光纤光栅传感监测在拱坝地质力学模型试验中的应用

杨庚鑫，张 林，朱鸿鹄，陈 媛，胡成秋

(1.四川大学 a.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室;b.水利水电学院，成都 610065;2.香港理工大学 土木及结构工程学系，香港)

1 研究背景

光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器，可测量的物理量包括位移、应变、应力和温度等［1］。由于其具有波长解码、体积小、易构成分布式结构、灵敏度高、耐腐蚀抗电磁干扰强等特点，光纤光栅传感器已经成为一种重要的参量检测手段。因此，近年来随着光纤光栅传感技术的逐渐成熟，其在工程监测领域得到了广泛的应用，中国科学院力学研究所的李世海［2］以及清华大学水利水电工程系的李仲奎［3］等人分别利用光纤光栅传感器对抗滑桩模型试验以及地下结构三维地质力学模型试验进行了初步研究。而大型水利水电工程的兴建，需要通过水工地质力学模型研究成果作为重要的设计依据，但对于光纤光栅传感器应用在水工地质力学模型试验中的研究却少有报道。

水工地质力学模型是按照一定的相似原理对工程进行缩尺研究的一种试验方法，能够较准确地反映出地质构造与工程结构的空间关系，模拟岩体、上部结构的破坏全过程，得到地基的极限承载能力，通过分析破坏机理，得出模型的综合稳定安全度，作出工程的安全性评价［4－6］。近年来，本课题组采用超载和强降相结合的综合法试验，先后应用于锦屏一级拱坝［7］、溪洛渡拱坝［8］、小湾拱坝［9］、白鹤滩拱坝以及大岗山拱坝［10］等地质力学模型试验，取得了比较满意的试验成果。

在水工地质力学模型试验中，通常采用表面位移计、电阻应变片和内部位移计等监测仪器对坝体下游坝面的应变和位移，以及两岸坝肩抗力体和软弱结构面的变位进行监测。而由于坝体上游坝面布置有传压和加压系统，受空间限制，对上游坝面的应变监测和开裂过程的了解有一定的难度，然而，上游坝面的应变分布及变化情况又是判定坝与地基整体稳定和坝体初裂荷载及部位的重要依据，所以，在确保上游坝面传压及加压系统稳定和准确的基础上，如何监测拱坝上游坝面的应变分布及变化情况是试验中需要解决的问题。本文将光纤光栅量测技术与水工地质力学模型相结合，以立洲三维地质力学模型为基础，利用光纤光栅波长解码、体积小、易构成分布式结构、灵敏度高等特点，对上游坝面进行光纤网络布置，充分发挥光纤光栅传感器的优点，为解决上游坝面的应变监测问题开辟新的途径。

2 光纤光栅工作原理

光纤光栅的工作原理:在外场量作用下，光纤芯区折射率的扰动会对一小段光谱产生反射，当光波在光栅中传输时，相应频率的入射光被反射回来，其余频率的入射光谱则不受影响。一般光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过调整芯层，使其折射率n1比包层折射率n2大，从而形成波导。光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光纤布拉格光栅(简称光纤光栅)。光纤光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，其工作原理如图1所示。

图1 光纤光栅工作原理图Fig.1 Working principle of FBG

当入射光进入光纤时，光纤光栅会反射特定波长的光，该波长满足以下的特定条件:

式中:λB是反射光的中心波长，一般为1 510～1 590 nm(1 nm=10－9m);neff是光纤的有效折射率;Λ是光纤光栅周期(折射率调制的空间周期)。

对(1)式两边微分得

将式(2)两端分别除以式(1)得

式中ΔλB是中心波长的变化量。

当光栅周期的应变发生变化时，将导致光栅栅距周期及纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅中心波长发生移动，通过检测波长移动的情况，如图2所示，即可以获得待测应变的变化情况［11］。

图2 光纤光栅应变传感机理Fig.2 Working principle of strain sensing by FBG

3 系统组成及试验方案

3.1 模型材料系统组成

立洲拱坝三维地质力学模型超载法试验综合考虑了坝址区河谷的地形特点、坝基及坝肩主要地质构造特性、拱坝枢纽布置特点及试验任务要求等多种因素，确定模型几何比 CL=150，模型尺寸为2.6 m ×2.8 m ×2 m(纵向 × 横向 × 高度)，相当于原型工程390 m×420 m×300 m范围。本次试验重点模拟坝体及对坝肩稳定起控制作用的主要断层、层间剪切带、长大裂隙以及卸荷裂隙。

原型坝体混凝土为三级配C9025碾压混凝土，重度为 γp=24 kN/m3，变形模量 Ep=24 GPa，根据相似关系Cγ=1，CE=CL=150，可得模型坝体材料的重度为γm=24 kN/m3，Em=160 MPa。根据坝体模型材料试验结果，立洲拱坝及垫座采用重晶石粉为加重料，少量石膏粉为胶结剂，水为稀释剂，并掺适量的添加剂，按模型材料的力学指标选定配合比，满足物理力学相似要求，最后整体浇制而成。

各类岩体均以重晶石粉为加重料，高标号机油为胶结剂，可熔性的高分子材料作为掺合料，根据该工程涉及的岩类，分别掺入一定量的添加剂等，按不同配合比制成混合料，再用Y32－50型四柱式压力机压制成不同尺寸的块体。需要针对各类材料力学指标要求，作好材料试验研究［12］。

坝肩(坝基)中的断层、层间剪切带、裂隙等是影响立洲拱坝与地基变形和整体稳定的主要控制性因素，其模型材料主要依据结构面的抗剪断强度的相似关系进行选配。通过大量的材料试验研究，以重晶石粉、机油及高分子材料为主，按所要求的力学指标配制出相应的软料，再选用不同材料的薄膜配合使用，来实现对结构面抗剪断强度的相似模拟［13］。各岩体及软弱结构面模型力学参数见表1、表2。

表1 模型岩体材料主要力学参数表Table 1 Mechanical parameters of rock mass of the model

表2 模型结构面主要力学参数Table 2 Mechanical parameters of structure planes of the model

3.2 模型量测系统组成

地质力学模型试验属于非线性破坏试验，它所使用的材料为高重度、低变模及低强度材料，因此模型量测主要进行变形量测，即包括坝肩及抗力体和坝体下游面典型高程的表面变形量测。针对立洲拱坝坝肩、坝基及抗力体的地质构造特征，左右坝肩内存在断层、长大裂隙、层间剪切带等软弱结构面，它们是影响坝肩稳定的主要控制因素。因此，还应重点监测这些结构面的相对变位。此外，在拱坝下游面典型高程的拱冠及拱端布置一些应变测点，进行坝体应变量测，以此作为判断安全度的依据之一。

综上所述，地质力学模型试验主要有3大量测系统，即拱坝与坝肩表面变位δ量测、结构面内部相对变位Δδ量测、坝体下游坝面应变ε量测系统。在本次模型试验中，结合立洲拱坝的地质条件及空间分布关系，在坝体下游面、两坝肩及抗力体岩体表面共布置了64个表面变位测点;在影响拱坝与地基变形和整体稳定的主要结构面上，如断层f5，f4、裂隙 L1，L2，Lp285，层间剪切带 fj1－ fj4等，在结构面上布置内部相对变位测点，以监测其沿结构面的相对错动，共埋设了42个内部相对位移计;在上游坝面沿建基面及坝顶拱圈处布置了3条分布式传感光纤，沿建基面布置的光纤C1串联了9个光纤光栅应变传感器(图3)，用于监测建基面附近坝体应变随超载倍数增加的相应变化情况，在坝顶拱圈上布置2条分布式传感光纤C2，C3，其中C2串联了3个光纤光栅传感器，C3串联6个光纤光栅传感器(图4)，用于监测坝顶应变随超载倍数增加的相应变化情况;同时在下游坝面4个典型高程2 092，2 050，2 000，1 960 m的拱冠及拱端处，共布置了12个应变测点，每个测点在水平向、竖向及45°方向各布置一枚电阻应变片，共布置了36枚电阻应变片(图5)，用于监测坝体下游坝面应变随超载倍数增加的相应变化情况。立洲拱坝上游坝面光纤光栅布点见图3、图4，下游坝面应变测点布置见图5。

图3 拱坝上游坝面光纤光栅布点图Fig.3 Layout of FBG on the upstream surface of arch dam

图4 拱坝坝顶光纤光栅布点图Fig.4 Layout of FBG on the crest of arch dam

图5 拱坝下游坝面应变测点布点图Fig.5 Layout of strain-measuring points on the downstream surface of arch dam

3.3 光纤光栅网络布置工艺

以立洲拱坝地质力学模型试验超载法破坏试验为基础，在坝体上游建基面及顶拱圈周边铺设光纤光栅传感器，通过光纤光栅传感器对拱坝在超载作用下应变分布及变化情况进行监控来反应坝体上游坝面的破坏情况。并与传统量测方法得到的结果相互印证，论证光纤光栅传感器在地质力学模型试验中应用的可行性。

但是，在地质力学模型试验中，由于坝体材料特殊性，在粘接过程中会对光栅传感器造成损害，因此必须采取封装措施进行保护。光纤光栅传感器其封装形式如图6所示。采用直径规格分别为1 mm的细不锈钢管对光纤光栅进行封装。光纤光栅与细不锈钢管以及细不锈钢管之间均采用美国生产的环氧树脂固定。为了增加粘贴强度，光纤光栅要进行除油、敏化等预处理。同时，需处理细不锈钢管表面以保持其光洁。

图6 光纤封装示意图Fig.6 Sketch of fiber packaging

4 成果分析

本次试验采用超载法进行模型破坏试验，试验的程序是:首先对模型进行预压，然后加载至一倍正常荷载，在保证加载系统稳定的情况下，按照0.2P0(P0为正常荷载)的步长加载至4.0 P0，然后以0.3 P0的步长超载至拱坝与地基出现整体失稳的趋势为止，并观察各级荷载下大坝与坝肩坝基岩体的变形与破坏现象。

4.1 上游坝面监测成果分析

上游坝面采用光纤光栅传感器进行监测，上游坝面在不同超载倍数下应变分布及变化情况如图7所示。

图7 上游坝面光纤光栅典型测点ε-KP关系曲线Fig.7 Relation of ε-KPat typical measuring points on the upstream surface of dam

图8 坝体最终破坏形态Fig.8 Failure pattern of the dam

根据光纤光栅监测结果分析表明，在正常工况下，即Kp=1.0时，坝体应变总体较小，在超载阶段坝体应变随超载系数的增加而逐渐增大，左拱端应变大于右拱端;当 Kp=1.2～2.2时，坝踵处应变曲线有一定的波动，出现拐点，表明此时拱坝上游坝体表面有应力释放，坝踵处出现初裂;当Kp=2.2～3.0时，左拱端应变整体出现一定的波动，曲线有转折和拐点的出现，表明左岸坝肩岩体受内部结构面影响发生较大的位移;当 Kp=3.6～4.3时，坝体应变整体出现较大的波动，应变的变化幅度显著增大，其中左拱端应变曲线C17出现较大的波动，形成较大的拐点，此时坝体左半拱发生开裂，C17所在位置与坝体裂缝位置相一致;此后，应变曲线进一步发展，陆续出现波动或转向，表明坝体裂缝不断发展，直至坝体发生应力释放，逐渐失去承载能力。大坝最终破坏形态见图8。

4.2 下游坝面监测成果分析

下游坝面采用电阻应变片进行监测，下游坝面在不同超载倍数下应变分布及变化情况如图9所示。

图9 下游坝面电阻应变片典型测点ε-KP关系曲线Fig.9 Relation of ε-KPat typical measuring points on the downstream surface of dam

根据应变与超载系数ε-Kp关系曲线可以看出:在正常工况下，即Kp=1.0时，坝体应变总体较小;在超载阶段，坝体应变随超载系数的增加而逐渐增大，当Kp=1.4～2.2时，应变曲线出现一定的波动，曲线有微小的转折和拐点，表明此时拱坝上游坝踵附近出现初裂;当 Kp=3.4～4.3时，坝体应变整体出现较大的波动，形成较大的拐点，应变的变化幅度显著增大，此时坝体左半拱发生开裂;此后，应变曲线进一步发展，陆续出现波动或转向，表明坝体裂缝不断扩展;当Kp=6.3～6.6时，坝体裂纹贯通至坝顶，坝体发生应力释放，逐渐失去承载能力。电阻应变片监测的不同超载倍数下大坝上游坝面应变分布及变化情况如图9所示。

4.3 上下游测点对比分析

光纤光栅传感器成功地采集了坝体应变数据，通过对比分析下游电阻应变片测试成果表明:在正常工况下，即Kp=1.0时，上下游坝面应变总体较小，在超载阶段坝体应变随超载系数的增加而逐渐增大;当 Kp=1.2～2.2时，上下游坝面的监测数据同时出现波动，上游部分测点率先出现转折，说明拱坝上游侧坝踵附近发生初裂，但裂缝尚未贯穿至下游坝面;当Kp=3.4～4.3时，2套监测数据同时出现较大波动，均形成了较大的拐点，尤其是下游坝面监测数据发生了明显的波动和转折，表明大坝下游侧出现压剪破坏。结合现场观察，左半拱下游坝面发生开裂，裂缝起裂与高程2 040 m高程左拱端下游坝面，并向上延伸，综合分析高程2 040 m高程附近地质情况，该部位坝肩岩体发育有多条相互切割的软弱结构面，在拱端产生应力集中所致;当Kp=5.0～6.3时，上下游监测数据陆续发生了转折，裂缝逐步发展，表明大坝出现整体失稳的趋势。现场观察，左半拱裂缝继续向上扩展，开裂至拱顶约1/2左弧长附近，右半拱在建基面附近出现一条裂缝，裂缝位于f5与坝体交汇的坝址处，并逐渐向上扩展;当Kp=6.3～6.6时，坝体裂纹贯通至坝顶，坝体发生应力释放，逐渐失去承载能力。

5 成果讨论

由光纤光栅传感器监测的上游坝面应变与超载系数的关系曲线可见:坝体上游面的应变符合常规，坝体上游面主要受拉，建基面附近局部受压;对比下游面应变测点曲线，光纤光栅监测的上游面应变曲线在波动、拐点、转向等超载破坏特征上与电阻应变片的监测成果具有相同的变化趋势，且与不同超载阶段的坝体破坏特征基本吻合。从以上2个方面表明光纤光栅传感器对上游坝面的应变监测成果符合超载过程中应变的变化规律，证明了光纤光栅传感器在三维地质力学模型试验中的应用是可行的，为光纤光栅传感器在地质力学模型试验中的广泛应用总结了经验方法。

［1］赵 勇，李鹏生，浦昭邦.光纤位移传感器进展及其应用［J］.传感器技术，1999，18(2):4－ 6.(ZHAO Yong，LI Peng-sheng，PU Zhao-bang.Development and Application of Fiber-Optic Displacement Sensor［J］.Journal of Transducer Technology，1999，18(2):4 － 6.(in Chinese))

［2］李世海，魏作安，张俊红，等.光纤光栅传感技术在抗滑桩模型实验中的应用［J］.岩传感器与微系统，2006，(3):89 － 90.(LI Shi-hai，WEI Zuo-an，ZHANG Jun-hong，et al.Application of Fiber Grating Sensing Technology in Model Experiment of Anti-landslide Piles［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2006，(3):89 －90.(in Chinese))

［3］张 林，陈建叶.水工大坝与地基模型试验及工程应用［M］.成都:四川大学出版社，2009.(ZHANG Lin，CHEN Jian-ye.Model Test of Hydraulic Dam and Application in Engineering［M］.Chengdu:Sichuan University Press，2009.(in Chinese))

［4］E·富马加利.静力学模型与地力学模型［M］.蒋彭年，彭光履，译.北京:水利电力出版社，1979.(FUMAGALLI E.Statical and Geomechanical Models［M］.Translated by JIANG Peng-nian，PENG Guang-lv.Beijing:Water Resources and Electric Power Press，1979.(in Chinese))

［5］沈 泰.地质力学模型试验技术的进展［J］.长江科学院院报，2001，18(5):32－35.(SHEN Tai.Development of Geomechanical Model Experiment Techniques［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，18(5):32 －35.(in Chinese))

［6］陈安敏，顾金才，沈 俊，等.地质力学模型试验技术应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(22):44 －48.(CHEN An-min，GU Jin-cai，SHEN Jun，et al.Application Study on the Geomechanical Model Experiment Techniques［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(22):44 －48.(in Chinese))

［7］杨庚鑫，吕文龙，张 林，等.高拱坝坝肩稳定三维地质力学模型破坏试验研究［J］.水力发电学报，2010，(5):82 －86.(YANG Geng-xin，LV Wen-long，ZHANG Lin，et al.Study on the Abutment Stability of High Arch Dams by Failure Test on a Three-Dimensional Geomechanical Model［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2010，(5):82－86.(in Chinese))

［8］张 林，陈建康，张立勇，等.溪洛渡高拱坝坝肩稳定三维地质力学模型试验研究［C］∥中国岩石力学与工程学会.第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，北京:科学出版社，2004:946－950.(ZHANG Lin，CHEN Jian-kang，ZHANG Li-yong，et al.Research on the Stability of Dam Abutment of Xiluodu High Arch Dam by Three-Dimensional Geomechanical Model Test［C］∥Chinese Society for Rock Mechanics and Engineering.Proceedings of the 8th Rock Mechanics and Engineering Conference.Beijing:Science Press，2004:946 －950.(in Chinese))

［9］刘小强.小湾高拱坝坝肩稳定分析及复杂地质缺陷概化模拟研究［D］.成都:四川大学，2005.(LIU Xiao-qiang.Stability of the Abutment of Xiaowan High Arch Dam and Generalized Simulation of Complex Geological Flaw［D］.Chengdu:Sichuan University，2005.(in Chinese))

［10］董建华，谢和平，张 林，等.大岗山双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(10):2027 － 2033.(DONG Jian-hua，XIE He-ping，ZHANG Lin，et al.Experimental Study of 3D Geomechanical Model on Global Stability of Dagangshan Double Curvature Arch Dam［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(10):2027－2033.(in Chinese))

［11］朱鸿鹄，殷建华，张 林，等.大坝模型试验的光纤传感变形监测［J］.岩石力学与工程学报，2008，(6):1188－1194.(ZHU Hong-hu，YIN Jian-hua，ZHANG Lin，et al.Deformation Monitoring of Dam Model Test by Optical Fiber Sensors［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，(6):1188 －1194.(in Chinese))

［12］张 林，刘小强，陈建叶.复杂地质条件下拱坝坝肩稳定地质力学模型试验研究［J］.四川大学学报(工程科学版)，2004，36(6):1 －5.(ZHANG Lin，LIU Xiaoqiang，CHEN Jian-ye.The Geo-mechanical Model Test on Stability of Arch Dam Abutment under Complex Geological Conditions［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science)，2004，36(6):1－5.(in Chinese))

［13］何显松，马洪琪，张 林，等.地质力学模型试验方法与变温相似模型材料研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(5):980 － 986.(HE Xian-song，MA Hong-qi，ZHANG Lin，et al.Study of Test Method of Geomechanical Model and Temperature Analogous Model Material［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5):980 －986.(in Chinese))