CN106091967A - 砼重力坝变形的光纤传感监测技术与系统 - Google Patents
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Abstract
公开一种分布式光纤传感系统和技术方案，能够实重力坝的坝体‑岩基内部变形3分量及坝体接缝和基岩构造带的错动、开裂、挤压等变形的一体化在线遥测；实坝多维度‑大范围的时空全覆盖。提供新型光纤封装结构‑‑‑窄矩形断面的板形梁，其拉压侧各带有微管，构成欧拉弹性梁，实现光纤的力‑光直接转换；提出传感系统在坝体‑基岩的廊道和竖井中的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，应用方便。光解调仪采用高精度PPP‑BOTDA或布里渊‑瑞利合成系统，可实现与砼温度‑库水温度及坝（厂）前淤沙位、水库淤积等其他光纤监测项目的一机多用，促进安全监测系统的换代升级。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土重力坝变形的分布式光纤传感监测系统和技术方案，可实现砼重力坝坝体和坝基内部变形的分布式光纤传感在线监测。
背景技术
迄今，砼重力坝及其坝基内部变形监测常用引张浅法、激光准直、垂线法、静力水准和测斜管、钢丝位移计等等。其中，部分设备需要人工现场操作，如活动测斜仪、激光准直等，难以实现实时在线遥测；多数设备需釆用坐标仪等电测设备进行量测；耐久性、长期稳定性和无故障工作时间，都尚差强人意；常布置在典型坝段，无法兼顾全面，信息量少。这些难题随着坝高的增加其挑战性愈加突出。
现阶段，分布式光纤传感技术系统尚无用于重力坝变形监测的成果和实例，惟有将准分布式光纤传感FBG(光纤布拉格光栅)用于重力坝模型试验以及分布式光纤传感用于土体开挖沉降、水平位移等变形检测的实例。
四川武都碾压砼重力坝的坝体-坝基模型试验中，将准分布式光纤传感器FBG(光纤布拉格光栅)应变计粘结在塑料圆杆表面的4条对称线上，构成FBG传感杆，在坝体-坝基中各埋一杆，按欧拉-伯努利弹性梁理论，由杆弯曲挠度检测模型坝的纵横向水平位移，並与位移计相校验，测值符合良好[1]。
1991年埃及开罗地铁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3条传感光纤，按欧拉-伯努利理论得出土层沿测管纵向的沉降分布，效果良好[2]。
上海地铁线路中，光纤的封装结构采用通常的测斜管，外径总长84m。管顶底对称各开一凹槽，准分布式光纤传感器粘入凹槽内。沉降光纤测值 与对比测值基本相符。
又如南京一处深基坑，将传感光纤粘贴在PVC管的对称两侧的凹槽内，其一侧朝向基坑壁，用钻孔竖直埋入坑旁土层，开挖中釆用BOTDR(布里渊光时域反射)测得该管变形即挠度，亦即土体水平位移，与全站仪测值符合良好[3]。
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。传感光纤2路沿桩身两侧对称布置，获翔实成果。
综上易见，对于砼重力坝工程，现有的用于桩、梁等细长构件的光纤直接理入混凝土的方式，显然在工艺上、结构机理上都无适用于大体积混凝土高坝工程。
鉴于此，本发明提供一种适用于砼重力坝及坝基的复杂变形的分布式光纤传感监测型式和技术方案。
针对该型高坝工程的内部变形监测的特定需求，本项专利交叉综合运用当今分布式光纤传感领域的先进适用成果，构建了具有工程应用价值的高坝变形在线遥测技术方案和系统。其技术特点是：
——高精度、可靠耐久、长期稳定、防电磁、耐腐蚀、无可动件；
——分布式检测功能，实现大范围-多年连续可靠观测；
——传感-信号传输一体化，易于实现在线遥测；
——综合措施保障光纤存活率高。
主要文献：[1]H.H.Zhu et al.Fier Optic Displacement Monitoring inLaboratory Physical Model Testing.Proc.3th Int.Forum on Opto-electronicSensor-based Monitoring in Geo-engineering[C]，Sept.29-30,2010,Suzhou China.[2]V.Dewynter et al.Brillouin optical fiber distributed sensor for settlementmonitoring while tunneling the metro line 3in Cairo,Egypt,Proc.of SPIE[J]Vol.7503,75035M.[3]刘杰，施斌等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J].岩土力学，2006，27(7)。
发明内容
(一)技术方案所依据的科学原理：
(1)力学理论
在弹性力学中，众知的欧拉-伯努里三维弹性梁理论揭示，梁顶靣-底面应变分布与其挠度变形一一对应，凡获得应变的分布，通过对应变的重积分，即可求得挠度；对顶靣-底面应变平均值的重积分，即得梁轴向变形。
(2)光学理论
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[1～2]。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
Δvb＝C11Δε+C12ΔT
式中，△vb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
ΔvR＝C21Δε+C22ΔT
式中，△vR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，在被测场中布设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。当运用2条传感光路，将其布设在板形梁(矩形断面梁(简称为监测板),如图1)时，则可測得变形两分量(沉降+顺河向-横河向水平位移)。当两监测板正交布置应用时，可把坝体变形3分量转化为两监测板的梁弯曲效应(光纤出现在梁弯曲的拉、压两侧)， 而得以将坝体变形3分量一一表达出来；具有对坝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。
主要文献：[1]K.Kishida et al.Study of optical fiber strain-temperaturesensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system,Photonic Sensors,DOI:10.1007/s 13320-013-0136-1；[2]Sylvie Delepine-Lesille et al.Validation of CW-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing,Proc.of SPIE Vol.87948743-1。
(二)技术方案
(1)传感光纤的封装结构
工程领域的光纤传感的实质在于实现力学-光学参量的转换，这常由光纤封装结构实现，构成传感光纤-封装集成件。上述力-光理论相综合，易知光纤变形监测的技术构架是：将光纤嵌入细长弹性梁的对称面，即成为光纤监测板(梁)，将其埋入观测对象内即可实现力-光的直接转换。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。
针对砼重力坝的应用条件，本专利提供光纤监测板型式如图1，其中1为传感光纤，2为传输光缆，3为光信号解调仪，4为封装板，5为封装板的嵌固端，6为微管。在封装板的两侧各设一条微管(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，两侧对应微管的路由釆用为U型。板材宜用ABS材料。板形梁高度大约为0.5～2m左右。
当监测板立置而其一端或两端为固端时，即成为窄断面的二维欧拉弹性梁，可同时观测两个变形分量：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则可观测板形梁沿线的变形三分量(在坝体-坝基中即其垂直位移、顺河向水平位移、横河向水平位移)，如图2，其中，7为廊道侧墙，8为廊道顶拱，9为竖直监测板，10为水平监测板，11为固定螺栓，12为平托钢板条，13为监测竖井，14为顺河向监测板，15为横河向监测板，16为安装操作空间。
(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：传感光纤1—传输光缆2—光信号解调仪3(UPS、主控计算机等等配件未示出)。
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0.35℃，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。
(3)光纤变形监测系统的布置
重力坝体变形观测首先是将监测板布置在不同高程的水平廊道中，以监测各个坝段在各高程的水平位移和垂直位移。具体部位为：(1)竖直监测平贴于廊道一侧边墙上(附图2(a))，将其顶部沿程分坝段固定(如用膨胀螺栓(或预埋件))，用以监测沿线各坝段的垂直位移和横河向水平位移，固定螺栓间距约0.5～2m；(2)水平监测板敷设于廊道圆弧形拱顶的底部，将其上游侧沿程分坝段固定，用以观测各该高程的坝体顺河-横河向水平位移。这两种监测板的端头用廊道深入坝头基岩一定深度处，并做成固端，作为变形观测基准点。
重力坝变形监测的另一种布置是，十字形监测板竖向布置在典型坝段的靠近上游坝靣的竖井中(如图2(b))。其底面用钻孔或开挖，深入基岩中，底部做成固端基准点。监测板在坝体中向上连续延伸直至坝顶。顺河向监测板沿程固定在竖井的上游侧，横河向监测板在靠近左岸的坝段中固定其左侧，在靠近右岸的坝段中则固定其右侧，意在形成欧拉弹性梁的顶部变形加载条件。在监测坝体水平位移和挠度的同时，还可观测到坝基沉降、沿程坝体上游面混凝土垂向应分布及其时空变化以及水平向裂缝并定位。
坝基和坝肩岩体的深部变形监测，首先是利用两岸灌浆廊道，监测板布 置方式类似坝体廊道，必要时可开挖水平岩洞，敷设十字形监测板。在监测岩体三向变形的同时，还可监测穿越的各构造靣、构造带的变形和错动。
(4)技术方案的有益效果
1)重力坝内部变形监测的常规设备的原理/性能各异的多种系统，能够化简为单一的光纤传感系统，仪器设备系统高度简化、极为精炼，消除了可动部件，显著提高系统的信噪比、切实保证观测数据的常年可靠稳定性，使之成为具有实用价值的先进适用的高科技手段。在光纤传感应用的初期，与常规监测手段相辅相成，相互印证，当能够显著提高大坝安全监控体系的有效性和科技水平。
2)消除了现场人工测点、手工操作，便于实现实时在线遥测。
3)高坝内部变形监测提升到网络化/一体化水平，利于实现全坝变形观测的时空全覆盖(常规设备中的垂线法只能布置在典型坝段，难以兼顾全面)。在监测时间全过程上，光纤传感系统即埋即测(特别是廊道-岩洞中的监测板)，施工期数据不致丢失，建立符合实际的位移初始场；施工期监测系统可快捷接入运行期监测自动化系统，不致数据中断。
4)光纤传感系统耐腐蚀、防雷击、无电磁干扰、无磨损，几乎无零飘，稳定工作数十年，维修工作量极小。光纤传感系统相关材料设备降价快、性能提高快，发展潜力大。
5)光信号解调仪具有分布式温度传感功能，可实现与砼温度-库水温度及坝(厂)前淤沙位、水库淤积等其他光纤监测项目的一机多用，促进安全监测系统的换代升级，有效改善光纤监测系统的费效比。
附图说明
图1为变形监测光纤封装板(监测板)示意简图
图2为重力坝廊道光纤变形监测板和竖井光纤变形监测板的布置方式示意图(图2(a)为廊道的变形监测板布置、图2(b)为竖井的变形监测板布置)
图3为光纤变形传感监测系统组成示意图
具体实施方式
(一)光纤监测板在廊道中的敷设安装：如图2(a)，竖向监测板(用以观测垂向位移和横河向水平位移及接缝)紧贴廊道上游(或下游)边墙安装，顶部用膨胀螺栓(或预埋件)固定。水平监测板(观测沿程各坝段的纵向和横向水平位移及接缝)安装在廊道顶拱的底部，其上游侧用膨胀螺栓固定，下游侧用钢板条平托，形成简支座。安装作业用全站仪进行控制测量，保障准确定位调平，保证立置板顶部和平置板的水平度；板段间的接头的安装需宻实牢固，微管对准，並用光纤气吹作业检验监测板微管的通畅气密性。
(二)光纤监测板在竖井中的敷设安装：如附图2(b)，在布设光纤监测的典型坝段的圆形竖井中，顺河向监测板的上游侧用膨胀螺栓固定，橫河向监测板在靠左岸的坝段中固定其左侧，靠右岸坝段中则固定其右侧。其底部在基岩竖井中用砼嵌固，形成固端。同前，安装作业中要保证定位准确、固定罕靠，各板段之间接头及微管要对准。
(三)坝肩岩体、高边坡、滑坡体等位移的监测，可参考上述在廊道、竖井中的实施方式，在灌浆廊道、竖(斜)井或钻孔中，敷设双向或单监测板，以观测水平位移、垂直位移以及地质软弱-构造带的错动、挤压、开裂等变形。
(四)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等实践中得到验证)。一般区域的应变传感光纤应全程嵌固，而在光纤跨越重力坝坝段间接缝时，釆用定点嵌固，接缝两侧各畄大约长1～2m自由段，屏蔽应变传递。
*本项专利为四项国家自然科学基金项目成果
Claims (4)
1.一种重力坝及岩基内部变形的分布式光纤传感监测技术方案及系统，其特征是：在重力坝体-坝基中敷设板形封装结构，在其拉压侧封装单模传感光纤，构成为三维欧拉弹性梁体，通过光纤沿程应变-温度的连续观测，获得封装结构的挠度和纵向变形，以在线测定坝体-岩基水平位移-垂直位移的时空分布过程；光纤传感信号解调釆用高精度布里渊光时域分析系统或布里渊-瑞利合成系统。
2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：提出光纤的封装结构型式---矩形断面的板形梁（说明书附图1）,沿其两长边对称布设2条微管，作为传感光纤的敷设通道。封装板（梁）按一端或两端为固端，安装在坝中，按欧拉弹性梁算法，监测沿线变形两分量---封装件的中平面内的挠度及其纵向变形；釆用两封装件正交安装，则可监测沿线变形三分量。
3.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：重力坝工程中，在水平廊道内的一边侧墙和顶拱各布置竖直向和水平向监测板，以监测沿程各坝段的水平位移、垂直位移以及接缝变形；在坝肩处采用水平岩洞深入基岩，做成固端，作为变形监测的基准点。在典型坝段竖井及其下延的岩基竖井中，垂向敷设正交监测板，以底部为固端基准点，监测坝体-坝基的水平位移、垂直位移和裂缝变。坝肩基岩中，在灌浆廊道、竖（斜）井或钻孔中敷设单向或双向监测板，以观测水平位移、垂直位移以及地质软弱-构造带的错动、挤压、开裂等变形。
4.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：坝中光纤监测板每一线路敷设贯通就位后，各微管的传感光纤组用气吹法敷设，用真空高压法灌注攺性水泥沙浆进行固结定位。
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Application publication date: 20161109 |