CN105910545A - 高土石坝变形监测的光纤传感技术与系统 - Google Patents

Abstract

公开一种分布式光纤传感系统和技术方案，能够实现心墙土石坝和砼面板坝的全部散粒坝料区域（包括心墙坝的上游堆石体）的内部变形3分量，以及面板坝周边缝‑垂直缝变形、面板的挠度‑脱空缝和砼面板双向应变的一体化在线遥测；实坝大范围的时空全覆盖。提供独特造型的三种光纤封装结构，构成3维欧拉弹性梁，实现光纤的力‑光直接转换；提出传感系统的水平向、垂直向、坝坡向三种布置型式和综合用法及光纤敷设工艺，达成光纤监测的多功能一体化，便于施工、保证光纤存活率，具有工程应用价值。光解调仪采用高精度PPP‑BOTDA或布里渊‑瑞利合成系统，可实现坝与渗漏等其他监测项目的一机多用，促进安全监测系统的换代升级。

Description

高土石坝变形监测的光纤传感技术与系统

技术领域

本发明涉及一种土石坝的坝体变形的分布式光纤传感监测系统和技术方案，可实现心墙型和面板型高土石坝内部变形和砼面板的双向应变状态及接缝变形的分布式光纤传感大范围-多维度的在线遥测，获得可靠可用的观测成果。

背景技术

土石坝安全监测国家规范SL60-94规定的施工期-初蓄期-运行期的观测频次，内部变形、砼面板变形-应变、接缝变形三项，是20余监测项目中的最高一档，由此可见其关键性意义。其中，面板坝的钢筋砼-堆石两种材料的刚度悬殊大，变形问题突出，面板坝的各种安全事故如漏水、止水失效、面板开裂、挤压破坏、挠曲断裂、脱空等等，都与变形的异常密切相关。

土石坝内部变形监测使用的常规仪噐，如测斜仪、沉降仪、水管沉降仪、引张线位移计、铟钢丝位移计、应变计、测缝计等，作为单点式传感器，其时空覆盖能力弱（时空不连续），测点少、大坝整体信息偏弱；可靠性耐久性较差，仪器设备故障率偏高（如电磁沉降仪有效工作期仅约5年；又如小浪底坝内观仪器建成仅两年，1/3以上已失效；前苏联317m努列克心墙堆石坝，坝体埋设观测仪器达800余只、测斜管16只，总長达3km之多，但迄今无任何观测成果报导）；常规仪器自动化水平低、人工操作多、时效差。另一重要问题是，常规仪器设备怕水浸，上游坝壳堆石体变形在国内外通常成为监测空白区。这些难题随着坝高的增加，如二三百米级高坝，其挑战性愈加突出。

2005年光纤陀螺仪曾用于水布垭面板坝的面板挠度监测，该仪器可动部件多（小车滚轮8个（橡胶轮箍）），每次测量时陀螺仪小车在圆形钢管通道中上下拖动800余米（小车轨道缺乏唯一性），对测量精度的重复性-稳定性的不利影响因素较多。

现阶段，分布式光纤传感技术系统尚无用于土石坝内部变形监测的实例，惟有用于地下工程、土体沉降、水平位移等变形检测的实例。

例如，埃及开罗地铁3#线穿越软土地层，开挖时，采用了 BOTDA型光纤变形监测管进行土体沉陷观测。观测管釆用光面圆塑料管，管外表面敷设三条传感光纤，按欧拉-伯努利弹性梁理论，得出土层沿测管纵向的沉降分布，效果良好［V. Dewynter et al.Brillouin optical fiber distributed sensor for settlement monitoring whiletunneling the metro line 3 in Cairo, Egypt, Proc. of SPIE Vol. 7503,75035M ］。

上海地铁线路中，光纤的封装结构采用圆塑管，外径70mm，长84m。管顶点底点对称各开一凹槽，光纤粘入槽内。沉降光纤测值与对比测值基本相符。

又如南京一深基坑，将光纤粘贴在PVC管的对称两侧的凹槽内，其一侧朝向基坑壁，用钻孔竖直埋入土层，开挖中测得该管挠度变形，即土体水平位移，与全站仪测值符合良好。

山西某矸石发电厂对直径800mm、长31m、35m灌注桩，釆用布里渊型传感光纤，在静载试验中检测桩身挠度、混凝土应变。光纤2路沿桩身两侧对称布置，获翔实成果。

综上易见，在地下工程中应用的分布式光纤变形监测方式，仅能测得封装管的挠度，即一维变形。因而无法应用于土石坝型的内部变形监测，关键问题有二：（1）土石坝变形为空间变形、即三维变形；（2）光面封装圆管只能承受正土压力，侧向易滑动，无法与土料的复杂变形同步，而相容性是光纤传感的基本要求，即光纤与其监测对象的变形场协调相容。

鉴于此，针对高坝工程三维变形监测的特定需求，本发明综合运用当今分布式光纤传感领域的高端成果，提供一种适用于心墙型和面板型土石坝空间变形的分布式光纤传感监测型式和技术方案。

发明内容

技术方案依据的科学原理

（1）力学理论：

在弹性力学中，欧拉-伯努里三维弹性梁理论（遵循小变形理论）表明，梁体的拉压面应变分布与其挠度变形一一对应，凡获得其两侧面应变的分布，借应变的重积分，即可求得梁的挠度，两侧拉压变形平均值即梁体轴向变形。

（2）光学原理：

据光纤光学领域的最新进展，光纤光波导的两种本征散射---布里渊散射、瑞利散射，都对温度和应变两种力学量敏感［K.Kishida et al. Study of optical fiber strain-temperature sensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system, PhotonicSensors, DOI:10. 1007/s 13320-013-0136-1; Sylvie Delepine-Lesille et al.Validation of CW-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing,Proc. of SPIE Vol. 8794 879438-1］。两本征散射各自特有的光学参量成为应变与温度的信息载体如下：

1）布里渊（Brillouin）散射光—布里渊增益谱峰值的频移与温度及应变增量线性相关，基本关系式为

△v_b＝C₁₁△ε＋C₁₂△T

式中，△v_b为布里渊增益谱频移，△ε为应变增量，△T为温度增量，C₁₁为布里渊应变-频率系数， C₁₂为布里渊温度-频率系数。通过测量布里渊频移就可测定光纤应变和温度，经解耦可得光纤沿程的温度分布。新型的预脉冲（Pulse-Pre-Pump）布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA，其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm、测量精度7.5με/0.35℃。

2）瑞利（Rayleigh）散射光—光纤纤芯在拉制过程中生成的残留应变所产生的瑞利后向散射光，其频移与温度和应变增量线性相关，基本关系式为

△v_Ｒ＝C_２1△ε＋C_２2△T

式中，△v_R为瑞利散射光频移，C₂₁为瑞利应变-频率系数 ，C₂₂为瑞利温度-频率系数。布里渊-瑞利合成系统（Hybrid Brillioun-Rayleigh system）近期业已产品化—TW—COTDR（谐调波长相干光时域反射仪），工作性能与上述PPP-BOTDA相当，且可实现温度-应变的自动解耦。这些为提高系统的信噪比、增强观测数据的可靠性提供了亟有利条件。

综上可见，被测场布设1路光纤，可測得沿程的一维空间的应变（及温度）连续函数，用数值方法进行重积分得其纵向变形量。如图1，当运用4条组合光路，将其按梁体弯曲构型布设时，则可測得变形3分量（沉降+顺河向-横河向水平位移）。简言之，4路光纤的两两呼应的拉压对应布置，可把坝体变形3分量转化为监测管/监测板的梁弯曲效应（光纤恰出现在梁弯曲的拉、压两侧），而得以将坝体变形3分量一一表达出来；具有对全部坝体（包括上游坝壳）内沿光纤全程的三维变形的时空分布，进行连续、在线、一体化监测的功能。

如上所述，这种用分布式光纤传感检测挠度变形的技术型式，已在国内外地下工程、桩工等领域的初步应用中得到了验证。

（二）技术方案

（1）传感光纤的封装结构

上述力-光理论相综合，易知光纤变形监测的技术构架是：将光纤布设在细长弹性件的对称面，即成为光纤封装件，将其埋入观测对象内即可。封装结构的构型的精巧实用，对于光纤变形监测的工程应用的成败，具有决定性作用。针对上述各坝型的监测参量和对象及应用条件，本专利提出如下三种光纤封装结构构型。

1）波纹管

封装圆管釆用高性能聚合物材料（如ABS材料），管外表面设有均布的凹槽，成为波纹管。在其外壁的顶点、底点和左右侧点共4处，对称布设4条微管（直径约15mm），见图1，各微管中敷设传感光纤，即形成光纤变形监测管，可同时观测3个变形分量：管纵向变形量、横向2正交变形分量。封装管直径大约为40~90cm左右。封装管设有环向波纹的作用在于，保障光纤与坝料（心墙料、反滤料、堆石料等）之间的场相容。

2）多孔板

对波纹管进行降维优化即成二维封装件，如图2，在封装板的两侧各设1条微管（直径约15mm）以敷设传感光纤，作为板形欧拉梁体的拉压侧，即形成光纤变形监测板。在板体中均匀布设穿透圆孔，当监测板埋入散粒坝料时，坝料嵌入孔内，使监测板与坝体填筑料宻切结合，从而实现场相容。

监测板立置而其一端或两端为固端时，即成为窄断面的2维欧拉弹性梁，可同时观测2个变形分量：板形梁的挠度及其纵向变形；当监测板水平放置-端部固定时，其挠度出现在水平面内。易见，沿一条测线将两监测板正交敷设成为丁字形（图4、5中之15、图8），则可观测板形梁沿线的变形3分量（在坝体中即其沉降、顺河向水平位移、横河向水平位移）。封装板（立式）高度大约为50~100cm左右。

3）光面板

此封装件的板型-板材-光纤封装和力学机制，与多孔板类同，只是不设均布的穿透孔。

上述各种板形和管形封装件的端头中，有时需要将拉压对应侧的光纤连通，可釆用U型路由。在坝肩陡峻岸坡或与砼建筑连接处，监测板可采用滑动轨道支座，传感光纤用定点嵌固，防止光纤受损，并可监测坝体-岸坡界面的错动变形量。

封装结构的三种形式应结合光纤系统在大坝中的布置方式（下详）和监测项目及任务，因地制宜，优选应用。

（2）光纤变形监测系统的组成

光纤变形监测系统的组成，见图3。主要包括：光信号解调仪—传输光缆—传感光纤（UPS、主控计算机等配件未示出）。

新型的光信号解调仪PPP-BOTDA（预脉冲布里渊光时域解调仪），其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm，应变精度7.5με，应变重复性 5με，温度精度达0.35ºC，测量时间5s，距离范围 50m~10km，适用SM光纤。布里渊-瑞利合成系统的解解仪TW-COTDR也达到类同的性能。

为在工程现场条件下验证PPP-BOTDA型光纤传感系统的性能，2011年在西安釆用PHC桩的现场静载实验和应变实测，进行了国内首次技术验证，采用知名的瑞士滑动测微计进行校核。PHC桩直径500mm，桩长30m，在桩体内埋入两路传感光纤，並一起埋入滑动测微计，试桩静载693~1464kN。结果两种手段的应变测值基本相符。

（三）土石坝光纤变形监测系统的布置方式

土石坝中常规监测设备的布置各式各样，如竖向布置、顺河向水平布置、跨河向水平布置等，其缺陷是：设备安装历时长（如测斜管）、施工干扰大、有损伤风险（要经历每一填筑层作业的“磨难”）；起测时间晚、丢失早期数据（如水管沉降仪等）。

基于光纤监测管/监测板可同时观测坝体变形三分量或两分量的优势，本专利提出用一体化跨河向水平布置方式或者以跨河水平布置为主的综合布置方式。

（1）心墙型土石坝光纤监测布置：光纤监测系统对土质防渗心墙、反滤层和堆石体（包上游堆石坝壳）的各坝料分区，均采用跨河向水平布置或以水平布置为主-辅以少量垂向布置（见图4、5），少量垂直布置可收强化监之效。

（2）面板型堆石坝光纤监测布置：

1）堆石体料区的监测—采取多孔板封装件-跨河向水平布置，如图6、7中的15，或者以水平布置为主-以垂直布置为辅，有利于施工控制和动态设计。

2）砼面板挠度-应变-接缝一体化监测—面板挠度监测采用光面的封装板-水平向布置如图6中之19。该板形梁的梁高方向与面板正交，以两岸岩基为固端，沿程用钢构件夹牢板顶部，钢构件埋入面板砼中，使其顶面与面板砼连结一体。监测板采用光面板而不设多孔，旨在排除当脱空缝出现时垫层料对监测板变形的约束，确保其变形与砼面板同步。

该水平监测板一身三用，在监测面板挠度的同时，还能直接测出砼面板的水平向应变的时空分布和过程，即该监测板顶部光纤应变数据。再者，它能监测面板垂直缝的开度，为此，该监测板凡与面板垂直缝相交的区段（长大约2~4m）中，光纤需用定点固结，为此，在该区段内取消与面板固结的钢构件；采用类同的布设方式，它还可同时监测该板两端周边缝的开度和沉降变形。

3）砼面板挠度强化监测-应变-接缝一体化监测—为强化面板挠度的监测（特别是面板中下部），釆用坝坡向布置和光面监测板，封装板顺坝坡向布设在垂直缝面中，其下端以趾板为固端基准点，如图8中之19。该监测板与垂直缝一侧的面板连结一体（例如用锚栓连结），与其同步变形。

易见，斜向监测板在监测面板挠度的同时，还能测到砼面板坡向应变的时空分布。同上，斜向监测板邻近周边缝的约3~5m长区段内，屏蔽其与一侧面板的连结（不设锚栓）、光纤定点嵌固，则能监测周边缝的开度和沉降变形。

4）面板脱空缝的监测—采用水平向布置，这时，在图6中，与挠度监测板（无孔）相平行、並排布置1条多孔监测板，将其嵌入垫层料及挤压边墙中，与其同步变形。脱空监测板与挠度监测板的变形观测值之差，即为脱空缝宽。

上述心墙土石坝和面板坝的光纤变形-应变-接缝监测布置方式的特色和显著优势是：

l 监测板/监测管两端或一端以两岸坝基-趾板为固端和基准点，力学概念清晰，准确可靠。还可辅以竖向布置，对重点部位强化必要的观测冗余度。

l 监测板水平向敷设在坝体填筑层面上，短时间一次性快速完成敷设安装，其上覆填筑层自动成为监测板的保护层，避免后续施工的损伤，对光纤存活率特别有利。

l 几乎不占用直线工期，减少施工干扰；可立即进入施工期观测，尽早建立初始场。

l 光纤不跨越不同坝料分区界面，使光纤避免界面局部错动产生的牵拉和损伤。

l 充分发挥光纤监测的多功能化优势，在面板坝不仅观测面板和堆石体的各种变形量，同时观测砼面板的坝坡向-水平向的应变状态和周边缝、垂向缝变形。

（四）有益效果

（1）把心墙型-面板型土石坝内部变形监测的常规设备的原理各异、构型繁多的十余种系统，简化为单一的光纤传感系统，仪器设备高度简化、系统极为精炼；消除了所有可动部件，显著提高系统的信噪比、切实保证观测数据的长期可靠稳定性，使之成为具有实用价值的先进适用的高科技手段，与大坝常规监测手段相辅相成，当能够显著提升高土石坝安全监控体系的有效性和科技水平。

（2）消除了人工测点、手工操作，便于实施实时在线遥测。

（3）高坝内部变形监测提升到网络化-一体化水平，利于实现变形观测的时空全覆盖，在观测范围上，可消除土石坝上游堆石体坝壳空白区；在监测时间全过程上，光纤传感系统即埋即测，施工期数据不致丢失；施工期系统可快捷接入运行期监测自动化系统，不致数据中断；多功能化优势明显，尤其对面板坝在监测面板和堆石体的各项变形量的同时，实现对周边缝-垂直缝变形和面板双向应变状态的一体化监测。

（4）系统耐腐蚀、防雷击、抗电磁干扰，无可动部件、无磨损，稳定工作数十年，维修工作量极小。光纤传感系统相关设备降价快、性能提高快，发展潜力大。

（5）本技术方案的重要关键是，排除了光纤跨越坝体的分区界面，从而避免坝分区界面错动和局部不均匀变形拉断光纤（小浪底坝内观仪器失效的起因，水工电缆拉坏占一半以上），布置方式有利于最大限度保证光纤存活率。

简言之，本专利具有攻克当今高土石坝坝内部变形监测这个难点、补上高坝安全监测的短板的实用潜力，实现其技术升级，可望成为土石坝安全监测体系中的亮点之一。

附图说明

图1为光纤变形监测管－波纹管；

图2为光纤变形监测管－多孔板；

图3为光纤变形传感监测系统组成示意图；

图4为心墙土石坝光纤变形监测系统的布置方式坝体横剖面示意图；

图5为心墙土石坝光纤变形监测系统的布置方式坝体纵剖面示意图(图4A-A剖面)；

图6为砼面板坝光纤变形监测系统的布置方式坝体横剖面示意图；

图7为砼面板坝光纤变形监测系统的布置方式坝体纵剖面示意图(图6A-A剖面；)

图8为丁字形光纤变形监测板的沟槽敷设示意。

附图剖位、部件及编号

1为波纹管，2为封装结构嵌固端，3为微管，4为传感光纤，5为传输光缆，6为光信号解调仪，7波纹管壁凹槽，8为多孔板，9为穿透孔，10为上游堆石体坝壳，11为上游反滤层，12为土质防渗心墙，13为下游反滤层，14为下游堆石体坝壳，15丁字形监测板，16为立置监测板，17为垂直向监测管/板，18为大坝分段填筑坝坡，19为砼面板，20为趾板，21为面板挠度监测板，22为面板脱空缝监测板，23为坝坡向监测板，24为坝料填筑层面，25为埋设槽，26为立置监测板，27为水平监测板，28为坝料回填。

具体实施方式

（一）光纤封装件的埋设：封装件采用沟槽法埋设，沿光纤监测线的设计线路，在填筑层中开挖埋设槽，如图8，封装板放入槽内，用全站仪进行控制测量，保障准确定位调平，保证立置板的铅垂度和平置板的水平度；板段间的接头的安装需宻实牢固，用光纤气吹作业检验监测板微管的通畅气密性；埋设槽的坝料回填用人工夯实，直至高于槽顶50cm处，其上再铺50cm厚两层，在堆石区最大粒径300mm，振动碾静压，其上恢复正常作业。垂直封装件在散粒坝料中的埋设，采用与垂向测斜管埋设类同的方式，甚或与其一同埋设，互为校验。

（二）传感光纤的敷设定位：在一路封装件全线安装定位后，在其微管内用气吹法敷设光纤，伞形帽在压气吹动下，拖动光纤从一端布向另一端（该工艺是电信行业成熟工艺的移植）；光纤在微管中的固结定位，采用真空高压法进行改性水泥沙浆灌注（光纤在小直径导管中的气吹敷设和灌浆工艺，均已在高速公路隧道砼衬砌的光纤敷设中得到验证）。凡新埋设的光纤变形监测件邻近尚有粗粒料振动碾作业的部位，需注意协调光纤的固结定位灌浆与邻近振动碾压两工序间的配合，后续振动压实须于监测件上覆坝料层达到合格厚度且沙浆达到合格龄期后，才开始恢复振动碾的正常振动压实作业，以避免其动力作用损伤沙浆的正常固结。

本发明属于4项国家自然科学基金成果。

Claims (4)

1.一种土石坝内部变形的分布式光纤传感监测技术方案，其特征是：2~4传感光纤釆用长条形弹性构件加以封装，将其作为二维/三维欧拉弹性梁体埋入坝体，通过光纤沿程应变-温度的连续观测，获得封装结构弹性梁的挠度和纵向变形，在线测定坝体的空间变形的时空分布过程；光纤传感信号解调釆用高精度布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA或布里渊-瑞利合成系统TW-COTDR。

2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：提出光纤的封装结三种型式---波纹管、多孔板、光面板；前者沿其外周对称布设4微管，其中敷设4路传感光纤；封装件埋入坝中、一端或两端嵌固，按三维欧拉弹性梁算法，可监测沿线变形3分量。后二者其两侧边各有微管1条，敷设两路传感光纤；封装件埋入坝中、一端或两端嵌固，按欧拉弹性梁算法，监测沿线变形两分量---封装件中平面内的挠度及其纵向变形；釆用两监测板按丁字形正交安装，则可监测沿线变形3分量。前两者的凸凹槽和均布孔保证封装件与散粒坝料间的场相容。

3.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：在心墙型和面板型土石坝体的散粒料区，光纤监测件采用水平布置或以水平布置为主-垂直布置为辅；避免传感-传输光路穿越散粒坝料分区界面和不均匀变形牵拉，最大限度的保障光纤存活率、减少对填筑作业的干扰。在坝肩陡峻岸坡处监测件采用滑轨支座，传感光纤用定点嵌固，防止光纤受损，並测出界面错动变形。面板坝的砼面板挠度的监测釆用光面监测板，水平向布置在面板下方、板顶与其固结，在监测挠度的同时监测面板的水平向应变的时空分布和过程以及其相应的周边缝-垂直缝变形；贴近挠度监测板平行布设多孔板，用以监测脱空缝；沿垂向缝布设坝坡向光面监测板，以趾板为固端，与一侧的面板相连结，以监测面板挠度（特别是其中下部），同时测出砼面板的坝坡向应变的时空分布和过程及其相应的周边缝变形。

4.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：坝中光纤封装结构件就位后，各微管的传感光纤组釆用气吹法敷设，用真空高压法灌注攺性水泥沙浆进行固结定位；凡其邻近有粗粒料振动碾作业的部位，后续振动压实须于监测件上覆土层达到合格厚度且沙浆达合格龄期后开始作业，以策沙浆的正常固结。