FBG 传感器在重力墙位移监测中的应用*

田素辉，熊 新，李英娜，赵振刚，谢 涛，李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明650500)

0 引 言

重力墙是支挡路基填土或山坡土体，防止填土或山坡土体变形失稳，而承受侧向土压力的构筑物［1］。近年来，山区公路因挡土墙失稳造成的路基滑坡、坍塌破坏公路的事件频繁发生。对公路重力墙的监测以保证了解山区公路的健康状况是非常有必要的。传统的重力墙变形常用的监测方法主要有测角法、水准法，但这样的方法都存在工作量大、自动化程度不高等不足［2］。在现代的监测中，吴豪伟采用KLA—1 型光纤Bragg 光栅(FBG)位移传感器对重力式挡土墙的侧向的位移进行监测。阮广招通过在施工时埋设的6 只位移传感器来监测重力墙的位移，实现了对重力墙的全天候监测，确保了施工安全。贠英伟应用FBG 温度传感器和应变传感器实现监测混凝土挡土墙浇注早期的变形和温度变化情况。杨健采用固定式测斜仪和位移计来监测重力式挡土墙的位移评定重力墙的稳定性［3～6］。

根据山区重力墙地处偏远山区且要长期运营的特点，本文选用FBG 传感器监测系统对混凝土结构的重力墙的健康状况进行中长期的监测［7］。

1 重力墙的监测原理

元绿春公路K77+120 ～K77+215 段左侧是高65 m，且土质疏松的边坡，右侧是为了防止路基滑坡、坍塌修筑的重力墙。在元绿公路的修筑过程中有些路段曾有路基滑坡现象的发生，为了保障公路的安全运营，必须及时地掌握重力墙的安全状态。重力墙在公路安全的运营中受到山体边坡的侧向压力、公路修筑时路基填土的自身重力以及公路载荷的作用力和经过雨季降雨后，导致雨水下渗，基底粘土浸水湿软，靠近墙趾部分尤为严重［8］。在正常的情况下，当侧向的压力超过一定范围重力墙就会垂直的发生形变，且其形变量与所受的侧向的压力呈正比。当位移超出一定的范围就会发现重力墙的裂缝甚至倒塌，同时引起路面的断裂塌陷。

元绿春公路K77+120 ～K77+215 段的重力式挡土墙是长20 m、高5.5 m、厚度为0.5 m 的混凝土浇筑的墙体。重力墙上方与公路相连左右与山体相连下侧的地基也打在山体的边坡上。其在侧向压力的作用下重力墙受力和变形的趋势如图1 所示。

图1 重力墙受侧向压力剖面变化图Fig 1 Profile change map of gravity wall forced by lateral pressure

由于重力墙的上侧与公路相连，其下侧、左侧、右侧均与山体相连，在侧面受到侧压力时，其竖直方向中间线上的位移变化是最为明显的，因此，中间线的位移能更加精确地显示出重力墙的位移和安全的状态。在中间线上布设FBG传感器，当重力墙在侧向压力的作用下产生变形时带动传感器的等强度悬臂梁产生变形，则粘贴在等强度悬臂梁上的光栅会发生波长的移位，使得FBG 传感器的中心波长发生变化，通过解调仪解调FBG 传感器反射的光波长信号得到FBG 波长移位的大小［9］，实现对重力墙位移的监测。

2 FBG 传感器的布设和数据的分析

重力墙长20 m，高5.5 m，宽0.5 m，其上侧与公路相接，左右与边坡相连，下端建设在边坡上，在侧向压力的作用下发生形变。对重力墙进行有限元的分析，选择出重力墙位移变化最明显的位置，使得传感器对重力墙的安全状态监测更加灵敏。大型有限元软件ANSYS 的前、后处理以及各种非线性计算功能处于国际领先水平，可以为本文的挡土墙整体稳定性有限元数值计算分析的可靠性提供有力的保证［10，11］，采用有限元分析软件ANSYS 对重力墙进行仿真，根据重力墙受到边坡侧向压力的特点，在重力墙内侧的平面上加力，仿真得出重力墙结构受力的分布和位移变化分布云图，从而确定FBG 位移传感器安放的位置。有限元分析软件将重力墙的运动方向和受力大小通过ANSYS 进行仿真，可以直观地得出边坡的四条边和中间线的受力最大，中间线上的位移变化最明显。根据重力墙的实际尺寸建立仿真模型如图2 所示，仿真重力墙的位移变化云图如图3所示。

图2 建立重力墙的有限元仿真的模型Fig 2 Established finite element simulation model for gravity wall

图3 有限元分析重力墙的位移变化Fig 3 Finite element analysis on gravity wall displacement change

根据ANSYS 仿真结果显示，在重力墙竖直方向的中间线上的位移最为明显，能够更加精确地显示整个重力墙的位移情况，更准确地判定重力墙的安全状态。因此，选择在重力墙的竖直方向的中间线上安装10 只FBG 位移传感器，横向每隔2 m 安装1 只，设置2 个监测段，每段安装5 只FBG位移传感器，对安装的位移传感器进行编号，从大桥端开始，依次为:第一监测段编号依次1#，2#，3#，4#，5#;大桥第二监测段编号依次为6#，7#，8#，9#，10#。在重力墙的位移最为明显的位置选择10 个监测点，钻20 个直径为27 ～29 mm的小孔，将位移传感器的两侧固定在重力墙的内部，安装深度为30 cm，实现对重力墙位移的实时监测。

FBG 位移传感器采用分布式安装，通过关光纤耦合器使得一根光纤上串联多只传感器，实现对多点的分布式测量，具有重复性好，线性度高等特点。当重力墙发生变形时，FBG 位移传感器就能够实现对重力墙位移变化的监测。传感器的布设图如图4 所示。

图4 传感器的布设图Fig 4 Sensor layout diagram

根据FBG 位移传感器所受到的重力墙发生位移时的作用力与FBG 位移传感器上的FBG 的波长移位之间的精度关系，通过光纤分析仪解调FBG 的波长移位量，计算出对应监测点的重力墙移位的大小。

由于重力墙的变形给传感器两端施加拉力，带动重力墙表面的位移传感器弹簧发生弹性形变，使传感器内部的等强度悬臂梁发生变形，粘贴于等强度悬臂梁上的光栅发生波长移位，实现对重力墙位移的监测，传感器结构如图5所示。

图5 FBG 位移传感器结构图Fig 5 Structure diagram of FBG displacement sensor

2014 年1 月17 日～4 月5 日，元绿公路K77+120 ～K77+215 边坡重力墙监测段1 位移变化曲线如图6 所示，重力墙监测段2 位移变化曲线如图7 所示，重力墙位移变化较大的位移分布图如图8 所示。

图6 大桥重力墙监测段1 的位移变化曲线图Fig 6 Gravity wall displacement change curve of bridge in monitoring segment 1

图7 大桥重力墙监测段2 的位移变化曲线图Fig 7 Gravity wall displacement change curve of bridge in monitoring segment 2

图8 大桥重力墙位移变化较大的位移分布图Fig 8 Large changes of displacement distribution of gravity wall

在此段监测时间内，重力墙各个部分的位移都处在动态变化中，在2 月10 日与2 月23 日在距离0，8，18 m 处的传感器监测到的位移稍大，其监测到的最大位移分别为0.86，0.99，0.69 mm。重力墙所处的环境、降雨以及公路载荷的变化都会对重力墙的位移产生一定的影响［12］，使得重力墙的位移在一定范围内波动。该系统能够反映重力墙的位移变化，并能对其位移的变化趋势进行监测。

3 结 论

本文对重力墙基于ANSYS 的有限元分析，获得重力墙的应力与位移变化的分布场，确定重力墙位移传感器的布设点。当重力墙发生变形时，带动FBG 位移传感器的等强度悬臂梁发生变形，FBG 位移传感器应用在元绿春公路K77+120 ～K77+215 段的重力墙的位移监测。监测数据表明:FBG 监测到的数据在2 月10 日和2 月23 日有小幅度的波动，最大位移变化为0.99 mm，针对重力墙位移的特点设计的该系统能够实现对重力墙位移的监测。

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