光纖傳感技術在水利工程的應用概述★

張 研

(桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

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·水利工程·

光纖傳感技術在水利工程的應用概述★

張 研

(桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

通過對近年來光纖傳感技術應用文獻的整理，總結了光纖傳感技術在水利工程中混凝土面板裂縫監測、大壩混凝土結構溫度場監測、裂縫預測等方面的應用情況，對光纖傳感技術在地下工程的應用進行了思考，為地下工程監測提供了新途徑。

光纖傳感技術，水利工程，應用

0 引言

在全球金融危機背景下，“保增長、擴內需、調結構”是當前我國經濟工作的方向。為此，將有大規模的資金投入能源、水利、交通等基礎建設領域。其中作為綠色能源的水電資源的開發對我國實現“節能減排”的目標，保證國民經濟持續快速穩定的發展具有重要意義。水電資源的開發離不開水利工程的建設，在工程建設中有很多指標用常規方法不能很好采集，這就要利用現代化、信息化手段對工程中的各種難以準確監測，并且對工程施工、運行起重要作用的指標進行準確獲取。

光纖傳感技術是在20世紀80年代興起的一種新興的光學技術。該技術以光纖傳感器為核心，將傳感、信息傳輸合為一體，并且具有耐久性好、數據精度高、抗干擾性強、體積輕巧等多重優點，廣泛應用于水利工程等惡劣環境下的物理量測量，為水利工程的安全監測提供了一條可靠途徑。

本文通過對光纖傳感技術在水利工程中的應用現狀進行分析，為水利工程相關技術人員掌握光纖技術的應用情況提供了參考。

1 光纖傳感技術的基本原理

光在光纖中傳輸時，總會受到外界環境各種因素的影響(如：溫度、濕度、壓力等)，會使得光纖光波參數發生變化(如光強、頻率、波長等)。如果能找到光波參數的變化與各種物理量改變的對應關系，就能夠間接的測量所需物理量。基于該思想，應運而生了光纖傳感技術。

2 水利工程中的應用

2.1 混凝土面板裂縫監測中的應用

混凝土面板堆石壩是20世紀60年代提出的一種新壩型，由于其具有抗滑穩定性好，斷面小、樞紐布置緊湊，抗震性能強，施工導流方便等優點，被廣泛應用于壩工結構當中。但是由于該壩型的面板與堆石分別屬于兩種不同的材料，通常會在二者結合處出現裂縫，而裂縫的大小關乎工程的安全，如何準確監測到裂縫情況一直備受工程界關注。有些學者將光纖傳感技術應用到面板裂縫監測中，通過對魚跳電站等多個混凝土面板裂縫的監測，為提高在該方面的監測精度提供了難得的經驗。

2.2 大壩混凝土結構溫度場監測中的應用

大體積混凝土溫度應力一直是大壩工程關注的焦點，大壩溫度場的準確監測無論在施工期還是運行期，都具有重要的意義。在施工期的監測可以減緩溫度應力，防止出現溫度裂縫；在運行期，通過溫度監測可以了解大壩的變形情況、應力情況，對壩體的安全性做出合理評價。傳統的監測方法或多或少有些不足，在三峽工程中采用了光纖傳感測溫，為大壩的健康診斷和安全運行提供了保障。

2.3 大壩裂縫預測和監測中的應用

混凝土大壩裂縫的監測是評價安全性的重要指標，傳統的監測方法只能夠在裂縫出現以后來進行監測評價，此時對大壩已經造成了一定的損害。采用光纖傳感技術可以對壩體內部的拉應力進行適時監測，掌握大壩的應力狀況，指導壩體荷載分布，盡量避免不利工況，使得拉應力低于混凝土的抗拉強度，防止裂縫的產生。

2.4 土石壩滲漏監測方面的應用

正常運行的土石壩滲流場主要由庫水位、地下水、大氣降水等等因素影響，呈現出有規律的變化。而當擋水結構出現裂縫的時候，壩體的流量會逐漸增大，但是在初期由于變化不大很難及時發現。此時，壩體的滲流場卻會發生很大的變化，傳統監測技術很難準確反映滲流場的變化。利用光纖傳感技術間接監測土體溫度場的變化可及時找出滲漏點，通過思安江水庫大壩的工程應用研究，發現該方法是可行的，為滲漏點的確定提供了一條新途徑。

2.5 水工結構模型試驗研究中的應用

由于水利工程建設規模較大、投資較多，因此在前期總會進行小比尺的模型試驗，為后續工程建設提供參考。傳統模型試驗借助應力、應變計來采集應力、變形，只能對比較關心的特殊點進行監測，而對其他部位的變化很難掌握。此外，常規方法對于隨機出現的裂縫很難捕捉。

近年來，一些學者將光纖傳感技術運用到隨機裂縫的捕捉方面，并且在四川沙牌碾壓混凝土拱壩整體結構模型試驗中得到成功應用。

3 地下工程應用的思考

我國水能資源主要分布于西部高山峽谷地區，隨著西部開發戰略的實施，在今后十余年將有相當多的大型水力發電工程以及抽水蓄能電站進入興建期，其中相當多數都設計有大型或者超大型地下洞室群作為主要的水工建筑物。自新奧法施工理念提出以來，利用圍巖開挖監測信息指導工程施工、設計已經成為地下工程建設的必要環節。然而，由于地下工程的特殊性，諸如：材料高度非線性，不確定性影響因素太多，結構形式復雜，施工環境隱蔽性強等等特點，使得必要圍巖信息的準確監測獲取變得相當困難。

受光纖傳感技術在水利工程中的應用的啟發，結合本人的研究方向，對光纖傳感技術在地下工程中的應用情況查閱相關文獻，在此方面主要有以下兩方面應用：將光纖傳感技術應用到巖石錨桿的應力應變監測；光纖傳感技術在隧洞位移監測方面的應用。由于地下工程的復雜性，施工掘進是一個可變性強、難以預測的多影響源過程，對施工信息進行適時監控與動態監測，并結合計算機進行智能化處理，做出施工狀況綜合評價，并且對下一步施工給出建議，更能滿足工程施工需要，為工程的安全建設提供了保障。設想將光纖傳感技術應用到地下工程適時監控與動態監測反饋系統的研究，為地下工程動態施工監測提供了一條新途徑。

4 結語

光纖傳感技術由于其具有特殊的物理性能和優點，通過數十年的研究和試驗，現已在我國水利工程安全監測領域得到應用，并已初見成效。本文對光纖傳感技術在水利工程中的應用現狀進行了總結，并對光纖技術在地下工程施工中的應用提出了自己的一點思考，為工程技術人員能夠更好的將光纖技術應用到實際工程提供借鑒。

[1]郝長江，季 凡，杜澤快，等.光纖傳感技術在水電工程安全監測領域應用研究綜述.大壩與安全，2007(1)：38-41.

[2]胡 江，蘇懷智，張躍東.光纖傳感技術在大壩裂縫預測和監測中的可行性探討.水電自動化與大壩監測，2008，32(5)：52-57.

[3]侯俊芳，裴 麗，李卓軒，等.光纖傳感技術的研究進展及應用.光電技術應用，2012,27(1)：49-53.

[4]周 勇，趙新銘，孫岳陽，等.分布式光纖溫度傳感滲漏監測技術研究進展.新技術新工藝，2014(11)：119-121.

[5]谷艷昌，王士軍，龐 瓊，等.土壩溫度場反饋滲流場可行性研究.巖土工程學報，2014，36(9)：1721-1726.

Summary of the application of optical fiber sensing technology in hydraulic engineering★

Zhang Yan

(CivilEngineeringCollege,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

According to the compilation of the application literature of optical fiber sensing technique, the paper sums up the application of the optical fiber sensing technique in crack monitoring on concrete plates, temperature field supervision of dam concrete structures, and cracks forecasting, and considers its application in underground projects, so as to provide new channel for the underground engineering monitoring.

optical fiber sensing technique, hydrological project, application

1009-6825(2015)18-0220-02

2015-04-13★：廣西高等學校科研項目(項目編號：YB2014156)

張 研(1983- )，男，博士，講師

TN929.11

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