水利工程河道防洪堤光纖式智能監測研究

秦兆明

(費縣應急保障服務中心，山東 臨沂 273400)

近年來，隨著我國社會經濟不斷發展，城市規模不斷擴大，城市經濟已成為國民經濟重要組成部分，復雜多變的氣候環境對城市防汛排澇預警工作提出了更高的要求，進入夏季以來，我國很多地區突發暴雨，多數城市出現了城區內澇的狀況，特別是局部地方特大暴雨來臨時，積水有的竟高達1m以上，且長時間無法及時排走，給居民的生活及出行帶來很大不便，同時也嚴重影響了社會經濟活動順利開展。因此建設河道防汛監測預警系統，極為必要，它既可以為管理部門提供河道水位和道路積水的實時信息，同時也為防汛管理機構提供決策支撐[1- 3]。

目前國內外對防洪監測開展了部分研究。舒博寧等[4]在總結濟寧城市防洪存在問題的基礎上，提出了濟寧城市防洪水文監測預警系統建設的目標、任務和方案，并詳細設計了水文監測站、城區低洼地水深監測站、雨量站等基礎設施等。林冬萍[5]以福建省晉江市霞浯溪河道防洪堤為例，根據現場多種方法結合的監測結果，分析軟土地基在施工期間的沉降、水平位移和孔隙水壓力的變化規律和發展趨勢，評價地基穩定性，為軟土地基施工控制提供可靠依據，可為同類工程提供參考。錢睿智等[6]以揚州市城市防洪排澇水文應急監測為基礎，詳細介紹了監測實施基本斷面設置、水位流量觀測方案設置、監測實施和數據處理等方法和步驟，為防汛指揮部門提供及時準確的水文基礎信息，具有一定的適用性。此外還有部分學者采用軟件和監測手段對防洪系統進行研究[7- 8]。本文以某防洪堤模型為例，采用地測設備和光纖對河堤的變形進行了監測分析，并對比了兩者的監測精度，結果表明使用光纖傳感器可以顯著提高監測系統的靈敏度，對于防洪堤水位變化引起的險情能夠進行精準測量。

1 地測設備布置

由于在大型洪水的沖擊下，河堤會發生突然坍塌。因此，需要高精度和高采樣率的連續三維測量。本文使用2個全站儀監測斜坡上的2個點，監測精度約為1mm、采樣率約為8Hz。每個插銷錨定器的錨定頭上安裝了帶有特殊適配器的棱鏡。圖1左側顯示了一個錨頭的特寫視圖。為了測量插銷錨的傾角變化，還安裝了在錨頭上安裝了傾角計。圖1右顯示了總體設置。棱鏡P1由全站儀T1(徠卡地球系統TS15)跟蹤，棱鏡P2由全站儀T2(徠卡地球系統TPS1200)跟蹤。此外，在防洪堤底板上安裝第三個點P3作為參考點，并對其穩定性進行控制。全站儀的位置在實驗開始時使用本地參考點確定，并在實驗結束時再次控制。本文還收集了用于距離測量大氣校正的氣象數據。2個全站儀都是遠程控制的，并利用EGMS開發了轉向軟件和數據分析軟件。

圖1 地測法設備布置

采用新型掃描全站儀徠卡地理系統多站MS50對整個河堤面進行掃描可以快速直接驅動，每秒可測量1000個點。對于這種應用，它比激光掃描儀更適合，因為不需要特殊的參考目標，也不需要在辦公室進行后期處理。在每個加載步驟結束時重復表面掃描。此外，MS50還用于評估2個全站儀T1和T2的跟蹤性能。這些精確的單點測量(精度約為0.2mm)后來用于驗證其他兩個全站儀的連續跟蹤結果。完成單點測量后，MS50返回掃描模式。

2 光纖布置

為了盡可能早發現潰堤和調查蠕變效應，必須進行高頻率的測量，精度需超過1/100mm。為此，本文在河堤表面安裝了基于光纖布拉格光柵(FBG)的光纖監測系統。使用FBG傳感器測量錨定點P1和P2(FBG1)之間以及P2和參考點P3(FBG2)之間的距離變化，如圖2所示。然而，由于安裝后插銷錨的位置可能偏離其初始位置5～10cm，因此必須使用長度可調的FBG傳感器。因此，開發了用于調整裸光纖長度的圓柱形適配器(如圖1所示)。FBG傳感器對應變和溫度變化敏感，必須通過適當的轉換函數將原始波長測量值轉換為應變值或溫度值。對于本文使用的FBG傳感器，制造商沒有提供適當的應變和溫度靈敏度值。因此，這些系數必須通過實驗確定。

圖2 光纖布置

3 實驗設置

本文總共進行了7次實驗。在每個試驗中，垂直荷載通過鋼導線和2臺液壓機施加在壩頂上。圖3左大壩未進行加固，圖3中用兩個插口錨進行加固，圖3右用2個插口錨和1塊土工布進行穩定。插銷錨由鐵錨頭和鐵棒組成，鐵棒以不同角度通過錨頭擰入地面。為了評估大壩的穩定性，必須測量大壩表面對施加荷載的反應。監測系統由1個大地測量組件和1個光纖組件組成，由于其精度和信息內容不同，這2個組件相輔相成。

圖3 不同的河堤工況

4 監測結果分析

圖4為施加荷載與錨頭移動規律。如圖4所示，當荷載逐漸增加至650kN/m2時，錨頭開始發生移動。2個全站儀的跟蹤數據如圖4右側點所示。由圖可知，P1和P2點均經歷不同的變形行為，P1的移動主要是水平的，而P2的水平和垂直移動量幾乎相同。P1的總移動量約為4.8mm，P2的總移動量約為3.2mm，表明插銷錨具有很高的穩定性。此外，跟蹤數據的噪聲主要由全站儀測距噪聲引起。對于三維位置，可以達到0.9mm(1σ)的精度。如前所述，使用MS50進行單點測量，以驗證其他2個全站儀的連續跟蹤數據。MS50測量的3D點精度可從周圍控制網絡的測量值計算得出。由本次監測結果得出，0.2mm(1σ)的三維點精度比跟蹤數據的精度高約4倍。

錨頭的相對運動可根據大地測量三維位置計算，或直接使用光纖傳感器測量。圖5給出了動態光纖測量的結果。可以看出，FBG傳感器描繪了荷載增加后錨定點之間的相對運動。此外，通過這些測量可以看到河堤類似蛇形運動軌跡，例如12∶18和12∶25之間。錨頭P1和P2(FBG1)之間的距離以及P2和固定參考點P3(FBG2)之間的距離呈減小趨勢。實驗結束時，P1-P2的長度變化約為0.8mm(約600με)，P2-P3的長度變化約為2.7mm(約2200με)。通過分析初始穩定期的數據，評估了FBG的測量噪聲。圖6空載狀態下5min內的測量變化。從這兩個傳感器的數據中可以得出優于7μm的標準偏差。為了驗證結果，我們將FBG測量值與TS15全站儀測量值進行了比較。圖6顯示了2種不同測量技術的結果。顯示錨定點P1和固定參考點P3之間的距離變化。這對應于2個FBG讀數之和。對于大地測量數據，根據P1的連續跟蹤3D坐標和固定參考點P3的已知坐標計算距離。盡管大地測量和光纖測量技術的精度完全不同，但可以看出，整體變形也可以通過動態和靜態大地測量進行檢測。然而，單個加載步驟和蠕變行為引起的變形只能通過光纖傳感器測量。

圖4 施加荷載(上)與錨頭移動(下)

圖5 動態光纖測量結果與負載階躍

圖6 測量噪聲

5 結語

本文以防洪堤的變形監測為研究對象，通過室外試驗得出了三維絕對變形位移可以可靠地從大地測量點獲得，其中動態測量的3D點精度約為0.9mm(1σ)，靜態測量的3D點精度約為0.2mm(1σ)。即使在高負荷情況下，錨頭的絕對移動也非常小，小于5mm。然而，由于大地測量的精度有限，無法解決單個加載步驟的測量，但使用光纖傳感器可以顯著提高監測系統的靈敏度。在現場試驗中，精度達到7μm以上。這種高精度允許分析每個加載步驟的變形行為，包括河堤的蠕變行為，因此對于防洪堤水位變化引起的險情能夠進行精準測量。