高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感的技術(shù)方案及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開一種高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感技術(shù)方案和系統(tǒng)，涉及大壩安全監(jiān)測技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的交叉領(lǐng)域，用以克服高拱壩變形監(jiān)測的常規(guī)手段的缺陷以及分布式光纖傳感用于雙曲拱壩變形監(jiān)測的空白。針對雙曲拱壩的特點(diǎn)和難點(diǎn)，提供兩種獨(dú)特的曲線形的光纖封裝結(jié)構(gòu)：弱曲梁和微彎梁型的光纖監(jiān)測板?；谡`差分析和曲梁控高?彎梁分段的構(gòu)型，確保光纖變形監(jiān)測的優(yōu)異性能、高可靠?長壽命、方便實(shí)用。提供在拱壩及壩基的廊道、豎井及平硐內(nèi)便捷實(shí)用的布設(shè)安裝方式，用以實(shí)現(xiàn)拱壩?壩基壩肩的內(nèi)部變形3分量（徑向?切向水平位移、垂直位移）的多維度?大范圍的時空廣覆蓋的在線遙測。光學(xué)解調(diào)儀可一機(jī)多用，可兼測砼溫度?庫水溫?壩前淤沙位?水庫淤積等。
【專利說明】
高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感的技術(shù)方案及系統(tǒng)
[0001] Distributed Fiber Optic Sensing Technology and System for Monitoring of Deformation of High Arch Dam
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于大壩安全監(jiān)測技術(shù)與光纖傳感技術(shù)的交叉領(lǐng)域，特別涉及一種高拱壩 變形的分布式光纖傳感監(jiān)測的技術(shù)方案及系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)雙曲拱壩的壩體和壩肩壩基內(nèi)部變 形的分布式光纖傳感的多維度-時空廣覆蓋的在線監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0003] 拱壩水平位移監(jiān)測的常規(guī)方法以垂線法為主，在壩體中設(shè)在典型壩段中，單段線 長約50m;垂直位移監(jiān)測多用靜力水準(zhǔn)。壩基壩肩變形監(jiān)測多用倒垂線、引張線、測斜儀、多 點(diǎn)位移計、銦鋼絲位移計等。其中，應(yīng)用最廣的正垂線，只能測水平位移、功能單一，施工期 難以形成觀測系統(tǒng)；多數(shù)設(shè)備需釆用坐標(biāo)儀等電測設(shè)備進(jìn)行觀測，其耐久性、長期穩(wěn)定性和 無故障工作時間都差強(qiáng)人意，校正、更換、維修工作量大;通常布置在典型壩段，無法兼顧全 壩，信息量少，存在局部性和局限性;部分設(shè)備需要人工現(xiàn)場操作，如活動測斜儀等，難以實(shí) 現(xiàn)在線遙測。這些難題隨著壩高的增加，其挑戰(zhàn)性愈加突出。
[0004] 高拱壩常用雙曲壩型，如二灘、小灣、錦屏、溪洛渡壩等。對于拱壩內(nèi)部變形監(jiān)測而 言，雙曲壩型既是特點(diǎn)，更是難點(diǎn)。"雙曲"限制了引張線、激光準(zhǔn)直等手段的應(yīng)用。對此，業(yè) 界近期的創(chuàng)新努力，是白山、小灣等壩使用折線形真空激光三維變形監(jiān)測的案例，一據(jù)文獻(xiàn) [1 ]- "但其測量精度還不理想，不能很好的解決通用性監(jiān)測問題"[1]。
[0005] 迄今，分布式光纖傳感技術(shù)和系統(tǒng)尚無用于拱壩變形監(jiān)測的實(shí)例和技術(shù)方案，惟 有將分布式光纖傳感/準(zhǔn)分布式光纖傳感FBG (光纖布拉格光柵）用于地下工程、粧工、地基 工程、管道、砼壩模型實(shí)驗等等變形檢測的實(shí)例。
[0006] 埃及開羅地鐵3#線穿越軟土地層，開挖時采用了 BOTDA(布里淵光時域分析）型光 纖變形監(jiān)測管，進(jìn)行土層沉陷觀測。觀測管釆用光面圓塑料管Φ15~400mm、長12~20m，管 外表面敷設(shè)3條傳感光纖，按歐拉-伯努利彈性梁理論，得出土層沿測管縱向的沉降分布，效 果良好[2]。
[0007] 上海地鐵線路中，光纖的封裝結(jié)構(gòu)采用通常的測斜管，長84m。管頂管底各 開一凹槽，粘入FBG。沉降的光纖測值與對比測值基本相符[3]。
[0008] 香港新界滑坡中，在長15m的φ 75mm測斜管4條對稱凹槽中，各安裝10只FBG，用 φ 120mm鉆孔埋入地層、水泥沙漿嵌固。其水平變形的480天觀測數(shù)據(jù)，與常規(guī)測斜管結(jié)果 基本相符[4]。
[0009] 南京一深基坑，將傳感光纖粘貼在PVC管的對稱兩側(cè)的凹槽內(nèi)，其一側(cè)朝向基坑 壁，用鉆孔豎直埋入坑旁土層，深32m。開挖中釆用BOTDR(布里淵光時域反射)測得該管撓度 變形，即土體水平位移，與全站儀測值符合良好 [5]。
[0010] 山西某矸石發(fā)電廠對直徑800mm、長31m、35m灌注粧，釆用布里淵型傳感光纖，在靜 載試驗中檢測粧身撓度、應(yīng)變。傳感光纖2路沿粧身兩側(cè)對稱布置，獲翔實(shí)成果。
[0011] 意大利Rimini附近輸氣管道長約500m，釆用BOTDA布里淵分布式光纖傳感監(jiān)測鋼 管沿程的應(yīng)變和變形，應(yīng)用表明了該技術(shù)的量測穩(wěn)定性、長期可靠性和分布式遠(yuǎn)程檢測能 力[6]。
[0012] 四川武都砼重力壩模型試驗中，將FBG應(yīng)變計，粘結(jié)在塑料圓桿表面的X-Y向?qū)ΨQ 線上，構(gòu)成FBG傳感桿，φ IOOmm,桿長50cm。在壩體-壩基中各埋一桿，按歐拉彈性梁理論， 由圓桿彎曲撓度檢測模型的縱橫向水平位移，與位移計相校驗，測值符合良好 [7]。
[0013] 可見，分布式光纖傳感監(jiān)測變形，已經(jīng)在國內(nèi)外一些相近工程領(lǐng)域里，得到初步應(yīng) 用，顯示了有效實(shí)用性。該領(lǐng)域的業(yè)界共識是:分布式光纖變形傳感的核心和難點(diǎn)，在于光 纖與被測結(jié)構(gòu)之間的界面（Interface)?。如上所述通常采用細(xì)長梁型的封裝結(jié)構(gòu)作為界 面。封裝件在其把光纖封裝保護(hù)起來、免除損壞的同時，尤其起著敏感元件(預(yù)變換器)的作 用，把被測工程的變形，轉(zhuǎn)化為封裝梁體的應(yīng)變，以便光纖感知。即光纖用細(xì)長直桿/直管封 裝，測得拉壓側(cè)應(yīng)變分布，按歐拉梁理論確定其撓度變形和縱向變形。
[0014] 當(dāng)把現(xiàn)有的工程應(yīng)用的光纖變形監(jiān)測技術(shù)，移植到拱壩工程時，關(guān)鍵問題是:直線 形的光纖封裝結(jié)構(gòu)(直梁），難以適應(yīng)雙曲壩形;必需提出適于雙曲拱壩的實(shí)用的曲線形封 裝結(jié)構(gòu)的形狀、構(gòu)造以及精度分析的新的技術(shù)方案;還要相應(yīng)的鮮決光纖傳感系統(tǒng)在高拱 壩中的布置問題;並優(yōu)化光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的解調(diào)儀選型。
[0015] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服高拱壩變形監(jiān)測的常規(guī)設(shè)備的缺陷和分布式 光纖傳感用于雙曲拱壩變形監(jiān)測的空白，提供一種能適應(yīng)雙曲拱壩特定需求的、具有工程 實(shí)用性的高拱壩變形在線遙測的技術(shù)方案和系統(tǒng)。
[0016] 主要文獻(xiàn)：[1]黃會寶，江華貴，張澤彬，文豪.真空激光淮直在瀑布溝水電站大位 移量監(jiān)測中的應(yīng)用.第三屆堆石壩國際研討會論文集，2013年10月25日，中國昆明，pp:891-895.[2]V.Dewynter et al.Brillouin optical fiber distributed sensor for settlement monitoring while tunneling the metro line 3 in Cairo,Egypt,Proc.of SPIE[J]?Vol.7503,75035M.[3]F.Wang et al.Monitoring shield tunnel settlement using FBG-PVC sensor method[C],Proc. of 3rd Int.Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoringin Geo-engineering，Sept·29-30，2010，Suzhou China.[4] H.H.Zhu et al. An optical fibre monitoring system for evaluating the performance of a soil nailed slope,Proc.of 4th Int.Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoringin Geo-engineering，0ct· 11_13,2012. [5]劉杰，施斌等·基于 BOTDR的基坑變形分布式監(jiān)測實(shí)驗研究[J].巖土力學(xué)，2006,27(7). [6]D.Inaudi. Field application of strain and temperature fiber optic sensors[C]?Proc. of 2nd Int.Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoring in Ge〇-engineering， Oct.18-19,2007, Nanjing , China .[7]H.H.Zhu et al. Fiber optic displacement monitoring in laboratory physical model testing.Proc.3th Int.Forum on Optoelectronic Sensor-based Monitoring in Geo_engineering[C]，Sept·29-30，2010， Suzhou China.[8]X.Bao et al.Distributed Fiber-optic Sensors Based on Light Scattering in Optical Fibers[M].Handbook of Optical Sensors(Ed.Jose Luis Santos),CRC Press?London New York,2015.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] (一)技術(shù)方案所依據(jù)的科學(xué)原理
[0018] 本專利屬于水利工程和作為高科技的光纖傳感兩個技術(shù)領(lǐng)域的大跨度交叉融合， 其科學(xué)原理包括兩個學(xué)術(shù)領(lǐng)域:光纖光學(xué)和彈性力學(xué)。
[0019] (1)光纖光學(xué)理論
[0020] 據(jù)光纖光學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，光纖光波導(dǎo)的兩種本征散射一布里淵散射、瑞利散 射，都對應(yīng)變和溫度兩種力學(xué)量敏感[9^ 11]。兩本征散射各自特有的光學(xué)參量成為應(yīng)變與溫 度的信息載體如下：
[0021] 1)布里淵(Brillouin)散射光--布里淵增益譜峰值的頻移與溫度及應(yīng)變增量線 性相關(guān)，基本關(guān)系式為：
[0022] Δ Vb = CnA e+Ci2 AT (1)
[0023] 式中，Δ Vb為布里淵增益譜頻移，Δ ε為應(yīng)變增量，Δ T為溫度增量，Cn為布里淵應(yīng) 變-頻率系數(shù)，C12為布里淵溫度-頻率系數(shù)。通過測量布里淵頻移就可測定光纖應(yīng)變和溫度， 經(jīng)解耦可得光纖沿程的溫度分布。新型的預(yù)脈沖(Pulse-Pre-Pump)布里淵光時域分析儀 PPP-B0TDA，其脈沖最小寬度達(dá)0.2ns，空間分變率達(dá)2~10cm、測量精度7.5με/〇. 35°C。
[0024] 2)瑞利(Rayleigh)散射光一一光纖纖芯在拉制過程中生成的殘留應(yīng)變所產(chǎn)生的 瑞利后向散射光，其頻移與溫度和應(yīng)變增量線性相關(guān)，基本關(guān)系式為
[0025] Avr = C2I A e+C22 AT (2)
[0026] 式中，△ VR為瑞利散射光頻移，C21為瑞利應(yīng)變-頻率系數(shù)，C22為瑞利溫度-頻率系 數(shù)。布里淵-瑞利合成系統(tǒng)（Hybrid Brillioun-Rayleigh system)近期業(yè)已產(chǎn)品化-TW-COTDR(諧調(diào)波長相干光時域反射儀），工作性能與上述PPP-B0TDA相當(dāng)，且可實(shí)現(xiàn)溫度-應(yīng)變 的自動解耦。這些為提高系統(tǒng)的信噪比、增強(qiáng)觀測數(shù)據(jù)的可靠性提供了亟有利條件。
[0027] (2)力學(xué)理論
[0028] 1)直梁一一彈性理論中，針對等截面直梁的歐拉-伯努利三維彈性梁理論模型的 基本假定為：梁體為均質(zhì)線彈性材料;撓度相對于跨度屬小變形;截面在變形后保持為平 面;剪切變形忽略不計;軸向力的附加彎矩忽略不計;梁體不受扭矩。梁的拉壓側(cè)應(yīng)變分布 與其撓度變形一一對應(yīng)，經(jīng)應(yīng)變的重積分，可求得撓度;對應(yīng)變平均值的重積分，得到梁的 縱向變形。
[0029] 2)平面曲梁--平面弧形曲梁的純彎曲的環(huán)向應(yīng)力σθ表達(dá)式為[12]
[0030]
(3)
[0031] 式中，a為曲梁內(nèi)半徑，b為曲梁外半徑，r為極坐標(biāo)矢徑，Θ為輻角，M為力矩，
[0032]顯然，切向應(yīng)力沿截面高度呈現(xiàn)對數(shù)分布，明顯偏離直梁情況下的截面應(yīng)力的線 性分布，出現(xiàn)非線性影響和誤差。
[0033] 3)平面彎梁一一平面彎梁的常見實(shí)例，如公路彎橋中用到的彎梁;在拱壩監(jiān)測中， 壩內(nèi)廊道中的豎立的監(jiān)測板(附圖2之（13))就屬于該種結(jié)構(gòu)型式。其力學(xué)特點(diǎn)是:梁體承受 的豎向荷載在產(chǎn)生縱向彎矩的同時，還伴生有橫向的扭矩。這種彎曲-扭轉(zhuǎn)耦合，導(dǎo)致梁體 應(yīng)力-變形的畸變，導(dǎo)致非線性，扭矩會產(chǎn)生附加的撓度[13 ]。
[0034]主要文獻(xiàn)：[9]方祖捷等.光纖傳感器基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2012 ;[ 10] K.Kishida et al.Study of optical fiber strain-temperature sensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system,Photonic Sensors,DOI:10.1007/s 13320-013-0136-1；[ll]Sylvie Delepine-Lesille et al.Validation of Cff-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing，Proc.of SPIE Vol .8794 8743-1; [12]程昌 鈞，王潁堅等.彈性力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999; [13]賀栓海，橋梁結(jié)構(gòu)理論與計 算方法[M].北京:人民交通出版社，2003.
[0035](二)技術(shù)方案
[0036] (1)變形傳感光纖封裝結(jié)構(gòu)的基本形式
[0037]封裝結(jié)構(gòu)的形狀與構(gòu)造的精巧實(shí)用，對于光纖變形監(jiān)測的工程應(yīng)用的成敗，具有 決定性作用。前述現(xiàn)有的變形監(jiān)測的光纖封裝結(jié)構(gòu)，計有圓管、圓桿兩種形式，均為圓形截 面。高拱壩工程規(guī)模大、剛度大。如果光纖的封裝釆用這種圓形截面梁，為提供必要的傳感 靈敏度，其直徑約1~2m(受彎梁體的主邊界應(yīng)變值與梁高成正比），占用空間大，難以利用 常規(guī)的壩內(nèi)廊道，進(jìn)行布置安裝。
[0038] 為此，針對雙曲拱壩的應(yīng)用場合，本專利遵循降維（Dimension reduction)的構(gòu) 思，提供一種傳感光纖的簿板型封裝結(jié)構(gòu)一狹矩形截面梁，即光纖監(jiān)測板形梁，如圖1，其中 1為傳感光纖，2為傳輸光纜，3為光信號解調(diào)儀，4為封裝板，5為封裝板的固端，6為微管。在 封裝板長邊兩側(cè)各設(shè)1條微管(直徑約15_)，以敷設(shè)傳感光纖組(兩側(cè)微管內(nèi)光纖的路由為 U型(U型細(xì)部在圖中未示出）），作為板形歐拉梁體在彎曲時的拉壓側(cè)，即可形成光纖變形監(jiān) 測板形梁，簡稱為光纖監(jiān)測板或監(jiān)測板。光纖監(jiān)測板形梁的高度約為0.5~2m。每條微管內(nèi) 的傳感光纖組的構(gòu)成是，當(dāng)光信號解調(diào)儀選用BOTDA型時，釆用3~4條緊套SM光纖加上2條 松套光纖(用于溫度補(bǔ)償）；當(dāng)光信號解調(diào)儀選用布里淵-瑞利合成系統(tǒng)時，則采用3~5條緊 套SM光纖。
[0039 ]各微管中的傳感光纖，可測得沿程的一維空間的應(yīng)變(及溫度)連續(xù)函數(shù)。當(dāng)監(jiān)測 板豎直布置而其端部固定時，即成為狹長矩形斷面的二維懸臂彈性梁，可同時觀測2個變形 分量:板形梁的撓度及其縱向變形。當(dāng)監(jiān)測板水平布置-端部固定時，其撓度出現(xiàn)在水平面 內(nèi)。易見，沿一條測線將兩監(jiān)測板正交敷設(shè)，則可觀測板形梁沿線的變形3分量（即垂直位 移、徑向水平位移、切向水平位移）。
[0040] (2)彎曲封裝板形梁的線性化構(gòu)型及其分析的技術(shù)方案
[0041] 彎曲形封裝板形梁方案的可行性-實(shí)用性的關(guān)鍵，在于其線性度。線性傳感器是理 想的傳感器，而平面曲梁和彎梁都存在力學(xué)上的非線性。非線性不僅增大傳感器的誤差，而 且使觀測數(shù)據(jù)分析復(fù)雜化、費(fèi)時費(fèi)事。為解決這一核心問題，現(xiàn)提供相應(yīng)的量化分析和誤差 估計，進(jìn)而提出其線性化(1^11631^231：；[011)構(gòu)型的技術(shù)方案。所謂線性化構(gòu)型，就是構(gòu)建精 巧的微彎曲封裝件，既適應(yīng)雙曲壩型的安裝場合、又能消除非線性誤差的影響，使之轉(zhuǎn)化成 為線性傳感器，而又能保持足夠的精確度。
[0042] 1)直梁:直梁的非線性因素通常主要是橫力彎曲中的剪力，誘使梁截面翹曲。以均 布荷載矩形截面簡支梁作為典型例，直梁正應(yīng)力σ分布的解析解表達(dá)式為[12]
[0043]
C4)
[0044]式中，b為梁寬，h為梁高，L為跨度，y為應(yīng)力點(diǎn)至中和軸距離(x-y坐標(biāo)原點(diǎn)在梁軸 線的跨中點(diǎn)），q為均布荷載強(qiáng)度;Om為彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力，即式(4)中的前一項，％為剪力產(chǎn) 生的正應(yīng)力，即式⑷中的后一項。根據(jù)式⑷，不難導(dǎo)出跨中截面的％與咖之比ζ為
[0045]
(5)
[0046] 不同跨高比的簡支彈性梁的剪力因素產(chǎn)生的非線性誤差，如表1。
[0047] 弄 1
[0049] 結(jié)果表明：只要封裝件足夠細(xì)長、跨高比多5~10,剪力產(chǎn)生的非線性誤差很小，梁 截面應(yīng)力保持線性分布，即細(xì)長直梁作為敏感彈性元件，其線性極佳。
[0050] 2)平面曲梁：曲梁有別于直梁的力學(xué)特征是，歐拉-伯努利截平面假定一般不成 立[12]，即在直梁的應(yīng)力線性分布，在曲梁則改變?yōu)榉蔷€性(對數(shù))分布，如式(3)，凹邊緣應(yīng) 力畸形強(qiáng)化，絕對值超過凸邊緣應(yīng)力值。鑒于此，為量化分析計，以凹凸邊緣應(yīng)力之比，表征 曲梁應(yīng)力分布的非線性化程度。
[0051] 設(shè)凹邊緣應(yīng)力為，凸邊緣應(yīng)力為，二者絕對值的比值 在直 梁的線性分布情況，顯然有:a = b，且ξ = 1。截面應(yīng)力的對數(shù)分布狀態(tài)引起的非線性誤差δ可 表示為
[0052]
(6)
[0053] 在曲梁，設(shè)b = Aa，易知λ= Ι+h/a，即λ蘊(yùn)含著梁高h(yuǎn)比之于內(nèi)半徑a的相對梁高。
[0054] 依據(jù)式(3)，經(jīng)推導(dǎo)得出
[0055]
(T)
[0056] 平面曲梁的不同相對梁高的非線性誤差分析結(jié)果，如表2。
[0057] 表 2
[0059]結(jié)果表明：只要把曲線監(jiān)測板形梁的梁高，控制在內(nèi)半徑值的2~3%以內(nèi)，則其曲 梁形狀引起的非線性誤差小于1%~3%，滿足工程精度要求，亦即非線性誤差可忽略不計， 而直接采用歐拉直梁力學(xué)模型和撓度變形算法。
[0060] 3)平面彎梁:研究成果表明，當(dāng)平面彎梁的中心角<30~50°時，可略去扭轉(zhuǎn)附加 撓度、簡化為直梁縱向彎曲問題而足夠準(zhǔn)確 [13]，大量的公路彎橋的工程實(shí)踐也證實(shí)了此 點(diǎn)。
[0061] 綜合以上誤差分析結(jié)果和有關(guān)成果，提供了曲梁控高-彎梁分段的構(gòu)造方式，如圖 2所示，圖中7為拱圈，8為廊道，9為壩肩平硐，10為廊道上游壁，11為廊道頂拱，12為水平監(jiān) 測板，13為豎直監(jiān)測板，14為監(jiān)測板固端。圖2a為廊道橫截面，圖2b為圖2a的A-A剖面，顯示 在廊道頂拱處敷設(shè)的曲梁型監(jiān)測板12的上視平面圖；圖2c為圖2a的B-B剖面，顯示緊貼廊道 上游壁敷設(shè)的彎梁型監(jiān)測板13的上視平面圖。從而，構(gòu)建成為以下兩種弱彎曲的線性化的 彈性梁敏感元件：
[0062] a)弱曲梁(Weakly curved beam) -高拱壩的曲率半徑常約100~500m，梁高選用 0.5~2.5m(這種梁高也便于在廊道、平硐、豎井中的布置安裝），就可以將梁高控制在曲梁 半徑的1~2 %以內(nèi)（λ< 1~2% )，非線性誤差僅約1 %，略而不計，從而在力學(xué)模式上成為歐 拉型直梁。
[0063] b)微彎梁一我國建成和設(shè)計的高拱壩的最大中心角大都未超過100°[9]。為此，對 于中心角大的拱圈的彎梁封裝件，釆用分段的構(gòu)型，將跨越全拱圈的彎梁，在拱中心線處斷 開，形成左右兩個單固端懸臂彎梁，其各自的中心角僅為拱圈半中心角，能夠滿足線性彎梁 的力學(xué)條件（中心角<30~50°)，可忽略扭矩的非線性影響 [13]，在力學(xué)模式上也成為歐拉 型直梁。
[0064]豎井中的監(jiān)測板形梁與此類同，也包含線性化的弱曲梁一順河向監(jiān)測板（圖4b中 之（18))和線性化的微彎梁一橫河向監(jiān)測板（圖4b中之（19))。拱壩的梁向中心角一般都較 小，豎井中的微彎梁容易滿足中心角<30~50°的條件。
[0065] (3)高拱壩光纖變形監(jiān)測的布置的技術(shù)方案
[0066] 1)廊道光纖監(jiān)測板的布置
[0067]高拱壩壩體中常設(shè)置有多層縱向曲線形廊道，優(yōu)選作為全壩光纖監(jiān)測板的首要布 置場合。將監(jiān)測板布置在不同高程的縱向廊道中，以監(jiān)測全拱壩在各相應(yīng)高程的水平位移 和垂直位移。具體部位為：（1)豎直監(jiān)測平貼于廊道上游壁（圖4(a)中之（10))，將其頂部沿 程固定在砼壁上（如用膨脹螺栓(或預(yù)埋件）），用以監(jiān)測沿線壩體的垂直位移和切向水平位 移；（2)水平監(jiān)測板敷設(shè)于廊道拱頂部，將其上游側(cè)沿程固定，用以觀測各該高程的壩體徑 向、橫向水平位移。這兩種監(jiān)測板的端部，通過適當(dāng)長度的平硐，深入壩肩基巖一定深度處， 并做成固端，作為監(jiān)測板的基準(zhǔn)點(diǎn)（圖2中之(14))。
[0068] 2)豎井光纖監(jiān)測板的布置
[0069]在典型壩段的靠近上游壩靣的豎井中，將雙向正交的監(jiān)測板豎向布置，如圖4(b)。 其底面用鉆孔或開挖，向下延伸、深入基巖適當(dāng)深度處，底部做成固端基準(zhǔn)點(diǎn)。與常規(guī)監(jiān)測 用的垂線的多次分段不同，在這里，豎井和監(jiān)測板都是沿著平滑曲線，從基巖深部基準(zhǔn)點(diǎn)， 向上連續(xù)延伸，直至壩頂。徑向監(jiān)測板沿程固定在豎井的上游側(cè)井壁上;切向監(jiān)測板在拱冠 以左的壩段中，將其左側(cè)固定在井壁上;在拱冠以右的壩段中，則將其右側(cè)固定在井壁上， 旨在形成歐拉彈性梁的頂靣加載條件。在監(jiān)測壩體水平位移、撓度和垂直位移的同時，還可 觀測到壩基沉降、沿程壩體上游面混凝土垂向應(yīng)分布及其時空變化。
[0070] 3)壩肩壩基巖體的內(nèi)部變形監(jiān)測
[0071] 首先是利用兩岸灌漿廊道，監(jiān)測板布置方式類似壩體廊道，必要時可開挖巖硐(或 鉆孔），敷設(shè)單向的或雙向正交的監(jiān)測板。在監(jiān)測巖體三向變形的同時，還可監(jiān)測穿越的各 構(gòu)造靣、構(gòu)造帶的變形和錯動。
[0072] 4)光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)組成的技術(shù)方案
[0073] 光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成，見附圖3,主要包括:傳感光纖1-傳輸光纜2-光信號解 調(diào)儀3 (主控計算機(jī)、UPS等等配件未示出）。
[0074]其中，光信號解調(diào)儀優(yōu)選新型的PPP_B0TDA(預(yù)脈沖布里淵光時域解調(diào)儀），其脈沖 最小寬度達(dá)〇 . 2ns，空間分變率達(dá)2~IOcm，應(yīng)變精度7.5με，應(yīng)變重復(fù)性5με，溫度精度達(dá) 〇. 35°C，測量時間5s，距離范圍50m~IOkm，適用SM光纖。布里淵-瑞利合成系統(tǒng)的解解儀TW-COTDR也達(dá)到類同的性能，且應(yīng)變-溫度兩參量可自行解耦。
[0075]為在工程現(xiàn)場條件下驗證PPP-B0TDA型光纖傳感系統(tǒng)的性能，2011年在西安釆用 PHC粧的現(xiàn)場靜載實(shí)驗和應(yīng)變實(shí)測，進(jìn)行了國內(nèi)首次技術(shù)驗證，采用知名的瑞士滑動測微計 進(jìn)行校核。PHC粧直徑500mm，粧長30m，在粧體內(nèi)埋入兩路應(yīng)變傳感光纖，並一起埋入滑動測 微計，試粧靜載693~1464kN。結(jié)果兩種手段的應(yīng)變測值基本相符[江宏.PPP-B0TDA分布式 光纖傳感技術(shù)及其在試粧中應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2011，32(10) :3190-3195]。
[0076] (4)技術(shù)方案的有益效果
[0077] 1)拱壩內(nèi)部變形監(jiān)測的常規(guī)設(shè)備的原理/性能各異的多種系統(tǒng)，得以簡化為單一 的光纖傳感系統(tǒng);監(jiān)測系統(tǒng)高度簡化、極為精煉，消除了可動部件，大幅度減省維修工作量， 顯著提高系統(tǒng)的信噪比、切實(shí)保證觀測數(shù)據(jù)的長期可靠穩(wěn)定性，使之成為具有實(shí)用價值的 先進(jìn)適用的高技術(shù)手段。在光纖傳感應(yīng)用的初期，與常規(guī)監(jiān)測手段相輔相成，相互印證，當(dāng) 能夠顯著提高大壩安全監(jiān)控體系的有效性和科技水平，可望成為高拱壩安全監(jiān)測領(lǐng)域的高 技術(shù)手段之一。
[0078] 2)消除了現(xiàn)場人工測點(diǎn)、手工操作，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線遙測。
[0079] 3)把高壩內(nèi)部變形監(jiān)測提升到網(wǎng)絡(luò)化/ 一體化水平，利于實(shí)現(xiàn)全壩變形觀測的時 空全覆蓋(常規(guī)設(shè)備中的垂線法只能布置在少數(shù)壩段，難以兼顧全面）。在監(jiān)測時間全過程 上，光纖傳感系統(tǒng)即埋即測(特別是廊道-巖洞中的監(jiān)測板），施工期數(shù)據(jù)不致缺失，建立符 合實(shí)際的位移初始場;施工期監(jiān)測系統(tǒng)可快捷接入后期自動化系統(tǒng)，不致數(shù)據(jù)中斷。
[0080] 4)光纖傳感系統(tǒng)耐腐蝕、防雷擊、無電磁干擾、無磨損，幾乎無零飄，穩(wěn)定工作數(shù)十 年，維修工作量極小;長壽命-高可靠。光纖傳感系統(tǒng)相關(guān)材料設(shè)備降價快、性能提高快，發(fā) 展?jié)摿Υ蟆?br>[0081] 5)光信號解調(diào)儀具有分布式溫度傳感功能，可實(shí)現(xiàn)與砼溫度-庫水溫度以及壩 (廠)前淤沙位、水庫淤積等其他光纖監(jiān)測項目的一機(jī)多用，促進(jìn)安全監(jiān)測系統(tǒng)的換代升級， 有效改善光纖監(jiān)測系統(tǒng)的費(fèi)效比。
【附圖說明】
[0082] 圖1為變形監(jiān)測光纖封裝板(監(jiān)測板)示意簡圖
[0083] 圖2為拱壩廊道的線性化弱曲梁型和微彎梁型光纖變形監(jiān)測板的構(gòu)造-形狀和布 置方式示意圖（圖2a為弱曲梁型監(jiān)測板、圖2b為微彎梁型監(jiān)測板）
[0084] 圖3為光纖變形傳感監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖
[0085] 圖4為拱壩廊道和豎井的光纖變形監(jiān)測板布置的技術(shù)方案示意簡圖（圖4a為廊道 的變形監(jiān)測板布置、圖4b為豎井的變形監(jiān)測板布置）
【具體實(shí)施方式】
[0086] ( - )光纖監(jiān)測板在廊道和豎井中的敷設(shè)安裝:雙曲拱壩中光纖監(jiān)測板在廊道和豎 井中安裝的技術(shù)方案如圖4,圖中15為固定螺栓，16為平托鋼板條，17為監(jiān)測豎井，18為徑向 監(jiān)測板，19為切向監(jiān)測板，20為安裝操作空間。在廊道中，如圖4(a)中之（13)，豎向監(jiān)測板 (用以觀測沿程拱壩垂向位移和切向水平位移)緊貼廊道上游壁布設(shè)安裝，頂部用膨脹螺栓 (或預(yù)埋件）固定，固定螺栓間距大約0.5~2m。水平監(jiān)測板（圖4a中之（12)、觀測沿程拱壩的 徑向和切向水平位移）安裝在廊道頂拱的底部，其上游側(cè)用膨脹螺栓（間距約0.5~2m)固 定，下游側(cè)用鋼板條平托，形成簡支座。安裝作業(yè)用全站儀進(jìn)行控制測量，保障準(zhǔn)確定位調(diào) 平，保證立置板頂部和平置板的水平度;板段之間的接頭的安裝需牢固審封，微管對準(zhǔn)，用 光纖氣吹作業(yè)，檢驗監(jiān)測板微管的通暢和氣密性。
[0087] 在豎井中，如附圖4(b)，在布設(shè)光纖監(jiān)測的典型壩段的圓形豎井中，徑向監(jiān)測板 (圖4b中之18)的上游側(cè)用膨脹螺栓（間距大約0.5~2m)固定，用以監(jiān)測壩體和壩基的垂直 位移和徑向水平位移。切向監(jiān)測板(圖4中之19)在靠左岸的壩段中固定其左側(cè)，靠右岸壩段 中則固定其右側(cè)，用以監(jiān)測壩體和壩基的垂直位移和切向水平位移。二者正交布設(shè)，其底部 用基巖豎井下伸適當(dāng)深度，監(jiān)測板的底端用砼嵌固，形成固端，作為基準(zhǔn)點(diǎn)。同前，安裝作業(yè) 中要保證定位準(zhǔn)確、固定罕靠，各板段之間接頭要微管對準(zhǔn)，通暢且密封。
[0088] (二)壩肩巖體、高邊坡、滑坡體等位移的監(jiān)測，可參考上述在廊道、豎井中的布置 及實(shí)施方式，在壩肩平硐、灌漿廊道、豎(斜)井或鉆孔中，敷設(shè)雙向或單監(jiān)測板，以觀測水平 位移、垂直位移以及地質(zhì)軟弱-構(gòu)造帶的變形等。
[0089] (三)傳感光纖的敷設(shè)定位:在一路封裝件全線安裝定位后，在其微管內(nèi)用氣吹法 敷設(shè)傳感光纖組。光纖的前端系上傘形帽，在壓氣吹動下，傘形帽拖動光纖從一端布向另一 端(該工藝是電信行業(yè)成熟工藝的移植）；光纖在微管中的固結(jié)定位，采用真空高壓法，進(jìn)行 改性水泥沙漿灌注(光纖在小直徑導(dǎo)管中的氣吹敷設(shè)和灌漿工藝，均已在高速公路隧道砼 襯砌的光纖敷設(shè)中得到驗證）。
【主權(quán)項】
1. 一種高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感的技術(shù)方案及系統(tǒng)，其特征在于:提供一種 傳感光纖的簿板形的封裝結(jié)構(gòu)，即光纖監(jiān)測板形梁(光纖監(jiān)測板）；特別是該光纖監(jiān)測板采 用為曲線形的構(gòu)型，包括弱曲梁、微彎梁兩種型式;將二者正交布設(shè)在拱壩的縱向廊道和豎 井以及壩基壩肩的平硐、豎井中，構(gòu)成三維歐拉彈性梁的敏感元件，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測壩體-壩基壩肩的徑向-切向水平位移和垂直位移的時空分布狀態(tài)與過程;光纖傳感信號解調(diào)儀 優(yōu)選高精度布里淵光時域分析系統(tǒng)或布里淵-瑞利合成系統(tǒng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感的技術(shù)方案及系統(tǒng)，其特征 是:傳感光纖的封裝釆用簿板型結(jié)構(gòu)一狹矩形截面梁，在其長邊兩側(cè)各設(shè)1條微管(直徑約 15mm)，以敷設(shè)傳感光纖組，作為板形歐拉梁體在彎曲時的拉壓側(cè)，形成光纖變形監(jiān)測板形 梁，簡稱為光纖監(jiān)測板或監(jiān)測板;光纖監(jiān)測板形梁的高度約為0.5~2m，其跨高比彡5~10; 每條微管內(nèi)的傳感光纖組的構(gòu)成是，當(dāng)光信號解調(diào)儀選用BOTDA型時，釆用3~4條緊套SM光 纖加2條松套光纖；當(dāng)光信號解調(diào)儀選用布里淵-瑞利合成系統(tǒng)時，則采用3~5條緊套SM光 纖。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感的技術(shù)方案及系統(tǒng)，其特 征是:采用曲線形的光纖封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)高拱壩的雙曲壩型對于光纖傳感系統(tǒng)布設(shè)場合 的特定需要;釆取曲梁控高與彎梁分段的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)曲線形封裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的線性化， 包括線性化方法的理論分析和實(shí)施方案及其造型;基于彈性力學(xué)關(guān)于平面曲梁正應(yīng)力的解 析解，曲梁彎曲應(yīng)力的非線性誤差表達(dá)式和非線性化程度量化表達(dá)式各為 δ = ξ-1 (6)(7) 實(shí)施方式是，把曲梁高度控制在該曲梁的曲率半徑的1~2%以內(nèi)、構(gòu)成為弱曲梁，則該 光纖變形監(jiān)測板即成為線性傳感器;把平面彎梁的監(jiān)測板分段，使各段彎梁中心角<30°~ 50°，即成為微彎梁，同樣轉(zhuǎn)化成為線性傳感器;弱曲梁和微彎曲封裝的光纖變形監(jiān)測板，在 力學(xué)上歸結(jié)為歐拉彈性梁，而具有足夠的精確度，具備工程實(shí)用性;封裝板(梁)按一端或兩 端為固端，安裝在壩中，按歐拉彈性梁算法，監(jiān)測沿線變形兩分量一封裝件的中平面內(nèi)的 撓度及其縱向變形;釆用兩光纖監(jiān)測板正交布設(shè)，則監(jiān)測其沿線變形三分量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的高拱壩變形監(jiān)測的分布式光纖傳感的技術(shù)方案及系統(tǒng)，其 特征是:在高拱壩工程中，在不同高程的縱向廊道的上游壁和頂拱處，各布置垂直向和水平 向的光纖監(jiān)測板，在壩肩處采用水平巖硐深入基巖，做成固端，作為變形監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)，以 監(jiān)測沿程壩體和壩肩的徑向-切向的雙向水平位移及垂直位移;在典型壩段的豎井及其下 延的巖基豎井中，垂向敷設(shè)正交的光纖監(jiān)測板，以底部為固端基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測徑向-切向壩體-壩基的雙向水平位移、垂直位移。壩肩壩基中，在灌漿廊道、豎井、平硐或鉆孔中敷設(shè)單向或 雙向光纖監(jiān)測板，以觀測水平位移、垂直位移以及地質(zhì)軟弱-構(gòu)造帶的錯動等變形;每一路 光纖監(jiān)測板敷設(shè)貫通就位后，各微管的傳感光纖用氣吹法敷設(shè)，用真空高壓法灌注改性水 泥沙漿，進(jìn)行固結(jié)定位。
【文檔編號】G01D21/02GK105890537SQ201610505697
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】劉浩吾, 陳江, 孫曼, 唐天國, 王琛
【申請人】四川大學(xué)