光纤传感网络技术在岩土工程安全监测中的应用

王毅

摘要：在岩土工程施工过程中，外部环境相对较差，受材料破坏、地质灾害、使用方法和疲劳效应等多方面因素的影响，工程结构可能存在开裂变形、地基沉降和稳定性衰减等问题。因此，加强健康评估和安全监测迫在眉睫。针对光纤传感器具有精度高、抗干扰、成活率高等优点，以光纤传感器的原理和分类为突破口，详细阐述了其在岩土工程中应用的关键技术问题，并以分布式光纤传感技术为例，对其布设方法进行了分析，为岩土工程安全监测提供一定的理论参考。

关键词：光纤传感技术;岩土工程;安全监测

光纤传感技术的发展和应用由来己久，早在20世纪80年代就在美、英、日等国家进入了实用化，其是依托于半导体光电技术、计算机网络技术及光纤通信技术而发展起来的新型技术，具备宽带大、耐环境、体积小、强度高、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰等诸多优势，并在智能电网、铁路监测、石油工业等多领域中得以推广和应用，而当前“中国制造、一带一路”等国家战略的提出和实施，公路、桥梁、石油、矿山等沿途工程建设数量和规模将快速增加，但因为岩土工程设计基准期较长，使用环境较为恶劣，且容易受到外界环境负载、疲劳效应及材料老化等因素的影响，工程结构容易出现边坡的失稳破坏、混凝土结构开裂变形、地基基础沉降等问题，因此，将支持大规模、高密集、多点网络式和分布式测量引岩土工程安全监测及健康评估之中，并就布设方法及关键技术问题进行深化研究具有重要的现实应用价值。

一、光纤传感器技术的概述

光纤传感技术是依托于半导体光电技术、计算机网络技术及光纤通信技术而发展起来的技术，其具备宽带大、耐环境、体积小、强度高、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰等诸多优势。

1.1光纤传感器技术的工作原理分析

光纤传感器技术是集成光电技术、光导纤维及光通信技术于一体的综合性应用技术，与传统传感器技术的最大区别是其以光纤为导体，其具备高精度、环境耐受力、抗干扰性、实时监测及高效传输性，尤其适用于空间狭小、潮湿、腐蚀性强等特殊环境，也因此被广泛应用在石油、矿场、隧道、电力及水利工程之中，其基本工作原理是借助光纤对温度、压力等外部环境的敏捷感知力，将光源发出的光经光纤耦合后传输至调制器，促使监测参数与进入调制区的光互相作用后，引发传输光波强度、频率、相位、偏振态、温度、压力、位移等物理特征参数发生直接或间接改变，而后将光纤作为传感元件来测量光参数的变化，从而完成监测外界被测物理量的目的。

1.2光纤传感器技术的主要类别

根据岩土工程安全监测的实践分析，依据随距离增加可否实现被测量基体的连续监测划分为：点式、准分布式和分布式等几类，其中，点式光纤传感技术存在迈克尔逊干涉传感技术和非本征型法布里-珀罗干涉传感技术几类，对于结构局部变形的高精度监测具有较强适用性，准分布式光纤传感技术是基于光纤布拉格光栅，通过波分复用、时分复用和空分复用技术，构建多点准分布式传感网络系统实现，分布式光纤传感技术是依据沿线光波分布参量，并获取对传感光纤区域内随时间及空间变化的被测量的分布信息，适用于长距离、大范围的持续性监测。

1.3光纤传感技术优势

作为我国岩土工程安全监测工作中的重要工艺，其具有以下優势：①较高的可靠性。因光纤光栅是使用波长编码的形式进行信息的监测的，而波长又是一种绝对的参数，所以，其不会受到因光源功率的波动以及光纤弯曲等因素的变动引起的系统损耗的影响，基于此，光纤光栅传感器具有较好的可靠性以及稳定性。②具有抵抗干扰的能力。监测量是一种波长信息，且其不会受到因光源功率波动以及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，所以，其具有较好的抵抗电磁干扰以及腐蚀的能力，且具有较好的电绝缘性，同时，其导线以及传感器也具备较好的防雷功效，也不会受到潮湿环境的影响，耐久性也较好，并且还具有抵抗包括高温在内的恶劣环境以及化学侵蚀的能力，抵抗环境的能力较强。③具有较高的灵敏度以及测量精度。精确的透射还有反射特征使其能够更加准确的反映应力以及温度发生的变化。但光源谱宽对其测量动态实际范围存在一定的限制，且不存在多值函数问题。④较高的测量效率。将多个光纤光栅传感器运用于单路光纤中，可以形成一种分布式的光纤传感网络，同时还能对大型的工程进行分布式的测量，且其测量点较多，测量的范围也较大。⑤具有较好的适应性。对于光纤传感技术来说，其中使用的传感头的具体结构相对简单，且其尺寸也较小，质量也轻，能够在各种各样的应用场合中运用，特别适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。

二、光纤光栅传感器技术指标选择

2.1中心波长

在FBG反射光谱中对应的反射峰值实际波长即为反射谱中尖峰的中心波长。同时，这些峰值的波长会随着被测量环境物理量的变化发生一定的变化，例如当温度升高或是应变增大时，FBG传感器的峰值波长会变长。此外，如果一个峰值的波长为1535.050nm的传感器从25℃加热到35℃时，传感器的峰值波长将会增加到1535.150nm，且每℃变化为10pm。

2.2反射率

所谓反射率，即为FBG反射光谱中反射峰值的功率与入射光功率的比值。具体来说就是，随着光纤光栅反射率的增高，返回到测量系统的光功率就越大，同时，相应的测量距离也就越大，且反射效率也会越来越高，而带宽越窄，光栅则会越稳定。此外，较小的反射概率使得噪音对其的影响较大，而对波长查询仪器工作的要求就会越来越高，进而对测量的精度造成一定的影响。这时，为了能够获得最好的性能，光栅反射率一般都需大于90%，但在单纯的强调高反射率的同时，也需全面考虑到边模抑制。

2.3传感器的长度

对于岩土工程的安全监测工作，传感光栅的长度是决定测量点精确程度的重要因素，具体来说，光栅的长度越小，测量点就越精确。但在实际操作过程中，还需对光栅涉及的各种参数进行全面的考虑，且光栅越短，反射率就会越低，带宽则会越宽。在光栅很短的情况下，其反射率以及带宽都是很难满足相应的要求的，所以一定要在做好此三者的协调。此外，对于0.25nm的带宽，传感器光栅的物理长度应为10mm，这个长度适合于大多数物理量的监测应用。当然，通过改变带宽，不同的传感光栅长度也是可以达到相应的工程安全监测的要求的。

2.4传感器波长间隔

所谓的传感器的波长间隔，其主要是指两个FBG中心波长的差。其中，对于FBG传感器阵列，其主要涉及了大量的传感光栅，因此，必须要确保能“寻址”每一个光栅，也就是按照独立的变化中心波长确定每一个光栅。这就要求每个通道内各个光栅的中心波长以及其工作范围要不产生重叠现象，这时需考虑以下两方面的内容：传感光栅之间的缓冲区以及每个传感光栅的探测范围。此外，岩土工程安全监测工作中具体探测范围是由测量范围决定的，且测量范围越大，探测范围就越大。

2.5缓冲区

对于岩土工程安全监测工作中两个相邻的传感光栅，必须要留置一个缓冲区域，并以此来确保第一个光栅最大波长与第二个光栅最小波长不相交。同时，在安全监测过程中，还需考虑到传感器在制造过程中存在的中心波长的误差，一般为±0.5nm，精度比较高大约为±0.05nm。且必须将这个误差加到缓冲区内，进而保证设计的间隔符合相应的标准。所以，在进行光纤光栅传感器的选用时，要综合考虑传感器数、传感器波长间隔、缓冲区和测量范围等内容，进而使其满足所需的要求。

三、光纤传感器技术在岩土工程安全监测中的关键技术问题

3.1光纤传感器与被测基体的耦合

在岩土工程结构变形测量中，因受封装材料、中问介质力学特质及尺寸效应等的干扰，光纤传感器应变与被测基体实际应变不能归一为1：1的关系，而是存在一个应变传递过程，对于测量基体变形的精准测量具有重要影响，而工程监测中应变传递率多通过提升光纤传感器与被测基体的耦合性来实现，而这需要保持光纤传感器表层材料及中间耦合材料与被测基体材料的契合性，以规避滑动、移动问题，而且还要确保两者力学特性的相似，以最大限度维持同步变形，预防严重的剪切位移，耦合材料存在原位与自配之分，但都是为了与原位材料保持特质的相似性，以提升应变传递率。

3.2光纤传感器的二维变形监测

光纤传感器是沿轴向的一维变形，因材料特性的影响，其不能承受较大的横向剪切变形，实际测量中，受轴向变形和横向变形的双重作用，为此，光纤传感器技术是置于二维或三维变形环境中的一维监测手段，无法有效监测结构变形状况，需要对光纤传感器的布设方式和结构进行改进，以完成二维、三维结构变形监测，目前常用的二维变形监测方法有：首先，光纤应变化，Lienhart将3个大型SOFO光纤传感器依照120。角度布设于同一水平面上，构造成应变花结构，根据测得不同方向上的应变，可得出应变椭圆弧度ϕ变化;其次，基于FBG的节理式偏斜仪水平位移监测，也即借助节理式设计来限制光纤的轴向变形，可在某一方向自由弯曲，利用应变与旋转角度关系计算水平位移，但存在±2。的最大可量范围限制，实用性较差。

3.3光纤传感器的三维变形监测

在运用分布式光纤传感器技术进行工程监测时，可将3～4根分布式光纤传感器等角度沿轴向粘贴到杆体或管体表面，此种布置方法可支撑该光纤传感器的三维变形测量，方法是基于弯矩的积分计算，依据协管4个方向的应变数据信息来对水平和垂直方向的变形量进行反推，位移灵敏度可达1mm·m-1，最大安全位移为15mm.m-1。ITEN等在边坡桩基上布设了4根分布式传感光纖测量其滑动量，并与3年测斜仪监测数据进行比较，结果表明该方法能够有效监测边坡稳定性。

四、光纤传感技术在岩土工程安全监测中的应用分析

为详细分析光纤传感器技术在岩土工程安全监测中应用的布设方案，本文以某大型水电工程为例，运用分布式光纤传感器技术来监测基座沿坝轴线方向存在的裂缝位置与宽度，以监测基座在施工期蓄水期及运行期的变形工作状态，从而及时修护裂缝、渗漏，具体而言，光纤传感在混凝土基座捏的布置范围为坝0+130.00～0+340.00，将两条连续分布的折线形光纤传感器回路布置在心墙基座内，形成4条布设在成型钢筋下方的传感光路组成的监测空间，各个光路由3种以折线形水平和垂直分布的传感光纤构成，光缆沿监测廊道、灌浆廊道分段分层由左向右，引入右岸廊道内的监测室。上层光纤水平布置于基座顶面高程以下30cm处，先用光纤形状的Ф6.5钢筋固定在顶面下第二层Ф36的受力钢筋上，在完成全部钢筋的绑扎焊接后，而后在Ф6.5钢筋上进行传感光纤绑扎，下层上游侧面光纤以立式方式布置在一期混凝土防渗墙凿除段顶缝面上的一层钢筋上，在受力钢筋上将冷弯成型的Ф6.5钢筋并排焊接，在焊接完成全部钢筋后，在Ф6.5钢筋上进行光纤绑扎，下游侧光纤以立式方式在最外层受力钢筋外侧焊接Ф6.5钢筋，而后在Ф6.5钢筋上完成光纤绑扎。完成上述布设后，将进行模板的架立，光纤埋设时应确保安全与稳定性，混凝土入仓时、端槽入仓应避免与光纤的冲突，为预防已布设光纤的损坏，振捣器须与光纤距离20cm之上，光纤盘在每浇筑仓末端由堵头模板内引出后放置在保护钢箱内，完成光纤布设后以通导仪来检测其光纤通导状况，存在断点的，应以光纤熔接机予以及时修补。在混凝土防渗墙基座内光纤是以折线形构型布置的，其折线波长、高、夹角分别为135cm，50cm，10.69°，光纤曲率半径≥60cm，光纤露头以大于5mm壁厚的橡胶管予以保护，同时，要尽力保证光纤的完整性，尽量不留接头，最终将所有终端盒联接后通过传输光纤引入监测室。完成布设后，根据实际检测，左岸、河槽段、右岸三测区传感光纤运行良好，可以支撑基座所有关键部位渗漏及裂缝的监测，成活率达到52%，与常规监测技术相比具有应用优势性。

结语：

在我国，岩土工程安全监测广泛采用传统的电量测试技术，但由于工程因素和自身技术的限制，这些测试技术很难满足岩土工程测试的某些要求。大型岩土工程的结构和基础设施体积大、跨度大、分布面积大、使用寿命长。传统的电气传感设备组成的长期监测系统在性能稳定性和耐久性方面已不能满足工程实践的需要。

参考文献

[1]张桂云.光纤传感技术在岩土工程安全监测中的应用浅述[J].建筑工程技术与设计，2017（35）：663.

[2]汪晓丰.光纤传感网络技术在岩土工程安全监测中的应用[J].低碳世界，2015（22）：128-129.

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