光纤光栅传感器在长距离有压引水隧洞中的应用

游 艇，刘 韬，孙 强

（1.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006；2.辽宁省大伙房水库输水建设局调度信息处，辽宁沈阳 110006）

0 引言

某在建长距离有压引水隧洞工程，压力约0.7 MPa，沿途穿越地形地质条件复杂，有沟谷、河流、断层等。根据规范要求和工程需要，在某些较大断层、沟谷浅埋段、外水压力较大洞段等可能影响工程安全的部位，布置监测仪器进行监测[1]，但由于振弦式等传统仪器监测信号传输距离较短，无法满足某些监测断面信号传输要求，而光纤光栅传感器具有：1）光纤损耗小、传输距离远；2）天然抗电磁干扰能力强；3）良好的抗老化耐腐蚀性能；4）动态响应快；5）可移植性强等优点[2～4]。目前已广泛应用于大型结构工程、岩土工程、交通工程、石油化工、采矿工程等领域[5]。根据光纤光栅传感器以上特点，工程选择光纤光栅传感器作为安全监测仪器。

1 传感器原理及应用现状

1.1 光纤光栅传感器原理

光纤光栅为光纤光栅式传感器的敏感部件。光纤光栅是通过紫外线照射光纤中的一小段光纤，导致纤芯折射率发生变化而制成的一种光纤无源器件[6]，光栅可以反射特定波长的光波，或者滤除特定波长的透射光[2]。光纤光栅分为短周期光栅（FBG）和长周期光栅（LPG）[5]，工程传感器光栅类型为短周期光栅（FBG），也称为布拉格（Bragg）光栅。

根据模耦合理论，光栅反射波长满足的Bragg方程见公式（1）[2]：

式中：λB为光纤光栅的中心波长，nm；Λ为光栅周期或栅距，nm；neff为纤芯的有效折射率。

当环境温度或光纤光栅所受应变发生变化时，Λ和neff均产生变化，反射波长λB就会产生漂移，通过检测波长变化，可实现温度、应变等外界物理量变化[7]。

1.2 应用现状

光纤光栅传感器在无压引水隧洞安全监测中有少量应用，如大伙房水库应急入连工程输水隧洞的安全监测[8]、牛拦江引水工程隧洞的安全监测。笔者查阅相关文献，在有压引水隧洞安全监测中，目前还没有工程应用光纤光栅传感器。

2 信号传输距离选择

光纤光栅传感器虽然具有信号传输距离远的特点，有文献介绍传输距离可达35 km[8]，但综合考虑断层分布、传感器之间串并联光损、传感器与主干传输光缆连接光损、工程实用性、可检修性等要求，工程实际设置监测断面距离采集站最远约4.1 km。工程中HJ1监测数据采集站各断面信号传输距离。

3 隧洞监测断面设置及传感器布置

结合光纤光栅传感器信号传输距离选择及地质条件，引水隧洞共设置25个监测断面，其中检修竖井前设置16个断面，重点对隧洞进口岩塞爆破影响深度、进口集渣坑、集渣坑与检修竖井连接段等部位进行安全监测；检修竖井后设置9个断面，对Ⅳ、Ⅴ类围岩破碎带处、可能对围岩稳定造成影响的断层处及地下水位较高洞段进行安全监测。工程衬砌结构监测和外水压力监测传感器典型布置图，见图1，2。

图1 衬砌结构监测典型布置图（单位：mm）

图2 外水压力监测典型布置图（单位：mm）

4 传感器串并联应用及光缆根数选择

4.1 串联和并联应用

光纤光栅传感器具有可以串联或并联的特点，通过尾纤的串联或并联，可实现传感器的串联或并联。具有两端尾纤的传感器，如钢筋计、应变计、无应计、测缝计、锚杆应力计等通过尾纤连接进行串联；具有一端尾纤的传感器，如渗压计通过耦合器进行并联。串联或并联后的传感器，两端尾纤均可与主干传输光缆对应编号的光纤熔接接入采集设备，既可实现监测信号的冗余采集，又可满足工程监测需要，减少主干光缆光纤芯数和光纤光栅解调仪采集通道数。

工程根据光纤光栅传感器串并联特点，结合传感器波长分配，对监测断面的传感器进行串联和并联设计，传感器串联个数控制在3～7支之间，传感器并联个数控制在3～6支之间。某监测断面传感器的串联和并联，见图3。

图3 某监测断面传感器串并联连接示意图

4.2 监测断面主干传输光缆根数选择

工程一个监测断面传感器经过串或并联，尾纤数不小于6，可单独敷设1根主干传输光缆；若一个监测断面传感器经过串或并联，尾纤数不大于4，可考虑2～3个断面传感器连接到一根主干传输光缆上。

5 断面接头保护盒及主干传输光缆定制

5.1 断面接头保护盒

断面接头保护盒主要起保护传感器尾纤串并联接头及其和主干传输光缆接头的作用。

由于现有的室外光缆接头盒不满足使用要求，工程断面接头保护

盒结合工程应用环境定制，结构、耐水压性能检验方法分别参照YD/T814.3-2005《光缆接头盒第三部分：浅海光缆接头盒》第5.4节及附录B执行，其余性能指标参照YD/T814.1-2013《光缆接头盒第1部分：室外光缆接头盒》相关规定执行。

断面接头保护盒的尺寸需满足保护耦合器和断面尾纤汇接的空间要求，光缆安放装置有顺序地存放光纤接头和足够长的余留光纤。

5.2 主干传输光缆

工程所用主干传输光缆结合有压隧洞应用环境定制。

光缆主要技术指标：

1）应用环境：长期位于0.7 MPa压力隧洞光缆沟槽回填混凝土中；

2）光纤类型：G.652D光纤；

3）允许拉力（N/10 cm）：短期不小于 10 000，长期不小于5 000；

4）张力最小弯曲半径（m）：不小于 0.7 m，无张力最小弯曲半径（m）：不小于0.55 m；

5）允许光纤附加衰减：小于0.1dB；

6）光缆寿命：不小于25年。

光缆的耐水压性能检验方法参照GB/T18480-2001《海底光缆规范》附录C执行，其它性能指标参照GB/T 7424.3-2003《光缆 第3部分：分规范室外光缆》和GB/T 13993.2-2014《通信光缆第2部分：核心网用室外光缆》相关规定执行。

6 结论

1）通过采用光纤光栅传感器，解决了有压隧洞长距离监测断面信号传输问题，目前安装的225支光纤光栅式传感器运行良好，测值稳定，表明光纤光栅传感器在有压隧洞安全监测中的稳定性和实用性，可为长距离有压引水隧洞工程安全监测提供参考。

2）工程每个监测断面传感器均进行了串并联设计，实现监测信号的冗余采集，减少主干光缆光纤芯数和光纤光栅解调仪采集通道数。

3）结合有压隧洞应用环境，对断面接头保护盒、主干传输光缆提出定制要求，目前已安装的定制断面接头保护盒及主干传输光缆运行良好。

［1］SL 725-2016，水利水电工程安全监测设计规范［S］.

［2］国家电力监管委员会大坝安全监察中心.岩土工程安全监测手册（第三版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

［3］张俊.光纤光栅传感器在桥梁振动监测中的应用研究［J］.交通科技，2016，279（6）：12-14.

［4］潘恒飞，杨庆，周克明.FBG应变计在引水隧道二次衬砌安全监测中的应用与研究［J］.大坝与安全，2016（02）：11-13,18.

［5］徐国权，熊代余.光纤光栅传感技术在工程中的应用［J］.中国光学,2016（03）：306-317.

［6］周克明，杨建喜，钱亚俊.光纤光栅仪器在引水工程中的应用［J］.水利信息化,2015（04）：44-47.

［7］李飞，朱鸿鹄，张诚成.地基变形光纤光栅监测可行性的试验研究［J］.浙江大学学报(工学版).2017（01）：204-210.

［8］张玉宏，李双麟，纪林.光纤光栅技术在输水隧洞安全监测中的应用［J］.水利建设与管理，2012（增刊）：23-24.