光纤光栅技术在输水隧洞安全监测中的应用

张玉宏 李双麟 纪 林

(大连市供水有限公司 116021)

1 工程概况

大伙房水库输水应急入连工程输水隧洞穿越辽东千山山脉的西南段，位于盖州市境内，总长14.11km。隧洞穿越盖州市的低山丘陵地区，区内植被较发育，覆盖严重，沟谷部位有坡洪积土层覆盖，基岩埋深较浅，表层风化严重，山顶部位基岩裸露。为了保证输水隧洞长期安全稳定运行，拟对隧洞变形、裂缝、应力应变、水位、进出口水温等项目进行监测。根据工程的实际情况及围岩状况，设计监测断面选择在受力状态具有代表性的部位，桩号为123+ 203.31、126+ 900.69、127+ 820.59、131+ 083.09、136+ 169.09、136+979.26、137+321.43 共7个断面进行监测，埋设多点位移计23 套、锚杆测力计33 套、渗压计15支、土压力计15支、钢筋计15支、测缝计15支、应变计15支、无应力计15支，全部采用光纤光栅传感器。目前该监测项目正在施工过程中。

2 光纤光栅传感器的工作原理

光栅的Bragg 波长λB由下式决定:

式中 n——芯模有效折射率;

Λ——光栅周期。

光栅的波长与光纤的有效折射率及周期有关，当温度、应变变化后，这两个量均会发生变化，在通常情况下，可以认为波长是这两个量的二元一次方程，因此，当温度升高、光栅承受轴向发生应变后，其反射波长发生的变化可以由微分方程解出。

由于光栅波长与温度和应变均有关系，因此，在测量一个系统所受的应变及温度时，一般至少需要两只光栅同时来测量，然后计算两个被测量。目前在工程上常用的方法是:用温度传感器测出温度，然后对应变进行温度补偿，从而计算出被测物所受的应变。下页图为测量系统光路示意图。

3 光纤光栅传感器的特点

光纤光栅传感器的核心元件是光纤光栅，传感器将外界被测物理量通过机械机构转换为光纤光栅的波长漂移，通过测量波长的漂移量得到被测物理量的变化，与传统传感器相比，光纤光栅传感器有以下特点:

a.抗电磁干扰能力强，电绝缘性好，耐腐蚀，本质防爆。

b.既可以实现点测量，也可以实现分布式测量。

c.测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题，测量精度高。

测量系统光路示意图

d.检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响。

e.波长编码，可以方便实现绝对测量。

f.单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数。

g.输出线性范围宽，在10000 微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系，频带宽，信噪比高。

4 光纤光栅传感器的优点

传统振弦式传感器受工作原理的限制，其信号的传输距离多以2km 以内为最佳。每只传感器连接一根电缆。可想而知，大量的电缆无论是安装还是维护都很不便。现场的高湿环境将对数据采集设备的防腐及绝缘要求更高，采用分布式数据采集装置实现自动化时，其通讯距离也有限制，且在现场电源的提供往往也是一个难题，隧洞通水后监测人员难以进入现场对设备进行维护，任何数据采集装置出现故障后均将难以及时解决，甚至会造成关键监测数据缺失，同时也增加运行成本。

光纤光栅传感器在长距离信号传输方面具有不可比拟的优越性，现场无需供电，具有极佳的抗电磁干扰能力，耐潮湿、耐腐蚀，特别适合于输水隧洞安全监测系统。传输距离可达35km，损耗0.20dB/km，传输光缆容量大，每根光纤可连接不少于20支光纤光栅传感器，因此每个断面采用1～3 根以上的光纤(光缆)即可将传感器信号传输到远处的监控站中与数据采集设备连接。另外光纤光栅传感器性能稳定、使用寿命长、易维护，采用光纤光栅监测系统投资更少，其整体设备费用较常规电测仪器系统减少30%～40%。

5 输水光纤光栅传感器监测系统

在选取的7个断面中埋设不同种类的光纤光栅传感器，通过沿隧洞布设的通讯光缆传输到盖州泵站监控站，实现整个隧洞系统的安全监测。

6 结 语

光纤光栅传感器以其稳定可靠、传感元件寿命长、便于维护保养等功能特点，广泛应用于各个领域，逐步取代了弦式传感器，应用前景十分广阔。因此，大伙房水库输水应急入连工程输水隧洞安全监测系统采用光纤光栅传感器无疑是最具有前瞻性的，无论从技术角度还是从管理角度看，监测系统的建设和投入使用，为输水隧洞的安全稳定运行提供了有力的保障。