光纤传感技术在水利工程的应用概述★

张 研

(桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)



·水利工程·

光纤传感技术在水利工程的应用概述★

张 研

(桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

通过对近年来光纤传感技术应用文献的整理，总结了光纤传感技术在水利工程中混凝土面板裂缝监测、大坝混凝土结构温度场监测、裂缝预测等方面的应用情况，对光纤传感技术在地下工程的应用进行了思考，为地下工程监测提供了新途径。

光纤传感技术，水利工程，应用

0 引言

在全球金融危机背景下，“保增长、扩内需、调结构”是当前我国经济工作的方向。为此，将有大规模的资金投入能源、水利、交通等基础建设领域。其中作为绿色能源的水电资源的开发对我国实现“节能减排”的目标，保证国民经济持续快速稳定的发展具有重要意义。水电资源的开发离不开水利工程的建设，在工程建设中有很多指标用常规方法不能很好采集，这就要利用现代化、信息化手段对工程中的各种难以准确监测，并且对工程施工、运行起重要作用的指标进行准确获取。

光纤传感技术是在20世纪80年代兴起的一种新兴的光学技术。该技术以光纤传感器为核心，将传感、信息传输合为一体，并且具有耐久性好、数据精度高、抗干扰性强、体积轻巧等多重优点，广泛应用于水利工程等恶劣环境下的物理量测量，为水利工程的安全监测提供了一条可靠途径。

本文通过对光纤传感技术在水利工程中的应用现状进行分析，为水利工程相关技术人员掌握光纤技术的应用情况提供了参考。

1 光纤传感技术的基本原理

光在光纤中传输时，总会受到外界环境各种因素的影响(如：温度、湿度、压力等)，会使得光纤光波参数发生变化(如光强、频率、波长等)。如果能找到光波参数的变化与各种物理量改变的对应关系，就能够间接的测量所需物理量。基于该思想，应运而生了光纤传感技术。

2 水利工程中的应用

2.1 混凝土面板裂缝监测中的应用

混凝土面板堆石坝是20世纪60年代提出的一种新坝型，由于其具有抗滑稳定性好，断面小、枢纽布置紧凑，抗震性能强，施工导流方便等优点，被广泛应用于坝工结构当中。但是由于该坝型的面板与堆石分别属于两种不同的材料，通常会在二者结合处出现裂缝，而裂缝的大小关乎工程的安全，如何准确监测到裂缝情况一直备受工程界关注。有些学者将光纤传感技术应用到面板裂缝监测中，通过对鱼跳电站等多个混凝土面板裂缝的监测，为提高在该方面的监测精度提供了难得的经验。

2.2 大坝混凝土结构温度场监测中的应用

大体积混凝土温度应力一直是大坝工程关注的焦点，大坝温度场的准确监测无论在施工期还是运行期，都具有重要的意义。在施工期的监测可以减缓温度应力，防止出现温度裂缝；在运行期，通过温度监测可以了解大坝的变形情况、应力情况，对坝体的安全性做出合理评价。传统的监测方法或多或少有些不足，在三峡工程中采用了光纤传感测温，为大坝的健康诊断和安全运行提供了保障。

2.3 大坝裂缝预测和监测中的应用

混凝土大坝裂缝的监测是评价安全性的重要指标，传统的监测方法只能够在裂缝出现以后来进行监测评价，此时对大坝已经造成了一定的损害。采用光纤传感技术可以对坝体内部的拉应力进行适时监测，掌握大坝的应力状况，指导坝体荷载分布，尽量避免不利工况，使得拉应力低于混凝土的抗拉强度，防止裂缝的产生。

2.4 土石坝渗漏监测方面的应用

正常运行的土石坝渗流场主要由库水位、地下水、大气降水等等因素影响，呈现出有规律的变化。而当挡水结构出现裂缝的时候，坝体的流量会逐渐增大，但是在初期由于变化不大很难及时发现。此时，坝体的渗流场却会发生很大的变化，传统监测技术很难准确反映渗流场的变化。利用光纤传感技术间接监测土体温度场的变化可及时找出渗漏点，通过思安江水库大坝的工程应用研究，发现该方法是可行的，为渗漏点的确定提供了一条新途径。

2.5 水工结构模型试验研究中的应用

由于水利工程建设规模较大、投资较多，因此在前期总会进行小比尺的模型试验，为后续工程建设提供参考。传统模型试验借助应力、应变计来采集应力、变形，只能对比较关心的特殊点进行监测，而对其他部位的变化很难掌握。此外，常规方法对于随机出现的裂缝很难捕捉。

近年来，一些学者将光纤传感技术运用到随机裂缝的捕捉方面，并且在四川沙牌碾压混凝土拱坝整体结构模型试验中得到成功应用。

3 地下工程应用的思考

我国水能资源主要分布于西部高山峡谷地区，随着西部开发战略的实施，在今后十余年将有相当多的大型水力发电工程以及抽水蓄能电站进入兴建期，其中相当多数都设计有大型或者超大型地下洞室群作为主要的水工建筑物。自新奥法施工理念提出以来，利用围岩开挖监测信息指导工程施工、设计已经成为地下工程建设的必要环节。然而，由于地下工程的特殊性，诸如：材料高度非线性，不确定性影响因素太多，结构形式复杂，施工环境隐蔽性强等等特点，使得必要围岩信息的准确监测获取变得相当困难。

受光纤传感技术在水利工程中的应用的启发，结合本人的研究方向，对光纤传感技术在地下工程中的应用情况查阅相关文献，在此方面主要有以下两方面应用：将光纤传感技术应用到岩石锚杆的应力应变监测；光纤传感技术在隧洞位移监测方面的应用。由于地下工程的复杂性，施工掘进是一个可变性强、难以预测的多影响源过程，对施工信息进行适时监控与动态监测，并结合计算机进行智能化处理，做出施工状况综合评价，并且对下一步施工给出建议，更能满足工程施工需要，为工程的安全建设提供了保障。设想将光纤传感技术应用到地下工程适时监控与动态监测反馈系统的研究，为地下工程动态施工监测提供了一条新途径。

4 结语

光纤传感技术由于其具有特殊的物理性能和优点，通过数十年的研究和试验，现已在我国水利工程安全监测领域得到应用，并已初见成效。本文对光纤传感技术在水利工程中的应用现状进行了总结，并对光纤技术在地下工程施工中的应用提出了自己的一点思考，为工程技术人员能够更好的将光纤技术应用到实际工程提供借鉴。

[1]郝长江，季 凡，杜泽快，等.光纤传感技术在水电工程安全监测领域应用研究综述.大坝与安全，2007(1)：38-41.

[2]胡 江，苏怀智，张跃东.光纤传感技术在大坝裂缝预测和监测中的可行性探讨.水电自动化与大坝监测，2008，32(5)：52-57.

[3]侯俊芳，裴 丽，李卓轩，等.光纤传感技术的研究进展及应用.光电技术应用，2012,27(1)：49-53.

[4]周 勇，赵新铭，孙岳阳，等.分布式光纤温度传感渗漏监测技术研究进展.新技术新工艺，2014(11)：119-121.

[5]谷艳昌，王士军，庞 琼，等.土坝温度场反馈渗流场可行性研究.岩土工程学报，2014，36(9)：1721-1726.

Summary of the application of optical fiber sensing technology in hydraulic engineering★

Zhang Yan

(CivilEngineeringCollege,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

According to the compilation of the application literature of optical fiber sensing technique, the paper sums up the application of the optical fiber sensing technique in crack monitoring on concrete plates, temperature field supervision of dam concrete structures, and cracks forecasting, and considers its application in underground projects, so as to provide new channel for the underground engineering monitoring.

optical fiber sensing technique, hydrological project, application

1009-6825(2015)18-0220-02

2015-04-13★：广西高等学校科研项目(项目编号：YB2014156)

张 研(1983- )，男，博士，讲师

TN929.11

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