分布式光纖傳感技術在智能大壩安全監測中的應用研究

歐陽步云

摘 要：智能大壩的建設必定離不開智能化的監測手段，文章從分布式光纖傳感技術的基本原理出發，分別對分布式光纖傳感技術在大壩裂縫預測和監測，以及混凝土結構溫度場監測中的應用現狀進行分析，并嘗試對智能大壩分布式光纖智能傳感系統的構建進行分析，從而對大壩應力、變形、位移、溫度、滲流等監測量進行智能傳感監測，實時反饋各個物理量的變化規律，對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制，保證大壩長期安全穩定。文章旨在為水利工程相關技術人員掌握分布式光纖傳感技術在智能大壩安全監測中的應用提供參考。

關鍵詞：分布式光纖傳感技術；智能大壩；安全監測

引言

大型水電站壩址地質條件復雜，多處于高震區和高地應力區，一旦失事，將會給下游人民的生命和財產帶來重大損失，因此，對大壩進行安全監測非常必要。為了保障大壩建設以及全生命周期運行過程中的長久安全，100多年以來，人們一直在探索建設更好大壩的相關理念和技術，大壩的施工與運行管理模式經歷了簡易工具時代，大型機械化時代，直到今天的自動化、數字化、智能化時代。所謂智能大壩（Idam），是基于物聯網、自動測控和云計算技術，實現對結構全生命周期的信息實時、在線、個性化管理與分析，并實施對大壩性能進行控制的綜合系統；其基本特征是施工、監測數據智能采集進入數據庫，監測數據與仿真分析一體化、施工管理和運行控制實時智能化，減少在大壩結構建設運行過程中的人為干預。

智能大壩的基本構成包含實時傳感感知、實時驅動分析、預警預報控制三個關鍵要素，而其中智能大壩傳感感知系統的構建是智能大壩的基本要素，只有在其基礎上才能進行大壩的實時驅動分析和預警預報控。智能大壩實時傳感感知的實現必定離不開智能化的監測手段，分布式光纖傳感技術以連續立體式監測、定位精確、測量精度高、實時性和抗干擾性高等多重優點，近年來已成為水利工程安全監測的研究熱點。文章將從分布式光纖傳感技術的基本原理出發，分別對分布式光纖傳感技術在大壩裂縫預測和監測，以及混凝土結構溫度場監測中的應用現狀進行分析，并嘗試對智能大壩分布式光纖智能傳感系統的構建進行分析，為水利工程相關技術人員掌握分布式光纖傳感技術在智能大壩安全監測中的應用提供參考。

1 分布式光纖傳感技術原理

分布式光纖傳感技術（Distributed optical fiber sensing technology）是利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續的傳感被測量（如溫度、壓力、應力和應變等）；傳輸過程中，光纖既是傳感介質，又是被測量的傳輸介質，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，同時獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。分布式光纖傳感器（Distributed fiber sensor）不僅具有無輻射干擾、抗電磁干擾性好、化學穩定性好等優點，而且可以在沿光纖的路徑上同時得到被測量場在時間和空間上的連續分布信息。由于分布式光纖傳感器具有其它傳感技術無法比擬的優點，因此，成為光纖傳感技術研究領域的熱點之一。激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中含有各種雜質，導致激光和光纖分子出現相互作用，從而產生瑞利、拉曼和布里淵這三種散射光，依據所監測信號的不同，目前對分布式光纖傳感技術的研究主要集中在基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纖傳感技術、基于拉曼（Raman）散射的分布式光纖傳感技術、基于布里淵（Brillouin）散射的分布式光纖傳感技術三個方面。

2 分布式光纖傳感技術在智能大壩安全監測中的應用

大壩在建設與運行期間一般需要進行應力、變形、位移、溫度、加速度、滲流、開合度等方面的監測，反饋各種物理量變化規律，從而對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制、保證大壩長期安全穩定。傳統的監測儀器一般使用電類傳感器，此類傳感器對工作的環境要求嚴，抗干擾能力差，安裝復雜干擾施工，尤其是傳統的監測一般都是分散的點數據，而且也很少能做到實時監控，所以往往會漏測了很多重要的數據信息。鑒于此，人們不斷尋求新技術來解決這些問題，分布式光纖傳感技術恰恰解決了這一問題。

2.1 分布式光纖傳感技術在智能大壩裂縫預測和監測中的應用

大壩混凝土結構內部應變監測和裂縫監測是評價大壩健康狀況的主要指標，由于各種因素的影響，導致壩體裂縫產生的具體位置難以判斷。傳統的點式電測儀器很可能漏檢，而分布式光纖裂縫傳感器能捕捉隨機裂縫，分布式光纖應變監測系統能感知大壩各部位應力應變，將這兩種系統聯合使用，則能達到在裂縫產生前預報裂縫、在裂縫產生后監測裂縫的雙重效果。施工前分析混凝土壩壩體結構以及在不利工況下運行的應力應變，根據分析結果對光纖網絡進行立體優化布設，建立大壩裂縫智能監測感知系統，實現對大壩的實時、在線、立體監測。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。

2.2 基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統在大壩混凝土結構溫度場監測中的應用

在對基于瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射的三類分布式光纖傳感技術進行比選論證后發現，拉曼散射光對溫度最為敏感，基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術適用于溫度單一參數監測，它具有良好的現場適應性、溫度自補償、遠程分布式測量等優點，能對光纖測量的溫度場進行分布式的連續監測，是實現實時測量空間分布溫度的一種新技術。目前，基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統的技術已經相當成熟，并實現了產品化，先后成功運用到了三峽、百色、小灣、溪洛渡等工程的大壩混凝土結構溫度場的監測中。國內外相關的研究和實踐表明，基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統能快捷、準確地監測大壩混凝土結構內部溫度場的變化，為有效地評價大壩安全提供了可靠的科學依據。圖1為采用分布式光纖（DTS）測溫系統對混凝土真實溫度場進行監測的流程。

3 智能大壩分布式光纖智能傳感系統的構建

智能傳感器系統的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作，結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的。智能大壩傳感感知系統的構建需要解決智能傳感監測模型、智能監測類型、大壩內部智能傳感器布置設計原理，大壩人工智能集成技術等一系列的復雜問題；同時，在大壩現場還包括智能傳感器系統的故障通信技術、診斷與程序技術等關鍵技術。智能傳感器的優勢，是能從過程中收集大量的信息以減少宕機時間及提高質量。智能傳感器系統是一門現代綜合技術，是當今世界正在迅速發展的高新技術，可以用來對大壩應力、變形、位移、溫度、加速度、滲流、開合度等監測量進行智能傳感監測，實時反饋各個物理量的變化規律，從而對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制、保證大壩長期安全穩定。

文章在融合分布式光纖應力應變監測系統和分布式光纖裂縫監測系統的基礎上，結合分布式光纖傳感技術在壩體溫度、滲漏和位移監測中的應用，建立分布式光纖大壩健康監測智能傳感系統，在大壩施工期及運行期對壩體各部位進行實時監測，避免大壩的施工、運行期的全過程中不利工況的出現。分布式光纖大壩健康監測智能傳感系統的基本結構如圖2所示。

4 結束語

文章在總結分析分布式光纖傳感技術在智能大壩裂縫預測和監測，以及混凝土結構溫度場監測中應用的基礎上，提出了智能大壩健康監測智能傳感系統的構建思路，從而對大壩應力、變形、位移、溫度、滲流等監測量進行智能傳感監測，實時反饋各個物理量的變化規律，對大壩的施工、運行期的全過程、全生命周期控制，保證大壩長期安全穩定。

參考文獻

[1]張國新，劉有志，劉毅.“數字大壩”朝“智能大壩”的轉變-高壩溫控防裂研究進展：水庫大壩建設與管理中的技術進展—中國大壩協會2012學術年會，中國四川成都，2012.

[2]金峰，周宜紅.分布式光纖測溫系統在特高拱壩真實溫度場監測中的應用[J].武漢大學學報（工學版），2015（4）：451-458.

[3]湯國慶，周宜紅，黃耀英，等.分布式光纖測溫遠程控制在溪洛渡大壩中的應用[J].人民長江，2012（23）：92-95.

[4]周柏兵，萬永波，徐國龍，等.分布式光纖監測系統在混凝土壩的研究與應用[J].水利信息化，2010（6）：32-36.

[5]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[J].水電自動化與大壩監測，2008（5）：52-57.

[6]周柏兵，王偉杰，易長春.基于耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監測研究進展[J].水利信息化，2012（6）：40-43.

[7]李慶斌，林鵬.論智能大壩[J].水力發電學報，2014（1）：139-146.