光纖光柵技術在輸水隧洞安全監測中的應用

張玉宏 李雙麟 紀 林

(大連市供水有限公司 116021)

1 工程概況

大伙房水庫輸水應急入連工程輸水隧洞穿越遼東千山山脈的西南段，位于蓋州市境內，總長14.11km。隧洞穿越蓋州市的低山丘陵地區，區內植被較發育，覆蓋嚴重，溝谷部位有坡洪積土層覆蓋，基巖埋深較淺，表層風化嚴重，山頂部位基巖裸露。為了保證輸水隧洞長期安全穩定運行，擬對隧洞變形、裂縫、應力應變、水位、進出口水溫等項目進行監測。根據工程的實際情況及圍巖狀況，設計監測斷面選擇在受力狀態具有代表性的部位，樁號為123+ 203.31、126+ 900.69、127+ 820.59、131+ 083.09、136+ 169.09、136+979.26、137+321.43 共7個斷面進行監測，埋設多點位移計23 套、錨桿測力計33 套、滲壓計15支、土壓力計15支、鋼筋計15支、測縫計15支、應變計15支、無應力計15支，全部采用光纖光柵傳感器。目前該監測項目正在施工過程中。

2 光纖光柵傳感器的工作原理

光柵的Bragg 波長λB由下式決定:

式中 n——芯模有效折射率;

Λ——光柵周期。

光柵的波長與光纖的有效折射率及周期有關，當溫度、應變變化后，這兩個量均會發生變化，在通常情況下，可以認為波長是這兩個量的二元一次方程，因此，當溫度升高、光柵承受軸向發生應變后，其反射波長發生的變化可以由微分方程解出。

由于光柵波長與溫度和應變均有關系，因此，在測量一個系統所受的應變及溫度時，一般至少需要兩只光柵同時來測量，然后計算兩個被測量。目前在工程上常用的方法是:用溫度傳感器測出溫度，然后對應變進行溫度補償，從而計算出被測物所受的應變。下頁圖為測量系統光路示意圖。

3 光纖光柵傳感器的特點

光纖光柵傳感器的核心元件是光纖光柵，傳感器將外界被測物理量通過機械機構轉換為光纖光柵的波長漂移，通過測量波長的漂移量得到被測物理量的變化，與傳統傳感器相比，光纖光柵傳感器有以下特點:

a.抗電磁干擾能力強，電絕緣性好，耐腐蝕，本質防爆。

b.既可以實現點測量，也可以實現分布式測量。

c.測量動態范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數問題，測量精度高。

測量系統光路示意圖

d.檢出量是波長信息，因此不受接頭損失、光沿程損失等因素的影響。

e.波長編碼，可以方便實現絕對測量。

f.單根光纖單端檢測，可盡量減少光纖的根數和信號解調器的個數。

g.輸出線性范圍寬，在10000 微應變范圍內波長移動與應變有良好的線性關系，頻帶寬，信噪比高。

4 光纖光柵傳感器的優點

傳統振弦式傳感器受工作原理的限制，其信號的傳輸距離多以2km 以內為最佳。每只傳感器連接一根電纜。可想而知，大量的電纜無論是安裝還是維護都很不便。現場的高濕環境將對數據采集設備的防腐及絕緣要求更高，采用分布式數據采集裝置實現自動化時，其通訊距離也有限制，且在現場電源的提供往往也是一個難題，隧洞通水后監測人員難以進入現場對設備進行維護，任何數據采集裝置出現故障后均將難以及時解決，甚至會造成關鍵監測數據缺失，同時也增加運行成本。

光纖光柵傳感器在長距離信號傳輸方面具有不可比擬的優越性，現場無需供電，具有極佳的抗電磁干擾能力，耐潮濕、耐腐蝕，特別適合于輸水隧洞安全監測系統。傳輸距離可達35km，損耗0.20dB/km，傳輸光纜容量大，每根光纖可連接不少于20支光纖光柵傳感器，因此每個斷面采用1～3 根以上的光纖(光纜)即可將傳感器信號傳輸到遠處的監控站中與數據采集設備連接。另外光纖光柵傳感器性能穩定、使用壽命長、易維護，采用光纖光柵監測系統投資更少，其整體設備費用較常規電測儀器系統減少30%～40%。

5 輸水光纖光柵傳感器監測系統

在選取的7個斷面中埋設不同種類的光纖光柵傳感器，通過沿隧洞布設的通訊光纜傳輸到蓋州泵站監控站，實現整個隧洞系統的安全監測。

6 結 語

光纖光柵傳感器以其穩定可靠、傳感元件壽命長、便于維護保養等功能特點，廣泛應用于各個領域，逐步取代了弦式傳感器，應用前景十分廣闊。因此，大伙房水庫輸水應急入連工程輸水隧洞安全監測系統采用光纖光柵傳感器無疑是最具有前瞻性的，無論從技術角度還是從管理角度看，監測系統的建設和投入使用，為輸水隧洞的安全穩定運行提供了有力的保障。