定点式布设光纤技术在管道变形监测中的应用研究

白纯钢王西地 杨萌

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 北京 100083 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司 北京 100010）

1 研究背景

城市排水管网是城市排水设施重要的组成部分，是城市的“地下血脉”。随着城市的发展，排水管线的长度在过去的20年里飞速增长。与城市燃气、输油、供水等管网设施相比，排水管网具有管道新旧混杂，结构材质多样，对基础和地基扰动敏感等特点，因此排水管结构在外力作用下极易发生变形破坏。近年来地下空间开发利用加剧了对排水管的扰动和影响，施工造成地下排水管损坏的案例逐渐增多，排水管结构的安全监测和管网破坏的预防预控已经成为排水行业亟待解决的问题[1]。

污水管道安全检测方法可以分为污水管道泄漏检测方法和污水管道防破坏预警方法，污水管道泄漏检测方法主要有人工巡线检测法、漏磁检测法、超声检测法、照相检测法、质量/流量检测法和负压波检测法等，目前技术发展已较为成熟，但受制于检测机理的原因，不能对污水管道的变形及时作出预警，只能用于管道泄露后的抢险与补救。因此，作为一种科学、可靠的监测方法，光纤传感技术近年来已被广泛地应用于航空航天、国防军事、土木、水利、计量测试电力、能源、环保、智能结构、自动控制等众多领域，尤其在输油管道和燃气管道监测中发挥了巨大作用，且表现出长距离，大范围，长期稳定、耐腐蚀、成本低、测试精度高、定位精确等优点[2]。

2 定点式光纤应变监测技术

定点式光纤有多层结构，其内部的传感光纤采用定点注胶的方式与光缆的护套固定在一起。在两个固定点之间，传感光纤与护套处于松套状态，进而将岩土的变形均匀分布在两个固定点之间，实现岩土体变形的分段获取，如图1所示。为满足岩土体变形的监测要求，两固定点间的传感光纤应预先张拉。

图1 定点感测光纤结构

定点式应变传感光缆采用独特的内定点设计，实现空间非连续、非均匀应变的分段测量，具有极好的机械性能和抗拉抗压性能，能与岩土体、混凝土结构很好地耦合。定点式应变传感光缆具有分布式监测、监测范围大、传感装置简洁、安装方便以及易于实现自动化监测等特点。根据测量结果可直接进行位移换算，可用于各类岩土体大变形的监测，如地面沉降、地面塌陷、地裂缝、混凝土结构变形等。定点式应变传感光缆既能够对已有裂缝进行监测，也可以通过二维或者三维网格化布设，实现一定区域内多条裂缝的监测[3-6]。

3 管道变形模型实验

3.1 实验目的

为了验证分布式光纤监测的可行性与可靠性，本实验利用分布式光纤监测排水管变形的人工升降台来模拟排水管变形。

3.2 实验概况

本次实验中，将五个升降台将五个内径为800mm、长为2.5m的排水管串联进行两组实验，采用定点布设光纤的方式将一条光纤沿排水管外壁中部自上而下布设一个回路，如图2所示。串联在一起的5个排水管存在4个连接承插口，分别记为A、B、C、D。为了使承插口处的光纤处于拉紧状态，在承插口两侧安装两个卡具，通过计算两个卡具之间的平均应变可以求出对应光纤段的拉伸量。升降台的调节装置位于其正下方，通过人工调节升降台高度使管节承插口处发生变形，从而利用定点光纤对该变形进行监测，并利用卷尺测量每个承插口处的光纤拉伸量。通过分析排水管变形程度与光纤应变变化之间的关系，从而验证分布式光纤在排水管变形监测中的可行性。通过对比分析光纤监测与卷尺测量的光纤长度变化量两种数据，从而验证分布式光纤在排水管变形监测中的可靠性。

图2 实验管道模型

3.3 数据采集

（1）光纤安装完毕之后，取初始值，包括：光纤初始频率、每个承插口两端卡具之间的光纤长度。

（2）将B插口两端乘降台下放3mm，测量每个承插口两端卡具之间的光纤长度，并测量光纤频率。

（3）将B插口两端乘降台累计下放5mm，测量每个承插口两端卡具之间的光纤长度，并测量光纤频率。

（4）继续将C插口两端乘降台累计下放5mm，测量每个承插口两端卡具之间的光纤长度，并测量光纤频率。

（5）继续将B插口两端乘降台累计下放15mm，测量每个承插口两端卡具之间的光纤长度，并测量光纤频率。

（6）继续将C插口两端乘降台累计下放15mm，测量每个承插口两端卡具之间的光纤长度，并测量光纤频率。

4 实验结果分析

根据实验测量结果用中误差表示定点式光纤监测技术的监测精度，具体公式如下：

其中：V=v-T，v-定点式光纤所测变形值；T-卷尺所测变形值（可视为真值）；n-测量实验结果组数。

经计算定点式光纤监测技术测量中误差为±0.39mm，通过二者实验数据对比，可以看出两种监测结果有很好的一致性，对比结果及误差值如图3、图4所示。

图3 光纤监测与卷尺测量值对比

图4 两种监测手段相对误差值

5 结论

本文采用定点式光纤监测技术与卷尺直接测量两种手段对管道承插口间的变形量进行了对比实验，得到以下结论：

（1）实验结果表明：定点式光纤监测技术测量中误差为±0.39mm，说明本技术的监测精度为±0.39mm，同时根据两种监测手段数据对比，可以看出二者监测结果有很好的一致性，满足相关工程规范要求，验证了应用定点式光纤监测技术在管道变形监测的可行性。

（2）采用定点布设的方法，可提高感测光纤的监测精度和量程，有效捕捉到分布于两个定点间裂缝的发生和发展，从而对管道的危险区域给予及时的预警。

（3）定点式光纤监测技术具有分布式、长距离、耐腐蚀、直接监测等技术优势，是管道变形监测一种十分有效的新手段，能很好地满足管道变形监测的需要，在管道变形监测中具有广阔的应用和推广前景。