分布式光纤传感技术在输水隧洞工程中的应用

陆岸典，黄井武，姚晓庆，唐欣薇

（1、广东粤海珠三角供水有限公司 广州 511458；2、广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 广州 510635；3、广东科正水电与建筑工程质量检测有限公司 广州 510170；4、华南理工大学土木与交通学院 广州 510640）

0 引言

目前，大多数输水隧洞以传统点式传感元件作为隧洞衬砌结构的主要测量手段，如振弦式、差阻式传感器等。该类传统点式传感器应用广泛，价格便宜，定点测量时能稳定地获取测量数据，但存在着不可忽视的弊端，如引线繁多、安装复杂、检测效率低等，且点式传感器只能进行局部定点测量，不能获取连续不间断的结构响应分布。

分布式光纤是一种以光导纤维作为载体进行测量的传感技术，相比传统的点式传感器，分布式光纤传感器具有长距离、分布式、高精度测量及抗干扰和抗腐蚀性强、质量轻、体积小等优点［1］，兼之其安装较为轻便，近年来，开始逐渐应用到土木工程监测领域中［2-8］，且技术日臻成熟。为弥补现有输水隧洞测量中常规点式传感技术的不足，本文引入分布式光纤技术对隧洞衬砌结构进行测量，探讨了分布式光纤传感技术在输水隧洞工程中的应用。

1 光纤传感技术

1.1 工作原理

光纤传感技术是以光波作为载体、以光导纤维作为传输介质的新型传感技术，能高效、准确地感应测量信号，并沿光纤进行传输，进而被探测器捕捉并经处理器处理成可用信息。光纤感测系统主要包括光源、传输光纤、传感器、探测器及信号处理器等（见图1）。其中，光纤中探测器与信号处理器组成光纤解调仪，是光纤测量的重要组成部分，直接决定了测量结果的优劣。

图1 光纤传感技术的基本原理Fig.1 Basic Principles of Optical Fiber Sensing

但光纤传感技术因其材料及工作原理亦存在不足之处，如光纤解调时间长和易损坏等。随着测量距离的增加，光纤解调仪的解调时间也将变长。而测量所使用的光导纤维主要成分为SiO2，易因弯折、挤压等发生损坏，在使用过程中应加强保护。

1.2 技术分类

分布式光纤传感技术包括准分布式与全分布式两类。

1.2.1 准分布式

准分布式光纤传感技术（见图2）将多个传感器串联在一起，一根光纤能同时测量多个测点，如光纤布拉格光栅（FBG）。

图2 准分布式光纤传感Fig.2 Quasi-distributed Optical Fiber Sensing

光纤布拉格光栅是通过相位掩模法等刻写技术改变纤芯折射率形成的窄带滤波器，其测量精度高且稳定性较好，信号解调速度快，但因同时对温度和应变敏感，使用时为消除温度误差需进行温度补偿。

1.2.2 全分布式

全分布式光纤传感技术（见图3），光纤既是传输介质又是传感器元件，基于光的散射通过解调光纤散射光信息可获取温度、应变等信息，极大地减少了传感器数量及传感设备所占用空间。

图3 全分布式光纤传感Fig.3 Fully Distributed Optical Fiber Sensing

光纤传输中产生的散射光分瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射3 种，结合频域和时域解调差异，全分布式光纤解调技术可分为瑞利光时域反射计（OT⁃DR）、拉曼光时域反射技术（ROTDR）、布里渊散射光分析（BOFDA、BOTDA、BOTDR）等。常见的几种全分布式光纤感测技术对比如表1所列。

表1 常见的几种全分布光纤感测技术对比Tab.1 Comparison of Fully Distributed Optical Fiber Sensing Technologies

1.3 与传统传感器的对比

饶志强等人［9］针对岩土工程中光纤传感器和传统点式传感器开展了对比试验，结合船闸深孔结构、沿江堤防等工程案例，分析得到前者各项性能指标优于后者，灵敏度高出1～2个量级，具有精度高、量程大、抗干扰强等优点。因而，该技术目前已逐步推广于长距离隧道、油气管线泄漏、边坡稳定、大面积地裂缝变形等监测工程中。此外，该技术亦推广应用于复杂结构科研试验，验证了分布式光纤能够准确定位，可直观反映多层复合结构断面连续变形规律，弥补了传统测量技术散点间断测量、精度较低、抗干扰较差等不足，极大地提高试验测量的成功率与测试效率［10］。

2 应用案例

2.1 工程概况

珠三角水资源配置工程是国务院要求加快建设的172 项重大水利工程之一，全长113.2 km。输水隧洞结构选型极为复杂，需开展衬砌结构原位试验，探讨结构承载机理，为结构选型提供参考。本文以“管片-自密实混凝土-钢管”（见图4）叠合式衬砌结构原位试验为例，介绍分布式光纤传感技术的应用与实施案例。

图4 叠合式衬砌结构Fig.4 superimposed linings structure

作为一种联合承载的衬砌结构，叠合式衬砌结构具有充分发挥材料性能、可承受高内压等优势，但衬砌结构承载机理复杂，需要针对结构各部位变形特征及受力性能进行测量。为更好地获取衬砌结构的相关测量数据，监测结果应满足连续测量、少引线、施工便捷等要求，为弥补传统点式传感器的不足，原位试验广泛引入分布式光纤技术，如图5所示。

图5 应用分布式光纤传感技术Fig.5 Distributed Optical Fiber Sensing Application Technology

2.2 光纤测量方案

借助于分布式光纤传感技术，本次试验需获取以下测量内容：①外衬管片内表面混凝土应变分布；②中衬SCC应变分布；③内衬钢管应变分布。

针对不同材料及构件，本次测量采用准分布式光纤布拉格光栅（FBG）和全分布式光纤进行监测，FBG光纤用于管片内表面混凝土应变监测，全分布式光纤用于钢管外表面应变和SCC 外表面混凝土应变监测。监测部位及现场施工照片如图6所示，仪器参数如表2所示。并采用图7 所示的NZS-FBG-A02 光纤光栅解调仪和fTB 5020 布里渊光频域分布式光纤应变/温度解调仪。

表2 监测仪器及参数Tab.2 Monitoring Sensors and Parameters

图6 监测部位及现场施工Fig.6 Monitoring Sites and On-site Laying

图7 BOFDA及FBG解调仪Fig.7 BOFDA and FBG Demodulators

3 结果分析

光纤布拉格光栅监测结果如图8所示，应变以受拉为“+”，受压为“-”。

3.1 管片混凝土监测结果分析

图8结果显示，随内压的增加，混凝土整体呈现受拉趋势。混凝土应变在0～0.15 MPa变化较大，与试验内压加载模拟方案［11］有关，加载系统安装耗时较长，致使结构发生一定变形。

图8 测试结果Fig.8 Monitoring Results

位于拱顶处B1-1 测点管片混凝土应变最大，拱侧的B2-2和F测点混凝土应变则相对较小，应变过渡相对较为平缓。

3.2 自密实混凝土监测结果分析

自密实混凝土浇注前，地层荷载已由管片衬砌变形所平衡。SCC 浇注后，可认为地层引起的自密实混凝土初始应变较小。

当拉应变超出C30 峰值拉应变+95 με 时，可认为自密实混凝土已发生开裂［12］。监测结果表明，自密实混凝土外弧面应变沿环周方向有多处拉应变峰值，应变随隧洞内水压力上升而增加。0.35 MPa 内压时，沿环周25°、110°和186°自密实混凝土最先发生开裂；0.75 MPa 内压时，开裂区域达近10 处，与实际中混凝土裂缝多处发展相符，而此时右拱肩L1 块（25°附近）最大拉应变为+542 με。

3.3 钢管监测结果分析

相比自密实混凝土的集中开裂，钢管应变比较均匀，内压加载过程中，钢管外弧面环向拉应变逐渐增大，即钢管表现为向外膨胀的变形趋势。

因内压加载装置存在安装空隙，且自密实混凝土开裂会引起钢管应力分布改变，联合受力结构钢管在圆周方向上应变存在多处波峰波谷交错现象，说明钢管呈现为整体受拉、局部受弯的拉弯状态，与文献［11］所述分开受力结构相符。

4 结论

本文以光纤传感技术为研究对象，详细地介绍了光纤传感技术的原理、分类及特点，并以珠江三角洲水资源配置工程输水隧洞为例阐述了分布式光纤的应用及布设工作，结果显示，随着内压的增加，衬砌结构呈现受拉趋势，拉应变过渡较为平滑，监测结果符合工程实际。

分布式光纤传感技术具有精度高、监测效率高、稳定性好、仪器安装便捷等优点，在工程实践中可在较短的时间内完成仪器铺设及测量工作，在空间上获取连续应变监测结果。分布式光纤传感技术在输水隧洞领域应用前景广阔，具有良好的推广应用价值。