分布式传感光纤测量疏浚土大型充填袋变形

何 斌，汪璋淳，何 宁，钱亚俊，周彦章

(南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

围海造陆、航道工程等海堤建设中需要大量的砂石料资源，但生态环境保护政策已不再允许大规模开山采石，筑堤工程所需的砂石料资源难以得到满足；同时围海造陆、航道建设的疏浚工程中产生的大量疏浚土被弃置，开展利用疏浚土作为筑堤材料的关键技术研究对于解决资源短缺和环境制约等问题具有重要意义。传统充填袋应用技术规范要求充填料黏粒含量小于10%，而疏浚土含泥量远远超过规范要求，航道疏浚土作为充填土料的大型充填袋筑堤过程中，目前还缺乏针对土工布袋体受力-变形方面的科学合理的监测技术和手段。开展利用高含泥量疏浚土大型充填袋筑堤工程中袋体受力-变形监测的研究能够为疏浚土充填袋筑堤技术的推广应用提供重要的理论依据。

基于布里渊散射的监测技术与常规监测技术存在根本区别，具有分布式、长距离、实时性、精度高和耐久性长等特点，能做到对工程设施的各个部位进行监测与监控。相比于传统监测技术，分布式光纤传感技术具有以下特点：(1)分布式光纤集传感器和传输介质于一身，安装方便，性价比高；(2)可以进行光纤沿线任意点空间连续测量，测量距离长、范围大、信息量大，大幅降低传统点式方法检测的漏检率；(3)分布式光纤传感器的结构简单，体积小，对安装埋设部位的物理性能影响很小，适合于测量变形模量较小的充填袋土工布袋体的受力和变形。

疏浚土大型充填袋筑堤工程中，无法应用传统的点式监测技术测量充填、加载过程中袋体的受力-变形过程，如土工布袋体材料的加筋作用能否满足施工充填压力的强度要求、确定抗拉强度与上覆荷载间的关系等，需要借助新型的线性分布式监测技术手段。

1 分布式光纤传感技术原理

图1 分布式光纤传感技术原理Fig.1 Principle of distributed optical fiber sensing technology

光在光纤中传播时会发生散射。散射光主要有3种：瑞利散射光、拉曼散射光和布里渊散射光。布里渊散射由光子与声子的非弹性碰撞产生，散射光的频率发生变化，变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关[1]。与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境温度和承受的应变在一定条件下呈线性关系。与传统测量技术相比，它独特的分布式测量为使用者提供了更加丰富的数据来源，它可以在一个连续结构上以0.1 m为间隔连续采样(图1)[2]。这种由点式测量向分布式测量的突破，尽管在目前技术发展阶段会降低单点测量精度，如一般点式传感器的应变测量精度为1 με，而分布式光纤传感器的应变测量精度约为30 με，但这种精度损失可以通过连续积分来弥补[3]。

2 室内标定试验

(a) 0.9 mm和2 mm传感光纤安装固定方法

(b) 6 mm传感光纤安装固定方法图2 标定试验传感光纤安装方法(单位： mm)Fig.2 Fiber installation method for calibration tests (unit: mm)

为探讨分布光纤传感技术用于大型充填袋袋体受力和变形监测的测量可行性、光纤选型及其布设方法的正确性，采用瑞士产DiTest分布式光纤测量系统(量程±30 000 με)，开展分布式传感光纤传感测量袋体受力和变形的室内标定试验。标定试验采用数控万能拉力机，传感光纤分别选用0.9 mm塑料护套光纤、2 mm柔性护套光纤和6 mm塑料护套铠装光纤3种单模紧套传感光纤，袋体材料选用单位面积质量为230 g/m2的机织土工布。标定试验将传感光纤采用不同结构型式固定在160 mm×900 mm(宽×长)的标定试验土工布的中部位置，土工布两端各预留100 mm固定段用于特殊试验夹具夹牢。0.9 mm塑料护套光纤和2 mm柔性护套光纤先用柔性胶粘贴固定在80 mm×700 mm(宽×长)、单位面积质量为130 g/m2的机织土工布中部，然后缝制固定在标定试验用230 g/m2袋体材料土工布中部；6 mm铠装传感光纤直接胶接和缝制固定在标定试验用230 g/m2袋体材料土工布中部。室内标定试验中3种传感光纤布置和安装固定方法如图2。采用光纤熔接技术将光纤两端与专用测量光纤接头熔接连接后，分别接入DiTest分布式光纤测量系统“From”和“To”端口。

室内标定试验采用数控万能拉力机对土工布进行拉伸变形，试验过程中由万能拉力机自动控制、测量和记录土工布变形。700 mm长的土工布试样按最大变形15 mm控制，分8级，前7级每级2 mm，最后一级1 mm。每级加载稳定3 min后，采用DiTest分布式光纤测量系统对传感光纤测量3次，测量空间分辨率设置为0.1 m。接入DiTest分布式光纤测量系统的光纤总长度为10 m，考虑到试验中有效应变测量范围，只对有效位置1 m范围内传感光纤进行应变测量。每级加载后对传感光纤测量3次历时约10 min，测量完成后继续进行下一级加载。因测量系统受环境温度变化的影响较为微弱，本次标定试验可忽略测量过程中的温度修正。室内标定试验共进行3种传感光纤各3组试验，试验结果如表1、表2和图3所示。

表1 标定试验传感光纤应变测值Tab.1 Strain measured data from calibration tests με

表2 标定试验传感光纤试验数据统计Tab.2 Satistics of measured data from calibration tests

(a) 传感光纤第1组试验成果 (b) 传感光纤第2组试验成果 (c) 传感光纤第3组试验成果图3 标定试验传感光纤测量结果Fig.3 The measured data from calibration tests

试验结果表明，试验选用DiTest分布式光纤测量系统及试验用传感光纤测量技术的系统综合应变测量误差约为30 με，系统误差与前期试验研究成果一致[4]。根据要求，疏浚土充填袋袋体变形技术指标不大于30%[5-6]，即300 000 με，分布式传感光纤测量技术系统精度为疏浚土充填袋袋体最大允许变形的0.01%，试验表明，分布式光纤传感技术测量精度可以满足疏浚土大型充填袋的土工布袋体变形测量要求。

根据表2中标定试验数据统计结果及图3中3组试验测量成果可以看出：对于0.9 mm塑料护套光纤和2 mm柔性护套光纤，采取合理的胶结安装方法，传感光纤基本能够与胶结为一体的充填袋土工布同步变形；传感光纤应变测值与拉力机示值换算得到的土工布应变值之间的误差小于5%，可以满足测量充填袋土工布前期变形的工作要求；且分布式传感光纤技术的应变测量范围为±30 000 με，相当于3%的变形量，较传统应变计(最大量程3 000 με)[7]等监测技术更适合于变形量较大的充填袋的变形测量。而对于6 mm的塑料护套铠装光纤，由于护套变形模量远大于被测土工布，传感光纤与胶结为一体的充填袋土工布不能发生同步变形，传感光纤应变测值与拉力机示值换算得到的土工布应变值之间的误差超过40%；在现场条件下，胶结情况很难达到与室内标定试验中相同的理想状况，因此选用6 mm塑料护套铠装光纤测量充填袋变形适用性较差。另外，采用0.9 mm塑料护套和2 mm柔性护套传感光纤，两者标定试验结果基本相似，测量误差均小于5%，两种分布式传感光纤技术测量充填袋变形的测量精度都可满足原位监测需要。但0.9 mm塑料护套光纤较细、较脆，现场安装保护困难，采用胶结方法固定在较薄的土工布后运输到现场安装的过程中很容易受到损坏，因此，选择以2 mm的柔性护套传感光纤为宜。

3 原位试验

图4 原位试验中充填袋变形的传感光纤测量结果Fig.4 Deformation measurement of filling bag in field experiment

为进一步验证分布式光纤传感技术测量大型充填袋土工布的变形状态和监测大型充填袋变形的可靠性[8]，在连云港港30万t航道建设的疏浚土大型充填袋筑堤技术试验研究现场试验段工程中，开展了分布式光纤传感技术监测大型充填袋变形的现场试验研究。工程中大型充填袋平面尺寸为20 m×16 m(宽×长)，传感光纤采用 2 mm的柔性护套传感光纤，在室内先用703胶(柔性胶)以回路型式沿长度方向胶结在16 m×0.2 m(长×宽)的130 g/m2的机织土工布中央，传感光纤以0.1 m间距、平行回路型式胶结其上，大型充填袋铺设完成以后将胶结着传感光纤的130 g/m2机织土工布条缝制固定在充填袋土工布的上(或下)表面，测量时将光纤两端与专用测量光纤接头熔接连接后，分别接入DiTest分布式光纤测量系统“From”和“To”端口。该现场试验段工程某断面第二层充填袋上表面固定的传感光纤在2011年1月6至8日的3组应变测值曲线如图4，其中1月6日为充填袋首次充填施工过程，7日为首次充填完成后补充充填及上覆充填袋第1次加荷过程，8日为上覆充填袋补充充填及次级上覆充填袋的继续加荷过程，传感光纤的空间测量分辨率为0.1 m，测量数据为沿袋体土工布长度方向的变形分布状态。

现场试验段工程中传感光纤测量结果表明：同一时刻两条平行的分布式传感光纤测得沿袋体长度方向的变形规律一致性较为良好，且对应位置沿长度方向间距为0.1 m的各测点应变测值非常接近或吻合。现场试验段工程监测资料分析也说明：随上覆荷载增加，疏浚土充填袋的变形也逐渐增大，且充填袋变形沿长度方向中间大、两端小，符合柔性袋体受力变形的一般规律，其实测应变量值与理论计算分析结果[9]及离心模型试验中应变片测量结果[10]也较为吻合；测得最大应变超过30 000 με，相当于3%的变形量，是大型充填袋土工布大变形监测的一种理想监测技术，是对传统变形监测方法的有益补充和技术创新。

4 结 语

针对高含泥量疏浚土大型充填袋筑堤技术袋体受力和变形监测等工程实践问题，通过室内标定试验和现场原型试验，开展了传感光纤选型、胶结固定及保护方式、测量精度及误差分析、工程原型应用测试等分布式光纤传感技术测量疏浚土大型充填袋受力和变形可行性和适用性的应用研究，主要结论如下：

(1)因袋体土工布变形模型较小，疏浚土大型充填袋袋体受力变形监测中应选用模量较小的柔性护套应变传感光纤，并采用柔性胶胶结固定的安装方式，辅以可靠的保护措施。

(2)选择合适的分布式传感光纤能提高疏浚土大型充填袋袋体的应变测量精度，可使精度在±30 με内，传感光纤测值与拉力机示值换算应变值间的误差值小于5%。

(3)室内标定试验和现场试验段原型试验测量结果均表明，分布式光纤传感技术监测袋体受力变形的空间分辨率为0.1 m，最大应变测量范围可达到30 000 με。

(4)分布式光纤传感技术具有分布式、长距离、实时性等特点，是疏浚土大型充填袋袋体受力变形监测的可靠的、理想的新型测量方法。

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