光纤光栅传感技术在边坡预应力锚索监测中的应用

王 蓉 川

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

光纤光栅传感是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，在光学传播技术领域中，光纤技术发展非常迅速，已在有锚固预应力技术的斜拉桥、立交桥等大型土木建筑物中应用，解决了监测大型工程的结构稳定、强度等难题。工程边坡的稳定影响到人类生存条件与环境，它们的变形与失稳是对人类的直接性灾害。自然因素如地震、降雨洪水、泥石流等；人为因素如土地开发、森林滥伐都是造成边坡变形、失稳的直接因素。目前，应用于水电工程边坡上的锚索监测主要采用常规的电测法，无法满足锚索的长期监测要求。其原因，一方面是与锚索直接联系的工作条件十分恶劣，对传感器的防水、防潮、防裂、防腐等要求高，给锚索的长期监测带来很大的困难，也直接影响了仪器的可靠性和使用寿命；另一方面是锚索的破坏机制复杂，目前还没有一种能较全面地反映出这种机制。近十年来，光纤监测技术渐趋成熟，已成为水利水电建设事业不可缺少的一个组成部分，尤其是光纤光栅传感技术比一般的光纤传感器具有更大的优越性，其应用也需探讨、总结和提高。

2 光纤光栅传感原理

光纤光栅传感是通过光纤作为光波的传输媒质，在光波传播过程中，表征出光波的特征参量如振幅、相位、偏振态、波长等，因外界因素的作用而使光纤光栅传感器直接或间接地发生变化，通过光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱检测，实现被测结构的应变和温度的监测。其传感原理如图1所示[2]，根据光纤耦合模理论，当一宽光谱光源注入光纤，会产生模式耦合，FBG光栅将反射回一个中心波长为Bragg波长的窄带光波，其Bragg波长为[2]：

λB=2neffΛ

式中Λ——光栅周期;

neff——纤芯的有效折射率。

光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移，从而将导致FBG波长的改变。例如当沿光纤光栅轴向施加应力时，光纤产生应变，导致光栅的Bragg波长发生漂移，这个改变可以从光栅的反射光谱中检测出来，并且将这个改变的Bragg波长与以前没受激励影响时的Bragg波长进行比较，可以测定光栅受激励程度，然后通过标定漂移和计算机系统的计算与分析，可以得到不同点上所受到的温度和应变的大小，这就是光纤光栅的应变效应。

光栅被拉伸或压缩，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率neff也随外界应力状态的变化而变化[2]，这为采用光纤Bragg光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。由于拉、压应力都能对其产生Bragg波长的变化，因此该传感器在锚索结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大(达10 000με)，并且线性度好。基于此原理的光纤光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，目前对光纤光栅Bragg波长移动的探测达到了Pm量级的高分辨率，因而比一般的光纤传感器具有测量灵敏度高、与光强无关和更高抗干扰能力的特点。另一方面，在应变测量中，为了克服温度对测量的影响，在监测系统可采用同种温度环境下的光纤光栅温度进行补偿。不同的光纤光栅传感器具有不同的工作波长，因此可以利用波分复用技术，多个光纤光栅传感器可以通过一根光纤级串联进行监测，在光纤一端实现多个光栅信号的检测，每个FBG传感器同时产生中心波长的改变，进一步集合成分布传感网络系统。

图1 光纤光栅原理

3 光纤光栅传感在边坡工程中的应用

3.1 边坡工程监测特点

大岗山水电站是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一，挡水建筑物为坝高达210m的双曲拱坝。坝址区地应力较高，岩脉、挤压破碎带、断层和节理裂隙发育。地震基本烈度为Ⅷ度，工程区处于由磨西断裂、大渡河断裂和金坪断裂所围限的黄草山断块的西侧边缘。西侧4km、4.5km处分别有大渡河、磨西活动断裂通过，工程区构造主要受磨西断裂所控制，稳定性相对较差。

由于大岗山边坡特殊的地质条件，对预应力锚索的损失控制和监测仪器精度要求很高，如果因为意料之外的原因造成过大的预应力损失，使总体锚固力低于锚索结构安全运行需要的加固力，则边坡将发生失稳的危险。因此，拟采用光纤光栅锚索测力计监测，其目的是更有效对工程边坡预应力损失进行控制，对施工质量和锚固效果作出分析评价；并验证锚索预应力损失稳定后的实际永存荷载。

3.2 光纤光栅传感的优势

与传统监测仪器相比光纤光栅传感具有如下优势：

(1)传感精度和数据采集数量极大提高。由于光纤自身具有集传感和传输于一身的特点，能很好地实现对锚索的全光在线检测，采集的数据量也分布于整个空间，可同时检测多种参量(温度、应变、压力、位移等)。由于在确定的边坡工程中，其应力和光路信号衰减成唯一关系。因此，当光路的衰减量被检测到后，其应变、温度及位置即可确定，并且具有传感精度、灵敏度极高和使用寿命长的特点。

(2)抗各种电磁干扰能力强。水电边坡工程中都有较强的电磁场，对监测仪器的选择要求较高，而光纤传感器由于具有极强的抗电磁干扰能力，不需要屏蔽、接地和雷电保护，免去一部分防雷措施，降低了成本。

(3)系统长期稳定性好。具有良好的防水性、耐腐蚀、高绝缘、高耐压，以及具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、独有温度补偿技术等特点，使得监测系统能达到长期稳定的效果。

(4)具有智能化的发展趋势。光纤检测信息损耗量小，可以实现远距离通信、远距离监控。与计算机网络连接后，能实现自检测、自诊断的智能化检测。

3.3 光纤光栅传感的布设

将光纤光栅传感技术应用于大岗山拱坝抗力体边坡加固的部分岩体预应力锚索上进行科研试验，对所布设的监测点PRLKL-1、PRLKL-2、PRLKL-5进行串连，构成监测网络，了解和监测工程边坡在施工期、蓄水期和运行期的工作状态，见图2。边坡采用的锚索测力计为高强度的合金圆筒，筒体内置4个高精度的光纤光栅作为敏感元件，当被测载荷作用在锚索测力计上时，将引起弹性圆筒的变形并传递给光纤光栅，光信号经光缆传输至光纤光栅分析仪上，即可测读出应力值，从而计算出作用在锚索测力计的总荷载值，以及不均匀荷载或偏心荷载。其中内置的一个光纤光栅传感用作温度传感器可以监测环境温度并提供温度补偿，由铠装光缆输出信号，最远传输距离可达30km ，将测量信号传输至监测仪器实现在线24小时持续监测。

图3所示为光纤光栅锚索传感器的安装示意图。3个传感器探头由光缆串接后形成传感器网络与光纤光栅解调仪相连接，然后解调仪对光纤光栅Bragg波长移动进行探测，将相关的采集数据传入计算机进行处理、显示，并换算为应变。

图2 拱坝抗力体边坡光纤光栅锚索测力计平面布置

图3 光纤光栅锚索测力计安装示意

3.4 工程应用中光纤光栅传感系统构成

光纤光栅传感系统主要包括：光源、传感器和光开关组成的传感网络和光纤光栅调解仪、服务器及具有远程监视功能的客户端。

(1)光源。在光纤光栅传感中光源有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性, 以满足传感系统中多点多参量测量的需要。目前在光纤光栅传感系统中常用的光源主要有SLED、ASE光源。输出功率大约为1-20mw。

(2)光纤光栅传感器。边坡布设的3个光纤光栅锚索测力计，量程为2 000kN，实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感, 即温度与应变同时引起光纤光栅波长移动, 使得由光纤光栅波长移动无法区分温度与应变。因此, 可通过外置温度补偿环或利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅，构成双光栅温度与应变传感器来确定不同光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数来区分温度与应变。

(3)光纤传输网络。3个不同位置的监测点使用了单芯连接的光缆及光缆保护管直接将传输信号引入中心监控室的信息处理及分析系统上。

(4)光纤光栅调解仪。光纤光栅传感网络分析仪主要用于数据采集、信号处理和储存等；然后通过光纤传输系统到监测中心的数据处理和分析系统[3]。在大岗山抗力体边坡光纤光栅监测系统中, 光纤光栅信号的解调是该系统的关键，采用了便携式高分辩率光纤光栅解调仪(精度±5pm，分辩率1pm)，主要包括两部分：一部分为光纤光栅传感探测信号处理器，包括系统的信息收集、处理和传送等，完成光信号波长信息到电信号的转换，其中传感器的中心反射波长的分析是解调的关键；另一部分为电信号处理(即计算机软件)，包括信息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能，完成对电信号的运算处理。

(5)服务器及客户端。服务器主要是通过特定的命令字从光纤光栅调解仪中采集数据并对其进行处理，以图形和文本两种方式加以显示，记录变化的Bragg波长，完成与多个客户端的连接，实现数据通信。

客户端主要是向服务器以查询某段时期内的波长信息。

3.5 光纤光栅数据采集和处理系统

为了能客观、及时地反映张拉过程中及张拉过后的锚索的应力情况，就需要及时地采集和记录传感器的参量数据。数据采集系统完成与光纤光栅调解仪连接并设置和查询启止波长、采集特定波长范围内光栅反射峰的功率，基于光开关拓朴而成的光纤光栅传感网络[4]，MSComm控件在串口通信下实现传感通道间的切换。同时进行数据处理、存储、显示等功能。

光纤光栅监测数据处理系统，采用图形和文本两种方式显示监测数据。数据显示视图是显示所有通道的传感器波长的实时数据，动态曲线视图显示传感器波长的实时曲线，图形间可通过单选框切换来决定，并进行数据的优化。不同的图形设有不同的坐标格式[4]。每台光纤光栅锚索测力计均附有一张检测表，检测表上给出了各光栅的中心波长，以及温度、应力的计算公式及相关参数。用于应力测量的4 条光栅，在计算时取其平均值作为初时或当前的波长读数，检测表上给出的波长也即各光栅波长读数的平均值(即(FBG1+FGB2+FBG3+FBG4)/4)[4]。而测温光栅(即FBG-T)将做为一个独立的传感器，用于温度计算或应力的温度补偿计算。

4 结束语

光纤光栅传感技术是当代高科技的结晶，一种先进的检测技术，是一种理想的工程边坡安全监测系统，不受恶劣环境的干扰和影响，具有精度高、长期稳定性好、操作简便迅速的优点，实现了实时、在线监测，具有非常独特的技术优势，并有极大的推广应用前景。本文通过对边坡选取部分预应力锚索使用光纤光栅传感器作为科研试验对象，实现对锚索的预应力监测，并为光纤光栅传感技术在水电工程中的应用和推广积累工程经验。如果再进一步将更多的光纤光栅传感器组成光纤测量网络，探索一条用于边坡工程结构锚索监测与状态评估的技术新途径，将会有重大的社会效益和经济效益。近年来,随着我国日益增多的水利水电工程和已建工程边坡时间的增长，利用光纤监测的重要性日益显出。如何进一步使其在水电建设广泛应用，是目前面临的核心问题。我们将充分应用光纤监测成果，反馈工程整体的工作性态及评估边坡安全度和可靠度。另外，对锚索进行实时在线检测，有利于对锚索设计的准确评价，在科学研究中也具有重要的意义。

参考文献：

[1] 王月明.光纤光栅传感器加速寿命试验研究[J].武汉理工大学学报,2009(5).

[2] 刘建胜，李铮，张其善.基于拉曼散射的光纤分布式温度测量系统的空间分辨力[J].光学学报，1999(12)：1673-1677.

[3] 禹大宽,贾振安,乔学光,刘钦朋.光纤Bragg光栅流量传感器的研究及进展[J].光通信研究,2008(6).

[4] 秦一涛，刘剑鸣，等.分布式光纤温度监测系统在长调水电站中的应用实践[J].大坝与安全，2004(1).