葉雷震，宋漢耀

（1.杭州市水利水電工程質量安全管理服務中心，浙江 杭州 310016；2.杭州市千島湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

隨著水利水電工程的快速發(fā)展，水利水電項目中隧洞建設的規(guī)模和距離日益趨增，水工隧洞設計及施工直接影響隧洞使用年限[1]，而安全監(jiān)測又是水利工程建設施工和工程安全評估不可缺少的部分。目前，振弦式和電阻式監(jiān)測設備的穩(wěn)定性受檢測距離限制，難以滿足遠程工程監(jiān)測需要。設備電纜長度超過一定范圍，會對傳感器數(shù)據(jù)的精度和可靠性產生影響，難以正常獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。光纖光柵FBG技術采用可適應長距離傳輸?shù)墓饫w作為媒介，將對應的解調設備安裝于終端，實現(xiàn)安全監(jiān)測半自動化?；诤贾莸诙辞u湖配水工程，本文主要介紹光纖光柵監(jiān)測儀器在長距離水利隧洞中的應用。

2 工程概況

千島湖配水工程從新安江水庫上游淳安金竹牌村附近取水，通過全封堵暗管將水引至杭州市閑林水庫配水井進行水量分配，為杭州市民提供優(yōu)質的千島湖原水。千島湖—閑林水庫輸水建筑物包括輸水隧洞、埋管、跨江建筑物、沿線事故檢修設施、交通洞以及閑林控制閘等。千島湖—閑林水庫輸水線路長113.22 km，其中輸水隧洞混凝土襯砌段長約102.29 km，平底圓形斷面，襯后直徑6.7 m。

3 FBG傳感檢測原理

FBG傳感檢測是通過改變纖芯區(qū)折射率，產生小的周期性波動，通過調制器解碼生成成果。當檢測點或周邊溫度和應力發(fā)生變化，光纖在軸向上隨之產生變化，傳輸周期變大而光纖芯層和包層半徑變小，通過光的彈性效應改變光纖折射率引起光柵波長偏移，擬合計算得到被測結構的應變量。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 FBG傳感系統(tǒng)原理圖

在光纖中，由于纖芯折射率在光纖的軸向上呈現(xiàn)周期性變化，形成FBG，同時在一定條件下，當入射波長與FBG的周期符合公式（1）時，光柵對入射激光進行反射。FBG反射的波長λB與柵格間距及光纖折射率呈線性函數(shù)關系，光纖軸向發(fā)生應變或溫度變化即可引起柵格間距及折射率的變化，反射波長也隨之發(fā)生相應改變，通過檢測λB的變化量得到光纖變形量或溫度變化量。

式中：λ為反射波波長（mm）；neff為光纖纖芯折射率；Λ為光柵柵距（mm）。

研究發(fā)現(xiàn)，應變和溫度均與中心波長λB存在很好的線性關系，且相互獨立，其關聯(lián)公式見式（2）。

式中：αε為光纖光柵應變的靈敏系數(shù)；αT為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)；ΔT為溫度變化值（℃）；ε為應變量。

隨著技術的不斷發(fā)展，F(xiàn)BG波長解調精度最高可達1 pm，應變測試精度可達1個微應變，溫度解調精度可達0.1 ℃。光纖光柵主要通過測量FBG反射波長變化，從而實現(xiàn)光纖光柵應變或溫度測量。由于應變測試精度非常高，將FBG通過特殊手段加持到彈性元件上，經過精密加工，最終可成為壓力、位移、傾斜及應力等性能可變的傳感器，實現(xiàn)多元化變量的傳感測試技術。

4 監(jiān)測布置及技術要求

4.1 監(jiān)測布置

采用光纖光柵鋼筋計及光纖光柵應變計對混凝土襯砌應變及鋼筋應力進行監(jiān)測[2-4]。本工程共布置3個監(jiān)測斷面，分別位于石毛畈主支洞交匯部位、江家弄淺埋段及西塢山主支洞交匯部位。每個斷面布置10支混凝土應變計、2支溫度計和1支無應力計監(jiān)測斷面的襯砌應變情況，布置7支鋼筋應力計和1支溫度計監(jiān)測斷面的鋼筋受力變化情況，合計每個監(jiān)測斷面共布置21支光纖光柵傳感器。光纖光柵儀器典型斷面監(jiān)測布置見圖2。

圖2 光纖光柵儀器典型斷面監(jiān)測布置圖 單位：cm

由于儀器采用串聯(lián)的方式，為防止采集過程中設備或線纜斷路造成數(shù)據(jù)丟失，施工過程中將兩端光纖引出，以保證數(shù)據(jù)通道的有效性，最終在斷面匯合，采用主光纜合并連接后引至終端解調儀位置。通過對儀器波長的采集和出廠設定的參數(shù)系數(shù)進行分析計算，得出斷面位置的應力應變變化情況[5]。光纖光柵儀器斷面監(jiān)測系統(tǒng)結構見圖3。

圖3 光纖光柵儀器斷面監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖

4.2 光纖光柵監(jiān)測技術要求

4.2.1 傳感器現(xiàn)場檢驗

（1）光纖光柵設備安裝埋設后，大多無法進行更換和維修，所以在監(jiān)測設備到場后需要進行現(xiàn)場檢驗，以保證儀器的有效性?，F(xiàn)場使用特定的檢驗設備，對儀器應力進行分段改變并采集數(shù)據(jù)，計算儀器設備的參數(shù)并與儀器出廠參數(shù)進行比對，判斷儀器的可靠性和穩(wěn)定程度。

（2）光纖光柵解調儀器包括用于現(xiàn)場儀器檢驗的標準設備，必須保證在檢定有效期內。

4.2.2 安裝埋設技術要求

（1）前期準備工作包括溝通協(xié)調和現(xiàn)場情況踏勘。初步了解現(xiàn)場地質情況、儀器設計布置方案以及法律法規(guī)規(guī)定的相關技術要求；盡量在穩(wěn)定、安全且光線充足的室內環(huán)境做好光纖光柵傳感器的組裝和熔接準備工作；現(xiàn)場安裝時，輔助機械、主要工具和安全防護設施必須保證到位。

（2）光纖光柵傳感器的安裝埋設需考慮走線和布線，注意光纖線纜的曲率問題和安裝要求，不能隨意彎折或者彎曲角度過大導致光纖內部纖芯破碎，應嚴格按照相關規(guī)程規(guī)范、設計要求進行[6]。

（3）安裝埋設后對監(jiān)測儀器和線纜的保護要穩(wěn)固、隱蔽，盡量不干擾其他作業(yè)，并且在交叉作業(yè)位置做好旁站保護工作。

5 結 語

目前廣泛使用的振弦式和電阻式監(jiān)測設備，難以滿足長距離隧洞遠程監(jiān)測的需要。光纖光柵監(jiān)測儀器在杭州市第二水源千島湖配水工程運行期監(jiān)測中的應用結果表明：光纖光柵FBG采用可適應長距離傳輸?shù)墓饫w作為媒介，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作的半自動化，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的前提下，大大提高監(jiān)測成果的準確性和可靠性。