光纖傳感網絡技術在巖土工程安全監測中的應用

王毅

摘要：在巖土工程施工過程中，外部環境相對較差，受材料破壞、地質災害、使用方法和疲勞效應等多方面因素的影響，工程結構可能存在開裂變形、地基沉降和穩定性衰減等問題。因此，加強健康評估和安全監測迫在眉睫。針對光纖傳感器具有精度高、抗干擾、成活率高等優點，以光纖傳感器的原理和分類為突破口，詳細闡述了其在巖土工程中應用的關鍵技術問題，并以分布式光纖傳感技術為例，對其布設方法進行了分析，為巖土工程安全監測提供一定的理論參考。

關鍵詞：光纖傳感技術;巖土工程;安全監測

光纖傳感技術的發展和應用由來己久，早在20世紀80年代就在美、英、日等國家進入了實用化，其是依托于半導體光電技術、計算機網絡技術及光纖通信技術而發展起來的新型技術，具備寬帶大、耐環境、體積小、強度高、穩定性好、靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優勢，并在智能電網、鐵路監測、石油工業等多領域中得以推廣和應用，而當前“中國制造、一帶一路”等國家戰略的提出和實施，公路、橋梁、石油、礦山等沿途工程建設數量和規模將快速增加，但因為巖土工程設計基準期較長，使用環境較為惡劣，且容易受到外界環境負載、疲勞效應及材料老化等因素的影響，工程結構容易出現邊坡的失穩破壞、混凝土結構開裂變形、地基基礎沉降等問題，因此，將支持大規模、高密集、多點網絡式和分布式測量引巖土工程安全監測及健康評估之中，并就布設方法及關鍵技術問題進行深化研究具有重要的現實應用價值。

一、光纖傳感器技術的概述

光纖傳感技術是依托于半導體光電技術、計算機網絡技術及光纖通信技術而發展起來的技術，其具備寬帶大、耐環境、體積小、強度高、穩定性好、靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優勢。

1.1光纖傳感器技術的工作原理分析

光纖傳感器技術是集成光電技術、光導纖維及光通信技術于一體的綜合性應用技術，與傳統傳感器技術的最大區別是其以光纖為導體，其具備高精度、環境耐受力、抗干擾性、實時監測及高效傳輸性，尤其適用于空間狹小、潮濕、腐蝕性強等特殊環境，也因此被廣泛應用在石油、礦場、隧道、電力及水利工程之中，其基本工作原理是借助光纖對溫度、壓力等外部環境的敏捷感知力，將光源發出的光經光纖耦合后傳輸至調制器，促使監測參數與進入調制區的光互相作用后，引發傳輸光波強度、頻率、相位、偏振態、溫度、壓力、位移等物理特征參數發生直接或間接改變，而后將光纖作為傳感元件來測量光參數的變化，從而完成監測外界被測物理量的目的。

1.2光纖傳感器技術的主要類別

根據巖土工程安全監測的實踐分析，依據隨距離增加可否實現被測量基體的連續監測劃分為：點式、準分布式和分布式等幾類，其中，點式光纖傳感技術存在邁克爾遜干涉傳感技術和非本征型法布里-珀羅干涉傳感技術幾類，對于結構局部變形的高精度監測具有較強適用性，準分布式光纖傳感技術是基于光纖布拉格光柵，通過波分復用、時分復用和空分復用技術，構建多點準分布式傳感網絡系統實現，分布式光纖傳感技術是依據沿線光波分布參量，并獲取對傳感光纖區域內隨時間及空間變化的被測量的分布信息，適用于長距離、大范圍的持續性監測。

1.3光纖傳感技術優勢

作為我國巖土工程安全監測工作中的重要工藝，其具有以下優勢：①較高的可靠性。因光纖光柵是使用波長編碼的形式進行信息的監測的，而波長又是一種絕對的參數，所以，其不會受到因光源功率的波動以及光纖彎曲等因素的變動引起的系統損耗的影響，基于此，光纖光柵傳感器具有較好的可靠性以及穩定性。②具有抵抗干擾的能力。監測量是一種波長信息，且其不會受到因光源功率波動以及光纖彎曲等因素引起的系統損耗的影響，所以，其具有較好的抵抗電磁干擾以及腐蝕的能力，且具有較好的電絕緣性，同時，其導線以及傳感器也具備較好的防雷功效，也不會受到潮濕環境的影響，耐久性也較好，并且還具有抵抗包括高溫在內的惡劣環境以及化學侵蝕的能力，抵抗環境的能力較強。③具有較高的靈敏度以及測量精度。精確的透射還有反射特征使其能夠更加準確的反映應力以及溫度發生的變化。但光源譜寬對其測量動態實際范圍存在一定的限制，且不存在多值函數問題。④較高的測量效率。將多個光纖光柵傳感器運用于單路光纖中，可以形成一種分布式的光纖傳感網絡，同時還能對大型的工程進行分布式的測量，且其測量點較多，測量的范圍也較大。⑤具有較好的適應性。對于光纖傳感技術來說，其中使用的傳感頭的具體結構相對簡單，且其尺寸也較小，質量也輕，能夠在各種各樣的應用場合中運用，特別適合于埋入材料內部構成所謂的智能材料或結構。

二、光纖光柵傳感器技術指標選擇

2.1中心波長

在FBG反射光譜中對應的反射峰值實際波長即為反射譜中尖峰的中心波長。同時，這些峰值的波長會隨著被測量環境物理量的變化發生一定的變化，例如當溫度升高或是應變增大時，FBG傳感器的峰值波長會變長。此外，如果一個峰值的波長為1535.050nm的傳感器從25℃加熱到35℃時，傳感器的峰值波長將會增加到1535.150nm，且每℃變化為10pm。

2.2反射率

所謂反射率，即為FBG反射光譜中反射峰值的功率與入射光功率的比值。具體來說就是，隨著光纖光柵反射率的增高，返回到測量系統的光功率就越大，同時，相應的測量距離也就越大，且反射效率也會越來越高，而帶寬越窄，光柵則會越穩定。此外，較小的反射概率使得噪音對其的影響較大，而對波長查詢儀器工作的要求就會越來越高，進而對測量的精度造成一定的影響。這時，為了能夠獲得最好的性能，光柵反射率一般都需大于90%，但在單純的強調高反射率的同時，也需全面考慮到邊模抑制。

2.3傳感器的長度

對于巖土工程的安全監測工作，傳感光柵的長度是決定測量點精確程度的重要因素，具體來說，光柵的長度越小，測量點就越精確。但在實際操作過程中，還需對光柵涉及的各種參數進行全面的考慮，且光柵越短，反射率就會越低，帶寬則會越寬。在光柵很短的情況下，其反射率以及帶寬都是很難滿足相應的要求的，所以一定要在做好此三者的協調。此外，對于0.25nm的帶寬，傳感器光柵的物理長度應為10mm，這個長度適合于大多數物理量的監測應用。當然，通過改變帶寬，不同的傳感光柵長度也是可以達到相應的工程安全監測的要求的。

2.4傳感器波長間隔

所謂的傳感器的波長間隔，其主要是指兩個FBG中心波長的差。其中，對于FBG傳感器陣列，其主要涉及了大量的傳感光柵，因此，必須要確保能“尋址”每一個光柵，也就是按照獨立的變化中心波長確定每一個光柵。這就要求每個通道內各個光柵的中心波長以及其工作范圍要不產生重疊現象，這時需考慮以下兩方面的內容：傳感光柵之間的緩沖區以及每個傳感光柵的探測范圍。此外，巖土工程安全監測工作中具體探測范圍是由測量范圍決定的，且測量范圍越大，探測范圍就越大。

2.5緩沖區

對于巖土工程安全監測工作中兩個相鄰的傳感光柵，必須要留置一個緩沖區域，并以此來確保第一個光柵最大波長與第二個光柵最小波長不相交。同時，在安全監測過程中，還需考慮到傳感器在制造過程中存在的中心波長的誤差，一般為±0.5nm，精度比較高大約為±0.05nm。且必須將這個誤差加到緩沖區內，進而保證設計的間隔符合相應的標準。所以，在進行光纖光柵傳感器的選用時，要綜合考慮傳感器數、傳感器波長間隔、緩沖區和測量范圍等內容，進而使其滿足所需的要求。

三、光纖傳感器技術在巖土工程安全監測中的關鍵技術問題

3.1光纖傳感器與被測基體的耦合

在巖土工程結構變形測量中，因受封裝材料、中問介質力學特質及尺寸效應等的干擾，光纖傳感器應變與被測基體實際應變不能歸一為1：1的關系，而是存在一個應變傳遞過程，對于測量基體變形的精準測量具有重要影響，而工程監測中應變傳遞率多通過提升光纖傳感器與被測基體的耦合性來實現，而這需要保持光纖傳感器表層材料及中間耦合材料與被測基體材料的契合性，以規避滑動、移動問題，而且還要確保兩者力學特性的相似，以最大限度維持同步變形，預防嚴重的剪切位移，耦合材料存在原位與自配之分，但都是為了與原位材料保持特質的相似性，以提升應變傳遞率。

3.2光纖傳感器的二維變形監測

光纖傳感器是沿軸向的一維變形，因材料特性的影響，其不能承受較大的橫向剪切變形，實際測量中，受軸向變形和橫向變形的雙重作用，為此，光纖傳感器技術是置于二維或三維變形環境中的一維監測手段，無法有效監測結構變形狀況，需要對光纖傳感器的布設方式和結構進行改進，以完成二維、三維結構變形監測，目前常用的二維變形監測方法有：首先，光纖應變化，Lienhart將3個大型SOFO光纖傳感器依照120。角度布設于同一水平面上，構造成應變花結構，根據測得不同方向上的應變，可得出應變橢圓弧度?變化;其次，基于FBG的節理式偏斜儀水平位移監測，也即借助節理式設計來限制光纖的軸向變形，可在某一方向自由彎曲，利用應變與旋轉角度關系計算水平位移，但存在±2。的最大可量范圍限制，實用性較差。

3.3光纖傳感器的三維變形監測

在運用分布式光纖傳感器技術進行工程監測時，可將3～4根分布式光纖傳感器等角度沿軸向粘貼到桿體或管體表面，此種布置方法可支撐該光纖傳感器的三維變形測量，方法是基于彎矩的積分計算，依據協管4個方向的應變數據信息來對水平和垂直方向的變形量進行反推，位移靈敏度可達1mm·m-1，最大安全位移為15mm.m-1。ITEN等在邊坡樁基上布設了4根分布式傳感光纖測量其滑動量，并與3年測斜儀監測數據進行比較，結果表明該方法能夠有效監測邊坡穩定性。

四、光纖傳感技術在巖土工程安全監測中的應用分析

為詳細分析光纖傳感器技術在巖土工程安全監測中應用的布設方案，本文以某大型水電工程為例，運用分布式光纖傳感器技術來監測基座沿壩軸線方向存在的裂縫位置與寬度，以監測基座在施工期蓄水期及運行期的變形工作狀態，從而及時修護裂縫、滲漏，具體而言，光纖傳感在混凝土基座捏的布置范圍為壩0+130.00～0+340.00，將兩條連續分布的折線形光纖傳感器回路布置在心墻基座內，形成4條布設在成型鋼筋下方的傳感光路組成的監測空間，各個光路由3種以折線形水平和垂直分布的傳感光纖構成，光纜沿監測廊道、灌漿廊道分段分層由左向右，引入右岸廊道內的監測室。上層光纖水平布置于基座頂面高程以下30cm處，先用光纖形狀的Ф6.5鋼筋固定在頂面下第二層Ф36的受力鋼筋上，在完成全部鋼筋的綁扎焊接后，而后在Ф6.5鋼筋上進行傳感光纖綁扎，下層上游側面光纖以立式方式布置在一期混凝土防滲墻鑿除段頂縫面上的一層鋼筋上，在受力鋼筋上將冷彎成型的Ф6.5鋼筋并排焊接，在焊接完成全部鋼筋后，在Ф6.5鋼筋上進行光纖綁扎，下游側光纖以立式方式在最外層受力鋼筋外側焊接Ф6.5鋼筋，而后在Ф6.5鋼筋上完成光纖綁扎。完成上述布設后，將進行模板的架立，光纖埋設時應確保安全與穩定性，混凝土入倉時、端槽入倉應避免與光纖的沖突，為預防已布設光纖的損壞，振搗器須與光纖距離20cm之上，光纖盤在每澆筑倉末端由堵頭模板內引出后放置在保護鋼箱內，完成光纖布設后以通導儀來檢測其光纖通導狀況，存在斷點的，應以光纖熔接機予以及時修補。在混凝土防滲墻基座內光纖是以折線形構型布置的，其折線波長、高、夾角分別為135cm，50cm，10.69°，光纖曲率半徑≥60cm，光纖露頭以大于5mm壁厚的橡膠管予以保護，同時，要盡力保證光纖的完整性，盡量不留接頭，最終將所有終端盒聯接后通過傳輸光纖引入監測室。完成布設后，根據實際檢測，左岸、河槽段、右岸三測區傳感光纖運行良好，可以支撐基座所有關鍵部位滲漏及裂縫的監測，成活率達到52%，與常規監測技術相比具有應用優勢性。

結語：

在我國，巖土工程安全監測廣泛采用傳統的電量測試技術，但由于工程因素和自身技術的限制，這些測試技術很難滿足巖土工程測試的某些要求。大型巖土工程的結構和基礎設施體積大、跨度大、分布面積大、使用壽命長。傳統的電氣傳感設備組成的長期監測系統在性能穩定性和耐久性方面已不能滿足工程實踐的需要。

參考文獻

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