結果表明采用分布式光纖傳感技術監測壩體側向變形是可行性的，測量結構的沉降變形對其影響可忽略，其測量精度為毫米級。

2 原型試驗方案

2.1 原型試驗土堤工程概況

前期試驗和應用研究[6-9]表明，基于分布光纖傳感技術的堤壩內部分布式變形監測在技術上是可行的，借助合適的變形測量輔助結構，其三維變形精度均可達毫米級，可以滿足堤壩內部變形監測需要。為進一步研究該技術在堤壩內部二維變形監測中的可行性并對技術進行完善，選用南京長江濱江大道新建防洪堤開展原型試驗。

南京江北新區長江岸線濕地保護與環境提升工程中 “路堤結合”形成的濱江大道新建防洪堤，位于長江北岸寬廣的長江漫灘上。結合南京江北新區中心區控制性詳細規劃，濱江大道新建防洪堤兼顧城市防洪、景觀休閑及區域交通等功能。在拆除現狀堤防的同時新建土堤，新建土堤按“路堤結合”思路進行布置。考慮到本項目以慢行系統為主，設計時考慮雙向兩車道，同時兩側對稱布置人行道路及非機動車道。防洪堤頂寬度24.0 m（=3.0 m人行道（左側）+3.0 m 非機動車道（左側）+6.0 m 機動車道+3.0 m 非機動車道（右側）+3.0 m 人行道（右側）+6.0 m（觀光綠道））。

工程區被眾多水塘、堤防和溝渠等切割，地貌形態破碎零亂，地勢低洼處為溝、塘，地勢明顯凸起處為堤防和水塘埂；地面標高大多在5.5～7.5 m，水塘埂高程為6.0～8.0 m，水塘底高程為3.0～5.5 m，水塘水深一般0.5～2.0 m。區域主要地層有第四系人工填土層（Qme）、全新統沖積層（Q4al）和白堊系下統浦口組上段（K1p2）粉砂質泥巖、泥質粉砂巖等。此外，在所選的紅土坡土料場分布第四系上更新統（Q3al）粉質黏土及黏土，工程沿線地基土地質條件較差，場地沿線軟土（主要為淤泥質土）主要有兩層，為不良工程地質層，其中①-3 層淤泥主要分布于現狀水塘、溝渠底部，厚度較薄；②-2 層淤泥質粉質黏土厚度分布穩定、連續，但性狀極差，易產生沉降與不均勻沉降問題，也有可能產生震陷問題。

為解決其軟土路基處理沉降與承載力問題，新建防洪堤分別采用清除換填①-3層淤泥和深層水泥土雙向攪拌樁加固②-2層淤泥質粉質黏土層對防洪堤下部主要軟土地基進行處理，水泥土雙向攪拌樁按正三角形布置，樁間距1.5～1.8 m，樁徑60 cm，樁長10～19 m，水泥土攪拌樁樁身28 d無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。

2.2 原型土堤分布式變形監測方案

為監測防洪堤的沉降與穩定特性，設置了典型監測斷面采用傳統點式監測儀器對其地基孔隙水壓力消散、地基表層和分層沉降、地基深層水平位移等進行監測。在典型監測斷面K1+980斷面同步布置了基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形監測系統進行比對監測，以驗證該技術實際工程應用的可行性和精確性，并進一步完善。基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形監測系統與相關指標監測的傳統儀器布置如圖2所示。

圖2 K1+980斷面監測儀器布置Fig.2 Layout of monitoring instruments and sensing fiber system in section K1+980

如圖2(a)所示，基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形分布式監測系統布置于防洪堤地基表面，與地表沉降監測用沉降板安裝高程一致，為研究土堤合理的變形監測輔助結構，原型堤壩中設置3套基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形分布式監測系統，一套為采用雙C型鋼輔助結構的分布式光纖監測系統，粘貼其表面的傳感光纖為V1型緊套應變傳感光纖，其余兩套為直接利用1 m厚土堤結構體本身作為變形監測輔助結構體的分布式光纖監測系統，如圖2(b)所示。其中與C型鋼同高程堤身土體中平行一組兩種類型的去程應變傳感光纖，第二組兩種類型的回程應變傳感光纖同樣直接布置于土堤土體中，但整體高程高于第一組1 m，并與第一組應變傳感光纖平行布置，利用土堤自身較好的一體性，將厚度1 m的土堤結構本身作為變形監測輔助結構，在其結構體上、下表面土體中分別布置V1型緊套應變傳感光纖和V0型鎧裝（含變形均攤結構）應變傳感光纖。

3 監測成果分析討論

3.1 沉降監測成果分析

根據《材料力學》受彎結構變形理論[12]，采用能夠合理反映受彎結構受力變形特性的擬合方法對變形測量輔助結構上、下或左、右對稱表面應變差值進行擬合，并通過積分得到與測堤壩同步變形的輔助結構沿光纖布設方向的撓度分布[6,9]，從而實現堤壩內部分布式沉降監測。以5月11日直埋于1 m厚土堤上、下表面土中V0型傳感光纖的應變差值為例進行計算，其應變差值與擬合曲線如圖3所示，以路堤江側方向為距離起點展開分析。

圖3 5月11日土堤內V0光纖應變曲線Fig.3 Strain curve of V0 optical fiber in the embankment on May 11, 2020

圖3所示應變擬合曲線與實測曲線全長范圍整體吻合良好，并對由于系統誤差形成的奇異測值點進行了平滑處理，應變曲線整體規律符合向下彎曲的受彎結構的應變分布規律，表明選用的擬合方法是合理的。選擇從2020年3月17日開始填筑到5月21日填筑完成的8組監測典型數據，應用該擬合方法對原型堤兩種輔助結構所測分布式應變數據進行處理，并基于C型鋼輔助結構中V1型應變傳感光纖測值和1 m厚土堤輔助結構中V0型應變傳感光纖測值計算出原型堤斷面沉降分布，其對比結果見圖4。

圖4 光纖測值計算的分布式沉降與沉降板實測值對比Fig.4 Comparison of the distributed settlement measured by optical fiber and the measured values by settlement plate

原型堤2個月填筑過程中，共取得8組光纖測量數據，同時完成堤體兩端和堤中心共計3個地表沉降標的水準觀測。本次基于分布式光纖傳感技術的堤壩斷面沉降計算以原型堤兩端的沉降標觀測值作為積分計算方法的已知沉降點，因此兩端點與沉降計算結果無誤差。沉降誤差統計結果可知，8組監測數據中兩種型式的光纖監測系統分布式應變測值計算的原型堤斷面分布式沉降監測結果與對應位置地表沉降標監測沉降值最大誤差為4.3 mm，表明采用合理的變形監測輔助結構并選用合適的應變傳感光纖，基于分布式光纖傳感技術的土質堤壩斷面分布式沉降監測技術測量精度可達毫米級。

將基于沉降標實測值的路堤斷面沉降分布與兩種型式光纖的分布式沉降計算結果進行比對（圖4），結果表明：同時刻三者基本吻合，但基于直埋土中V0型光纖測值計算結果與沉降標測值曲線更光滑，基于粘貼于C型鋼上、下翼緣內表面的V1型光纖測值計算結果在以6 m長度為倍數的位置存在拐點現象。分析認為C型鋼結構為以6 m長度為單位的雙C型鋼錯位搭接并采用螺栓固定的組合結構，由于其固定方式存在缺陷導致該變形監測輔助結構整體性不足，在連接處出現變形不協調情況，從而導致粘貼于其表面應變傳感光纖測值不連續，引起計算結果誤差。由圖4沉降斷面分布曲線還可以看出基于直埋土中V0型光纖測值的沉降計算結果更符合堤體荷載作用下斷面沉降的實際“鍋底狀”分布，且由于分布式光纖監測系統的沉降分布式計算結果為基于實測高空間分辨率準分布式應變測值擬合的連續函數積分得到，其沉降計算結果同樣為連續函數，因此該監測技術可以實現堤壩斷面沉降的連續分布式測量。

5月11日直埋土中V1型光纖應變測值與擬合曲線如圖5所示。可以看出：直埋在1 m厚土堤上、下表面土中V1型光纖應變差值波動大，且應變曲線規律性差，與向下彎曲的受彎結構的應變分布規律不符；對比4月24日和5月11日兩天V1應變傳感光纖的斷面沉降計算結果與沉降標觀測值，兩者在數值和分布形狀上差異明顯。分析認為：堤身填料為黏性土料，填料本身為非完全彈性材料，填筑過程的差異難以保障1 m厚土堤的完全一致性；且土堤局部出現薄弱情況難以避免，在上部荷載作用下，這些薄弱部位土體將發生較大應變，V1型傳感光纖為緊套光纖，其測量為高空間分辨率，當V1型傳感光纖布設線路經過上述部位時，土體發生的較大應變將直接反應在布設于該區域的V1型應變傳感光纖上，使得應變差值失真（圖5），從而導致斷面沉降計算結果與實際不符（圖6）。因此，直接利用一定厚度土堤結構體本身作為變形監測輔助結構體的基于分布式光纖傳感技術的堤壩斷面分布式沉降監測技術應慎重選用緊套應變傳感光纖。

圖5 2020年5月11日土堤內V1光纖應變曲線Fig.5 Strain curve of V1 optical fiber in the embankment on May 11, 2020

圖6 土中V1型光纖測值計算的堤體分布式沉降Fig.6 Distributed settlement measured by V1 optical fiber in the embankment

3.2 水平位移監測成果分析

基于原型堤C型鋼V1型應變傳感光纖和堤基表面V0型光纖的監測數據，采用文獻[7]計算方法得到兩種應變傳感光纖路堤底部分布式水平位移如圖7所示。

圖7 兩種光纖測值計算的分布式水平位移對比Fig.7 Comparison of the distributed horizontal displacement measured by two kinds of optical fibers

圖7所示兩種應變傳感光纖測得的路堤底部水平位移在分布規律上保持良好一致性，量值基本相同，全斷面對應位置誤差均小于0.5 mm。監測結果顯示江側方向的土堤底部水平位移較陸側方向小，與工程區域前期工程措施有關，本次試驗原型堤為拆除現狀堤防的同時新建土堤，現狀堤防采用拋石護腳進行了加固處理，該加固措施對新建土堤在江側方向向外變形具有一定約束作用，而新建土堤路側方向原地形主要為水塘和溝渠，對新建土堤向外變形的約束作用相對小，5月21日路堤底部陸側向外最大水平位移約7 mm、江側向外最大水平位移約3 mm。測得的路堤底部水平位移量值較小，與新建土堤兩側地基深層水平位移監測系統測得的地表水平位移值吻合良好，對試驗全過程8組分布式光纖傳感技術的水平位移監測結果進行統計，并對比同時刻測斜儀所測地基深層水平位移結果分析：8組測值中兩種傳感光纖得到的水平位移與測斜儀的測量結果相差均小于0.5 mm，表明基于分布式光纖傳感技術的堤壩水平位移監測技術具有較高測量精度；且由于分布式光纖監測系統的水平位移計算結果為基于實測高空間分辨率準分布式應變測值的連續函數積分擬合所得，其水平位移計算結果同樣為連續函數，因此基于分布式光纖傳感技術的堤壩水平位移監測技術可實現分布式監測。

3.3 原型試驗結果總結與討論

本次原型堤的監測試驗結果顯示，采用合理的變形監測輔助結構和合適的應變傳感光纖，基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形分布式監測技術在土質堤壩內部沉降和水平位移監測中都具備良好監測精度，可滿足土質堤壩內部二維變形監測需要，且能實現全斷面連續的分布式監測，理論上采用如方鋼等合理的輔助結構也可以實現土質堤壩縱向側向變形監測，從而實現土質堤壩內部三維變形監測。原型堤所測分布式應變傳感光纖的應變測值量級為10?2級，遠小于應變傳感光纖最大測值約7 000 με，基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形分布式監測技術可適用于大變形的土質堤壩二維變形監測。本次原型堤壩為黏性土均質土堤，在混凝土面板堆石壩等以分散性土石料建造的土石堤壩的內部變形監測中推廣應用分布式光纖傳感技術需要進一步研究，通過前期原型試驗研究合理的變形輔助結構、確定傳感光纖選擇及其安裝保護技術及其適用條件和范圍等。

4 結 語

本文以土質堤壩內部變形監測為出發點，基于模型試驗研究基礎，開展了基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形分布式監測技術應用的原型試驗，通過原型試驗系統研究了輔助結構的設計、應變傳感光纖選型和安裝技術、數據處理與計算方法等，對原型試驗成果進行了詳細分析和討論，提出了基于分布式光纖傳感技術的堤壩變形監測新技術，能夠實現堤壩內部沉降和水平位移的二維連續分布式監測；綜合原位試驗分析結果，本文提出的變形監測新技術的沉降監測精度能達毫米級，水平位移監測精度達亞毫米級，滿足土質堤壩內部變形監測的規范要求，理論上可拓展實現不同深度的三維變形監測；基于分布式光纖傳感技術的土質堤壩變形分布式監測新技術，建議根據土堤受力變形特性選用不同形式的應變傳感光纖。分布式光纖傳感技術具有應變測量范圍大的特點，可適用于大變形的土質堤壩二維變形監測。