CN209910604U - 基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置 - Google Patents
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Abstract
基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，包括应变传感光纤及光纤依附结构，其特征在于：所述应变传感光纤为柔性护套光纤；所述光纤依附结构为双C型钢拼接结构；所述光纤依附结构固定安装在测量断面的混凝土面板表面；所述应变传感光纤平行胶结在依附结构的上下内翼缘形成回路；所述应变传感光纤通过连接光缆接入光纤解调仪。本实用新型采用分布式光纤测量面板堆石坝面板挠度的方法具有测量精度高，变形协调能力强，温度自补偿，安装操作方便，可循环利用等特点，可实现长距离、实时、连续分布式的面板挠度测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及混凝土面板堆石坝监测技术领域；具体涉及一种基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置。
本实用新型得到国家重点研究计划课题“堰塞坝开发利用理论与安全评价体系（2018YFC1508505）”、国家自然科学基金面上项目“路堤下刚性桩复合地基沉降变形控制理论（51579152）”的资助。
背景技术
目前国内外混凝土面板堆石坝面板的挠曲变形监测通常是采用布置测斜管并用活动测斜仪测量的方法。这种方法是在面板表面安装测斜管，通过测量测斜管的挠度得到面板的挠度，但是该方法只能在每隔测斜仪长度进行一次测量，无法达到分布式的测量。同时，随着坝高的增大，采用测斜仪需要的测量长度会增大，测量所消耗的人力物力较大。并且测斜仪的测量误差随着测量长度不断累加，导致这种传统方法测量高面板堆石坝面板的挠曲变形出现技术困难。
分布式光纤传感技术具有分布式、适应性强、耐久性长和测量快捷等特点，其测量范围广，且便于铺设安装，将其植入监测对象中具有很好的适应性；传感光纤本身既是传感元件又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测。将分布式传感光纤直接粘贴在依附结构的上下翼缘，当混凝土面板堆石坝面板发生挠曲变形发生时，安装在混凝土面板表面的光纤依附结构随面板同步发生挠曲变形，沿光纤依附结构长度方向的挠曲变形将导致依附结构上下翼缘分别被拉伸和压缩，从而带动粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩。目前最先进的分布式光纤测量技术的应变测量准确度可达±1µε（微应变），且空间分辨率可达到1cm，其高精度应变测量和高空间分辨率可以准确测量出粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩形成的应变特征。根据测得粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤的应变差值，然后再结合数学和力学理论即可计算得到整个面板长度方向上的挠度分布曲线。采用上下翼缘的传感光纤的差值计算方法可以直接消除温度变化对传感光纤的测值影响，从而实现了温度自补偿。以应变测量准确度为±20 µε的光纤解调仪为例，采用该技术对长度为18m和192m的光纤依附结构进行挠度测量测得两种不同长度结构挠曲变形测量误差分别为：<±0.6mm/18m和<±5mm/192m。采用该方法并结合目前先进的光纤解调仪测量混凝面板堆石坝面板挠度的理论综合误差应在mm级。因此采用分布式光纤测量混凝土面板堆石坝面板挠度的测量方法具有很高测量精度，是混凝土面板堆石坝面板挠曲变形监测技术的有益补充，且可解决混凝土面板堆石坝面板挠曲变形分布式、高精度测量难题。如果需要对多个断面进行监测可采用串联的方式同时测量，体现了分布式光纤长距离测量的优点。
发明内容
本实用新型所需要解决的技术问题在于，解决混凝土面板堆石坝面板挠曲变形分布式、高精度测量难题，提供一种基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置。该装置简单易行，成本低，适应于任何混凝土面板堆石坝面板挠度测量，特别是高长面板堆石坝，且可以实现自动化测量。
为实现上述目的，本实用新型提出了一种基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，包括应变传感光纤及光纤依附结构，其特征在于：所述应变传感光纤采用柔性护套光纤；所述光纤依附结构采用双C型钢拼接结构；所述光纤依附结构固定安装在待测量断面的混凝土面板表面；所述应变传感光纤平行胶结在该依附结构的上下内翼缘，形成回路；所述应变传感光纤通过连接光缆接入光纤解调仪。
所述应变传感光纤为柔性护套光纤；所述应变传感光纤直径范围为0.9-6mm。所述应变传感光纤应能适应依附结构的变形协调，且能够满足现场耐久性。
所述光纤依附结构为双C型钢拼接结构，将双C型钢背靠背采用错位搭接方式拼接，使其长度到达混凝土面板顶部。将所述光纤依附结构固定安装在测量断面的混凝土面板表面，其下部端点固定于座落在新鲜岩体的趾板上。
所述应变传感光纤平行胶结在依附结构的上下内翼缘形成回路，用粘合剂将应变传感光纤胶结于依附结构的上下内翼缘上，使之成为一整体并形成回路，保证传感光纤与依附结构上下内翼缘的变形协调一致。
所述应变传感光纤通过连接光缆接入光纤解调仪，通过光纤长度区分出能够反映面板变形的测量区段，并得到光纤依附结构上下内翼缘的光纤数据。
本实用新型所述的测量方法是在光纤依附结构的上下翼缘布设两条平行的应变传感光纤来测量混凝土面板堆石坝面板的挠度。将分布式传感光纤直接粘贴在依附结构的上下翼缘，当混凝土面板堆石坝面板发生挠曲变形发生时，安装在混凝土面板表面的光纤依附结构随面板同步发生挠曲变形，沿光纤依附结构长度方向的挠曲变形将导致依附结构上下翼缘分别被拉伸和压缩，从而带动粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩。通过高精度分布式光纤测量技术准确测量出粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤被拉伸和压缩形成的应变特征。根据测得粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤的应变差值，然后再结合数学和力学理论即可计算得到整个面板长度方向上的挠度分布曲线。采用上下翼缘的传感光纤的差值计算方法可以直接消除温度变化对传感光纤的测值影响，同时如需测量多个断面可采用串联的方式进行测量。
本实用新型具有以下效果：
1. 基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置和实施方法，该方法结构加工简单，安装简易方便，安装测量成本低，其测量精度满足工程实际测量需要；
2. 基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置和实施方法，该方法采用光纤依附结构上下翼缘内表面胶结传感光纤来测量光纤依附结构的上下翼缘应变，根据测得粘贴于依附结构上下翼缘的传感光纤的应变差值，然后结合数学和力学理论计算得到整个面板长度方向上的挠度分布曲线，可以实现实时、分布式面板挠度测量。
3. 基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置和实施方法，该方法中传感光纤本身既是传感元件又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测。
4. 扩展了分布式光纤光栅传感技术测量的应用领域。
本实用新型提出的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置具有以下技术优势和特点：通过光纤传感技术测量混凝土面板堆石坝面板挠度，传感光纤作为传感元件又是信号传输介质具有分布式、适应性强、耐久性长和测量快捷等优势，该测量装置和实施方法具有测量精度高，变形协调能力强，温度自补偿，安装操作方便，可循环利用等特点，可实现长距离、实时、连续分布式的面板挠度测量。
附图说明
图1是本实用新型采用分布式光纤测量混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置的结构示意图；
图2是本实用新型的光纤依附结构(双C型钢拼接结构)拼接方式示意图；
图3本实用新型的光纤依附结构光纤布设方式横截面示意图。
具体实施方式
本实用新型是用于监测混凝土面板堆石坝面板挠曲变形情况。为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施案例，对本实用新型方法作进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1：基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置和实施方法，如图1所示，本实用新型的面板挠度测量装置主要包括应变传感光纤、光纤依附结构及测量设备，应变传感光纤2为柔性护套光纤，光纤依附结构为由双C型钢1采用背靠背错位搭接形成的拼接结构.测量设备为光纤解调仪5。具体实施方式如下：
混凝土面板堆石坝趾板4开始施工时，预先将光纤依附结构下部端点固定于座落在新鲜岩体的趾板上，并随着坝体的填筑将双C型钢1背靠背采用错位搭接方式拼接延长其长度，同时采用光纤依附结构与面板连接装置7将光纤依附结构固定于面板3，使其与混凝土面板变形协调一致，直到面板顶部。然后将应变传感光纤2通过粘合剂平行胶结于依附结构的上下内翼缘上，使之成为一整体并形成回路，保证应变传感光纤与依附结构上下内翼缘的变形协调一致。最后将应变传感光纤通过连接光缆接入观测房6的光纤解调仪5，采用现有先进的分布式光纤传感技术测量与面板堆石坝同步变形的依附结构上下内翼缘的应变数据。结合数学和力学方法通过光纤依附结构与面板连接装置7上下内翼缘的应变数据得到被测混凝土面板的挠曲变形特征。如果需要对多个断面进行监测可采用串联的方式进行测量，体现了分布式光纤长距离测量的优点。
算法：
由上下内翼缘的应变差值分布函数，令其为
，即
。而由于受到测量仪器的测量空间分辨率、算法的影响，所测分布式应变数据为一些散点，连接起来通常表现为连续的不平滑曲线。为了消除这种分散性和不平滑性，可以采用曲线拟合的方法对分布式应变曲线进行数据拟合，例如采用的是多项式拟合方法，阶数取20阶。应变测量值的差值拟合后表达为：
式中，
为经过拟合后的应变测量差值的分布曲线，
（i=1-21）为拟合后多项式函数的系数。
结合材料力学弯曲挠度分布曲线表达式为：
该算例中计算方法从理论上即可由应变值算出光纤依附结构挠曲变形的分布函数，从而得到混凝土面板沿着测量方向各个位置的挠曲变形量。
以上算例中计算方法仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，且本实用新型并不局限于该计算方法。
Claims (5)
1.一种基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，包括应变传感光纤及光纤依附结构，其特征在于：所述应变传感光纤采用柔性护套光纤；所述光纤依附结构采用双C型钢拼接结构；所述光纤依附结构固定安装在待测量断面的混凝土面板表面；所述应变传感光纤平行胶结在该依附结构的上下内翼缘，形成回路；所述应变传感光纤通过连接光缆接入光纤解调仪。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，其特征在于：所述应变传感光纤直径范围为0.9-6mm。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，其特征在于：所述光纤依附结构是，将双C型钢背靠背采用错位搭接方式拼接，使其长度到达混凝土面板顶部；将所述光纤依附结构固定安装在测量断面的混凝土面板表面，其下部端点固定于座落在新鲜岩体的趾板上。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，其特征在于：所述应变传感光纤平行胶结在依附结构的上下内翼缘的固定方式是：用粘合剂将应变传感光纤胶结于依附结构的上下内翼缘上，使之成为一整体并形成回路，保证传感光纤与依附结构上下内翼缘的变形协调一致。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于分布式光纤的混凝土面板堆石坝面板挠度测量装置，其特征在于：所述应变传感光纤通过连接光缆接入光纤解调仪，通过光纤长度区分出能够反映面板变形的测量区段，并得到光纤依附结构上下内翼缘的光纤数据。
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|---|---|---|---|---|
| CN114608772A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-06-10 | 中国水利水电第七工程局有限公司 | 基于智能应变纤维的混凝土构件挠度实时监测系统及方法 |
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| CN114608772B (zh) * | 2022-04-15 | 2023-12-05 | 中国水利水电第七工程局有限公司 | 基于智能应变纤维的混凝土构件挠度实时监测系统及方法 |
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