陳光富，蔡德所，2，劉健夫，汪 青，楊 樂

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.廣西壯族自治區(qū) 水利廳，南寧 530023)

目前，鐵路路基沉降傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要有:沉降板、單點(diǎn)沉降計(jì)、剖面沉降管、沉降監(jiān)測樁等［1-4］。這些監(jiān)測方法的主要缺點(diǎn)是安裝復(fù)雜，干擾施工，影響施工質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集困難，尤其是均為點(diǎn)式測量，信息量太少，很難掌握整條鐵路路基沉降的變化。為了克服傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的缺點(diǎn)，本文介紹了一種新型的鐵路路基沉降監(jiān)測技術(shù)——分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)，探討了其基本原理，闡述了該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中光纜的選型、參數(shù)率定、鋪設(shè)及其它注意事項(xiàng)。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)該技術(shù)具有監(jiān)測范圍大、密度高、自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)精度高、抗干擾性強(qiáng)、對施工影響小等特點(diǎn)。該技術(shù)為鐵路路基遠(yuǎn)距離的沉降監(jiān)測提供一種切實(shí)可行的方法。

1 分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)基本原理

分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)是光時(shí)域反射技術(shù)OTDR(Optical time domain reflectometry)，它包括了對拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射3種散射光的光譜分析，光纖中的散射光譜如圖1所示［5］。沉降測量是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生布里淵散射的原理，即向光纖中注入脈沖光，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生向后散射光波，這些光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點(diǎn)軸向應(yīng)變和溫度的影響而改變，將散射回來的光經(jīng)系統(tǒng)處理后，便可將光纖沿線所測信息實(shí)時(shí)顯示出來，由光纖中光波的傳輸速度和入射光與反射光之間的時(shí)間差可定位光纖沿線所測信息。

脈沖光在光纖中的傳播速度會略低于真空中，測得入射光和反射光之間的時(shí)間差T，即可得到散射光的發(fā)射點(diǎn)距入射端的距離X為

圖1 光纖中的散射光譜

式中，C為光纖中的光速，C=C0/n(C0為真空中的光速;n為光纖的折射率)。

反射回入射端的光中，有一種稱作布里淵散射光。由于光纖單一截面上的布里淵頻移與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度之間呈線性關(guān)系，因此可運(yùn)用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)BOTDR(Brillouin optical time domain reflectometry)和布里淵分光技術(shù)，得到布里淵散射光頻譜［6］。

在溫差變化不大的情況下，布里淵頻移與溫度的相關(guān)性比應(yīng)變的相關(guān)性要小得多。若不考慮溫度的影響，光纖軸向應(yīng)變與布里淵頻移的關(guān)系可表示為［6］

式中，νB(ε)為光纖發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)布里淵頻移;νB(0)為光纖無軸向應(yīng)變時(shí)布里淵頻移例系數(shù)，主要由傳感光纖自身材料特性確定，一般設(shè)定為0.5 GHz/%;ε為光纖的軸向應(yīng)變。

若監(jiān)測區(qū)域溫差變化較大，則須考慮溫度的影響。這種情況下，需要同時(shí)測出光纖沿線的溫度，現(xiàn)有的技術(shù)也可滿足這種需求。此時(shí)，光纖軸向應(yīng)變和溫度變化與布里淵頻移之間的關(guān)系可表示為［7］

式中，Δν(x)為布里淵頻移變化量;Δε(x)為傳感光纖中距入射端面x處的應(yīng)變變化量;ΔT(x)為傳感光纖x處的溫度變化量;C1、C2為光纖的布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)。

分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)原理見圖2。

圖2 監(jiān)測原理

2 光纜的選型及參數(shù)率定

2.1 光纜的選型

在這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用中，光纜不僅起傳光作用，而且還起傳感作用，這就使得光纜的選擇和使用至關(guān)重要。目前市場上可用于監(jiān)測的光纜類型很多，選擇使用的光纜應(yīng)具有以下特點(diǎn):測量靈敏度高、抗拉性能好、不易折斷、耐腐蝕性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、彎曲性能良好、防水性能好(也可出于特殊需要，自行定制)。光纜橫斷面示意如圖3。

圖3 光纜橫斷面示意(單位:mm)

2.2 光纜參數(shù)率定

2.2.1 溫度率定

通常情況下，儀器在使用前需進(jìn)行率定。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在對路基進(jìn)行沉降監(jiān)測前，也需對光纜測溫的溫度常數(shù)進(jìn)行率定。鑒于目前國內(nèi)還沒有明確的光纜溫度測定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，只能依據(jù)光纜所處的環(huán)境溫度(環(huán)境溫度用常規(guī)溫度計(jì)測得)與系統(tǒng)監(jiān)測溫度成線性的關(guān)系這一原理進(jìn)行率定。方法如下:在恒溫槽中保持光纜自由不受外力影響，無彎曲變形，分別對光纜加熱(或冷卻)至溫度20℃，40℃，60℃三級標(biāo)準(zhǔn)溫度，保持每級溫度穩(wěn)定時(shí)間超過半小時(shí)，以使光纜暴露充分。對每級標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行多次測試對比，統(tǒng)計(jì)分析確定光纜的溫度參數(shù)。

2.2.2 應(yīng)變率定

依據(jù)系統(tǒng)測得的光纜應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變成線性關(guān)系這一原理進(jìn)行率定。保持光纜所處的環(huán)境溫度不變，分別在光纜的50 m、100 m、150 m長度處施加外力，產(chǎn)生穩(wěn)定形變后，利用其它儀器測得的應(yīng)變與系統(tǒng)測得的應(yīng)變相比較，經(jīng)過在不同外力下反復(fù)測試，確定光纜應(yīng)變參數(shù)。

3 光纜的鋪設(shè)

3.1 定位

定位考慮兩個(gè)方面:一方面由于分布式光纖環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，對埋設(shè)位置的約束較少，因此基本可根據(jù)監(jiān)測需要，把光纖埋設(shè)于任何需要監(jiān)測的位置;另一方面，要使光纜經(jīng)過常規(guī)沉降監(jiān)測點(diǎn)的位置，以便將光纜測得的沉降結(jié)果與常規(guī)測得的結(jié)果相比較。

由于鐵路路基斷面形式多樣，監(jiān)測要求不同，光纜較好的環(huán)境適應(yīng)性等，使得光纜的埋設(shè)方式具有多變性。圖4、圖5給出了兩種布置方式以供參考。

圖4 光纜布置方式1

3.2 埋設(shè)

光纜的埋設(shè)方法有開槽法、貼附法、鉤槽法、支架法［8］等多種方法。在鐵路路基實(shí)際施工過程中，綜合考慮對施工的影響及光纜埋設(shè)的安全性，可選擇鉤槽法。該方法鋪設(shè)速度快，簡便實(shí)用，效果良好。

3.3 保護(hù)

對于槽內(nèi)光纜，回填土需人工壓實(shí);對于從儀器到路基沿程的光纜，禁止人為覆蓋重物以及過度擠壓、彎曲。光纜埋入時(shí)，應(yīng)當(dāng)爭取埋設(shè)到設(shè)計(jì)線路上，以便形成保護(hù)層，并派專人看護(hù)線路。

圖5 光纜布置方式2

3.4 竣工

將光纜沿線關(guān)鍵位置(進(jìn)入口刻度、出口刻度、常規(guī)儀器監(jiān)測沉降點(diǎn)對應(yīng)刻度等)詳細(xì)記錄，特別是因工程實(shí)際需要與設(shè)計(jì)埋設(shè)地有出入的地方，要重點(diǎn)記錄，畫好竣工圖。

4 應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

1)沉降監(jiān)測工作成功與否的關(guān)鍵是光纜埋設(shè)的質(zhì)量。在施工過程中應(yīng)與施工方緊密配合，避免施工損毀光纜。埋設(shè)后要有專人看守，對光纜沿程加強(qiáng)保護(hù)，禁止對光纜過度扭曲、重物擠壓。日常的系統(tǒng)維護(hù)包括線路保護(hù)、端頭保護(hù)以及儀器保護(hù)。路基的分層鋪設(shè)中，每一層鋪完后，都要對光纜線路是否通暢進(jìn)行監(jiān)測。光纜若損壞，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)，否則較難補(bǔ)救。當(dāng)發(fā)現(xiàn)被截?cái)鄷r(shí)，應(yīng)及時(shí)開槽并熔接連通。盡量保證能進(jìn)行雙端測量。

2)光纜埋設(shè)竣工圖要在現(xiàn)場及時(shí)繪制。標(biāo)明每個(gè)轉(zhuǎn)彎處及特征點(diǎn)的長度值，確保光纜實(shí)際的空間位置能與每個(gè)監(jiān)測沉降值相對應(yīng)。

3)沉降監(jiān)測必須有固定的儀器安置點(diǎn)并有良好的防塵措施。測量過程中盡量減少光纜接口的頻繁插拔。儀器的搬動(dòng)要盡量避免，如果必須搬動(dòng)，要保證儀器不受大的振動(dòng)。應(yīng)該配置穩(wěn)壓設(shè)備并控制環(huán)境溫度。

4)施工現(xiàn)場除監(jiān)測儀器外應(yīng)備有光纜熔接機(jī)及相關(guān)配件，諸如光纜切割機(jī)、熱塑管、外套管、粘合劑等。光纜熔接工藝操作要熟練，接頭不能有拐點(diǎn)，熔接完成后需進(jìn)行損耗檢測。由于光纜熔接的好壞直接影響到測得的一系列數(shù)據(jù)的可靠性，我們應(yīng)盡量避免光纜的熔接。

5 結(jié)語

1)本文探討了分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測鐵路路基沉降的工作原理，詳細(xì)介紹了光纜的參數(shù)率定、埋設(shè)以及該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。

2)分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)在此只作沉降監(jiān)測，沒有對路基的水平位移做監(jiān)測［6］，光纖埋設(shè)方式單一，這些需在以后的工程實(shí)踐中予以完善。

3)光纖傳感監(jiān)測技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來［9］。分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測鐵路路基沉降相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測的場合更加寬廣、監(jiān)測的內(nèi)容更加豐富、監(jiān)測的數(shù)據(jù)更加精細(xì)。因此，我們相信分布式布里淵光纖傳感監(jiān)測技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

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