分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)大深埋水工隧洞中的應(yīng)用

摘 要：【目的】在地質(zhì)條件、地殼運(yùn)動(dòng)等因素的影響下，長(zhǎng)大深埋水工隧洞開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)復(fù)雜力學(xué)響應(yīng)，傳統(tǒng)振弦式儀器在長(zhǎng)隧洞中存在諸多問(wèn)題。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)則可以滿足施工安全監(jiān)測(cè)需求。【方法】分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)試距離較長(zhǎng)、耐久性好、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)大深埋水工隧洞中探索其應(yīng)用是十分有必要的。【結(jié)果】實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基于布里淵效應(yīng)分布式的光纖傳感技術(shù)對(duì)隧洞監(jiān)測(cè)更為準(zhǔn)確高效，且不存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，可更加全面反映出結(jié)構(gòu)的變形、振動(dòng)和溫度等特征。【結(jié)論】研究結(jié)果表明，分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)大深埋水工隧洞中具有廣闊的應(yīng)用前景，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析，特別是在隧洞內(nèi)水位、溫度、應(yīng)變等參數(shù)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面，該技術(shù)有顯著的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：布里淵效應(yīng)；分布式光纖；霍爾古吐水電站；長(zhǎng)大深埋水工隧洞

中圖分類號(hào)：TV73" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0009-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.002

Application of Distributed Fiber Optic Monitoring Technology in Long and Deep Buried Hydraulic Tunnels

LI Shengcun FAN Qinghao HUANG Xing

（State Energy Group Xinjiang Kaidu River Basin Hydropower Development Co.， Ltd.， Korla 841000，China）

Abstract： [Purposes] Under the influence of geological conditions， crustal movement， and other factors， the stress during excavation of long and deep buried hydraulic tunnels exhibits complex mechanical responses. Traditional vibrating wire instruments have many problems in long tunnels. Distributed fiber optic monitoring technology can meet the requirements of construction safety monitoring. [Methods] The distributed optical fiber monitoring technology has many advantages such as strong anti-interference ability， long testing distance， good durability， and low usage cost， which" is particularly necessary to explore and apply it in long and deep buried hydraulic tunnels. [Findings] Practice has found that distributed fiber optic sensing technology based on the Brillouin effect is more accurate and efficient in monitoring tunnels， and there is no blind spot for monitoring， which can more comprehensively reflect the deformation， vibration， and temperature characteristics of the structure.[Conclusions] It indicates that distributed fiber optic monitoring technology has broader application prospects in long and deep buried hydraulic tunnels， which can achieve accurate， real-time， and efficient data monitoring and analysis， especially in the monitoring and early warning of parameters such as water level， temperature， and strain inside the tunnel. This technology has significant advantages.

Keywords： Brillouin effect; distributed optical fiber; Horgutu Hydropower Station; long and deep buried hydraulic tunnels

0 引言

近年來(lái)，新開(kāi)發(fā)建設(shè)的大型水電站地理位置越來(lái)越偏遠(yuǎn)，地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜，且長(zhǎng)引水式隧洞居多，安全和質(zhì)量控制難度也越來(lái)越大。傳統(tǒng)應(yīng)用的振弦式儀器（如多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等）變形監(jiān)測(cè)方法存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量少、信號(hào)衰減、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)精度低、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，而光纖監(jiān)測(cè)的敏感性較強(qiáng)，這種技術(shù)通過(guò)獲取光纖通信信號(hào)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及溫度。

目前，基于布里淵效應(yīng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)已有成熟的應(yīng)用。由于長(zhǎng)大深埋水工隧洞內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性和光纖傳感器部署的困難性，分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用仍是難題。

本研究以霍爾古吐水電站長(zhǎng)大深埋水工隧洞為例，在施工過(guò)程中應(yīng)用基于布里淵效應(yīng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理

1.1 BOTDR傳感器

BOTDR傳感器利用自發(fā)布里淵散射現(xiàn)象^［1］。光纖的入射光場(chǎng)和光纖中分子熱運(yùn)動(dòng)引起的周期性壓力擾動(dòng)見(jiàn)式（1）、式（2）。

BOTDR傳感探測(cè)要配備高功率、超穩(wěn)定、單頻率、窄線寬的光纖激光器，原理如圖1所示。光庫(kù)通信提供的光纖激光器的線寬要在2 kHz以下，頻率穩(wěn)定性要高于10 MHz，邊模抑制比高于50 dB，熱調(diào)諧范圍為20 GHz，感測(cè)參量為水位、應(yīng)變、溫度。

1.2 BOTDA傳感器

BOTDA傳感器采用光傳輸函數(shù)進(jìn)行解析，光纖兩端分別發(fā)出泵浦光脈沖和連續(xù)光，原理如圖2所示。后向單模光纖布里淵在泵浦脈沖中產(chǎn)生增益，頻移與光纖應(yīng)變或溫度的變化成正比。利用2芯的普通單模光纖即可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，設(shè)備置于變電所或監(jiān)控中心即可，設(shè)備引出的光纖經(jīng)接續(xù)盒與OPGW/OPPC中2芯光纖的一端連接，2芯光纖的另一端相互熔接構(gòu)成測(cè)量環(huán)路。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制中心或遠(yuǎn)程客戶端，該技術(shù)應(yīng)用原理公式見(jiàn)式（3）。

v（ε，T）= v（0，0）+C₁×ε+ C₂×T" " " " " （3）

式中：v為光纖中的聲速；ε為應(yīng)變；T為溫度；C₁和C₂分別為應(yīng)變和溫度系數(shù)，其感測(cè)參量為應(yīng)變、溫度。

1.3 PPP-BOTDA傳感器

PPP-BOTDA技術(shù)是對(duì)普通的BOTDA技術(shù)的改進(jìn)，原理如圖3所示。BOTDA技術(shù)通過(guò)減小脈沖光寬度可獲得更高空間分辨率，激發(fā)聲子至少要28 ns，縮短脈沖光的寬度將會(huì)導(dǎo)致頻譜形態(tài)劣化和布里淵增益減弱。PPP-BOTDA技術(shù)采用預(yù)先激發(fā)聲波法，PPP-BOTDA技術(shù)的測(cè)量原理與普通BOTDA技術(shù)的相同。PPP-BOTDA可進(jìn)一步提高應(yīng)變測(cè)試的空間分辨率。泵浦光的脈沖寬度減小，聲波激發(fā)大概需要28 ns。

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 霍爾古吐水電站水工隧洞特點(diǎn)

霍爾古吐水電站位于新疆巴州開(kāi)都河中游，水工隧洞隧洞全長(zhǎng)17.5 km，最大埋深1 200 m，隧洞洞徑10 m。工程區(qū)出露的地層主要有上太古界興地塔格群（Ar₂^xd）、下元古界愛(ài)爾基斯群（Pt₁^ar）、上古生界（Pz₂）泥盆系中統(tǒng)和石炭系下統(tǒng)、中統(tǒng)以及新生界（Kz）上第三系中新統(tǒng)（N₁）和第四系（Q）及侵入巖等。隧洞開(kāi)挖多次穿越松樹(shù)達(dá)坂斷裂帶，隧洞圍巖受兩大區(qū)域斷裂發(fā)育影響，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

2.2 分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

霍爾古吐水電站水工隧洞在開(kāi)挖和初期支護(hù)施工過(guò)程中，軟弱構(gòu)造裂隙圍巖較多，容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。針對(duì)霍爾古吐水電站長(zhǎng)引水隧洞的特點(diǎn)，選定溫度、應(yīng)變、位移等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)^［2-3］。在對(duì)幾種常用的分布式光纖傳感器綜合對(duì)比后，選用BOTDR技術(shù)作為安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支撐，形成系統(tǒng)框架^［4］。分布式光纖傳感器技術(shù)特點(diǎn)比對(duì)見(jiàn)表1。霍爾古吐水電站分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖4所示。

2.3 光纖布設(shè)方案

分布式光纖采用縱向布設(shè)方式，在隧道拱頂、兩側(cè)及底板進(jìn)行布設(shè)，兩側(cè)光纖距離地面高度分別為5.8 m（左側(cè)）和4.2 m（右側(cè)），選取沿隧洞壁面和幾何中心線作為敷設(shè)路徑。對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)埋硬管及加固，采用光纜預(yù)拉伸和半導(dǎo)體耦合機(jī)關(guān)器等優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成光纖監(jiān)測(cè)埋設(shè)設(shè)計(jì)方案^［5］。光纖布設(shè)方案見(jiàn)表2。

2.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道健康狀況的實(shí)時(shí)評(píng)估及故障診斷，現(xiàn)場(chǎng)分布式光纖采集頻率為4 次/min。ZK1+700～ZK1+760的拱頂、兩側(cè)及底部監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示，2023年3月29日分布式光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。可以看出，從洞內(nèi)向洞外變形逐漸增大，該分布式光纖重復(fù)性精度在3×10^-5上下浮動(dòng)。為達(dá)到高效的監(jiān)測(cè)效果，采用了云服務(wù)來(lái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存，采用多種報(bào)警手段匯報(bào)和處理發(fā)生的異常情況。在數(shù)據(jù)處理方面，加入了自適應(yīng)濾波技術(shù)。通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)分析，及時(shí)了解到結(jié)構(gòu)物的偏移情況和變形趨勢(shì)，推斷出隧道的變形模式和變形機(jī)理，預(yù)防和解決可能出現(xiàn)的安全隱患。同時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理^［6］。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

應(yīng)用基于布里淵效應(yīng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)建立霍爾古吐水電站的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在半年的運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率高，能夠捕捉到微小的變化，能對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行全面、及時(shí)、精確的監(jiān)測(cè)。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，季節(jié)性的氣溫變化會(huì)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，具體表現(xiàn)為溫度、應(yīng)變和位移的變化。在未來(lái)對(duì)隧洞的監(jiān)測(cè)和維護(hù)中，應(yīng)根據(jù)這些影響因素采取具有針對(duì)性的措施。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)運(yùn)行情況來(lái)看，基于受激布里淵效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)較敏感，能有效監(jiān)測(cè)到傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)不到的盲區(qū)，可有效規(guī)避線路短路、失效等風(fēng)險(xiǎn)，在測(cè)量距離上具有較顯著優(yōu)勢(shì)，可提高測(cè)量精度與空間分辨率，值得在其他水工隧洞工程中推廣應(yīng)用。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，建議分布式光纖監(jiān)測(cè)的今后研究可從以下3個(gè)方面進(jìn)行。

①各種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)有所不同，融合幾種傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)建立完備的監(jiān)測(cè)體系，用來(lái)監(jiān)測(cè)隧洞變形或者溫度變化，減小誤報(bào)概率。

②進(jìn)一步改進(jìn)分布式光纖傳感軟件解析技術(shù)，提高精度和空間分辨率，從而大幅降低監(jiān)測(cè)硬件成本。

③建立科學(xué)的安全評(píng)價(jià)方法，形成指標(biāo)定量化、預(yù)警等級(jí)化，保證地下工程的安全施工與正常運(yùn)營(yíng)。

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收稿日期：2023-06-05

作者簡(jiǎn)介：李勝存（1988—），男，本科，工程師，研究方向：水電基建與生產(chǎn)管理及研究。