大坝混凝土裂缝分布式光纤远程实时监测系统及工程应用

曾　红，杨　莉，李　川，吴永红，刘　巍，梁　爽

(1.华能澜沧江水电股份有限公司， 云南 昆明 650214；2.昆明理工大学 信息工程与自动化学院， 云南 昆明 650500；3.昆明理工大学 建筑工程学院， 云南 昆明 650500)

大坝混凝土裂缝分布式光纤远程实时监测系统及工程应用

曾红1，杨莉2，李川2，吴永红3，刘巍3，梁爽3

(1.华能澜沧江水电股份有限公司， 云南 昆明 650214；2.昆明理工大学 信息工程与自动化学院， 云南 昆明 650500；3.昆明理工大学 建筑工程学院， 云南 昆明 650500)

摘要：分布式传感技术，在提供关于结构某种时空连续信息的同时，亦产生海量数据需存储和处理。出于工程自动化实时监测的需要，构建基于布里渊散射的大坝混凝土裂缝分布式光纤远程监测系统。系统构建的主要工作，是编制位于监控中心的高性能计算机上运行的监测软件，用于系统检测控制、监测数据即时存储、分析处理、查询显示及预警等功能。通过监测系统在某大坝工程混凝土裂缝监测中的应用，显示监测软件各种功能的特点，并表明软件系统的可靠性,可在工程中推广应用。

关键词：大坝工程；混凝土裂缝；光纤传感；监测系统；工程应用

在各类工程结构中，混凝土结构所占比例最大[1]。混凝土大坝在施工和运行过程中，温度、施工缺陷、外力作用、坝基变化、环境侵蚀、材料老化及极端自然灾害等因素，都可能引起混凝土开裂。混凝土开裂会造成结构损伤或局部破坏，影响其耐久性。而且，在外部巨大的水荷载作用下，裂缝会进一步增加结构的损伤，如不及时发现、评估，并采取必要修复、补救措施，会造成大坝垮塌等灾难性后果。

因此，裂缝是混凝土结构安全状况的重要标志。对结构进行裂缝检查、检测和评估，是大型结构安全的重要保证[2-3]，也是工程安全维护的重要内容。工程结构安全运行处置和加固修复，常常视其裂缝出现情况作为主要依据[4]。

目前在实际工程中，对结构裂缝的发现，还主要是依靠人工目视巡检。这种方法费时、费力，而且工作效率和可靠性低，实时性差。随着我国大型建筑、交通和水电工程大规模兴建的持续发展，工程结构的安全监测日益受到重视。特别是对高坝建设集中、高地震烈度区分布范围广、地震活动性高的西部地区，为保障大坝安全，提高大坝安全维护水平显得尤为突出。一个重要方面，是要提升大坝安全监测自动化水平。

大型工程结构裂缝的出现，具有时空随机性和隐蔽性，常规点式电测技术对其检测无能为力。分布式光纤传感技术，有望实现对大型工程结构裂缝的有效监测。较早出现的基于瑞利散射原理分布式光纤传感技术，首先被用于结构裂缝监测研究[5-7]。近些年出现的基于布里渊散射的分布式光纤技术，可感受光路所受局部应变的变化[8-10]。因此，该技术在光纤与结构开裂方位正交的情况下，即可对裂缝进行识别和定位，故具有工程布设简单、缝宽检测范围大等优点，显示出工程实用化潜力。文献[8-10]直接根据布里渊光时域反射技术获得的测试数据，分析观测结构的变形。这对于监测技术的原理性和方法性研究是可行的。而大型工程的监测数据需即时处理，并给出监测结果。特别是对于分布式传感技术，在提供关于结构某种时空连续信息的同时，亦产生海量数据。海量数据的即时存储和处理，非人工可为，只能依靠计算机和相关软件。为此，需构建连续式自动化监测系统，并可对工程结构实施远程监控。

监测系统构建的主要工作，是编制位于监控中心的高性能计算机上运行的监测软件，用于系统检测控制、监测数据存储、分析处理、查询显示及预警等功能。本文结合对前期工作成果的介绍，完善了软件系统的部分功能。

1基于布里渊散射的光纤裂缝传感原理

当光在单模光纤中传播时，光纤中会产生背后向布里渊散射光。如果光纤所受局部应力和温度出现变化，则散射光频移会发生改变：

ΔvB=CεΔε+CTΔt

(1)

式中：ΔvB为布里渊光频移的改变；Δε、ΔT分别为光纤所受局部应力和温度的变化；Cε、CT分别为布里渊光频移应变和温度敏感系数。 当光纤埋入如图1所示的混凝土中时，如果混凝土在图中A-A位置发生开裂，在该位置附近的光纤会出现局部拉伸变形，从而引起光纤中布里渊散射光频移的变化。在光纤端部探测该变化，可知结构中裂缝的出现。

图1裂缝传感原理示意图

2监测系统的构成与架构

2.1　总体构成

监测系统分为硬件系统和软件系统，主要完成数据采集和数据处理两大功能，其总体构成如图2所示，图中Botdr为基于布里渊光时域反射技术的光信号解调仪，其性能参数参见表1。

图2　系统总体构成

软件系统的核心为监测软件。构建以上监测系统的主要工作，即是编制位于监控中心的高性能计算上运行的监测软件。

2.2　监测软件的架构和功能

监测软件的开发基于.NET技术，运行于大内存、多处理器高性能计算机，对Botdr采集的数据进行存储、分析、处理、查询、显示和预警等。将系统接入互联网，获得授权的人员可在远处访问监测系统，在任何地方、任何时间跟踪了解工程结构的监测情况。

监测软件架构设计工具，主要包括：

(1) 网络结构模式：Browser/Server。

(2) 开发软件：Microsoft Visual Studio 2010。

(3) 开发语言：C#

(4) Web网页创建技术：ASP.NET。

(5) 网络脚本语言：JavaScript。

(6) 网页超级文本标记语言：HTML。

(7) 数据库管理系统：Microsoft SQLServer 2005。

赋予监测软件有如下具体功能：

(1) 数据存储：将监测仪每次检测采集和存储的大量数据，自动导入计算机数据库系统。并且，为适应后续数据处理的需要，对导入数据的文件格式进行前后变换，由*.str格式变为*.png、.bmp和.csv*等格式。

(2) 数据计算：对监测仪从传感光纤中采集的光学数据进行计算，得到传感光纤应变空间分布的数字信息，再根据所设定的裂缝和应变的数值关系，判别哪些数据表示可能有异常情况发生，以及发生在工程哪个部位。

(3) 数据显示和查询：根据监测时间和结构位置等查询条件，显示监测数据和测算结果。

(4) 险情预警：系统检测到的光纤应变，如果达到设定的应变预警值，系统会自动向值班人员或系统访问人员发出险情报警信号。

(5) 远程访问：通过互联网远程查询监测数据和测算结果，组织异地专家开展咨询和会诊。

监测软件的功能框图如图3所示。

图3监测软件功能图

3工程应用

3.1　传感器布置

上述系统在某大坝混凝土垫层裂缝监测中得到应用。该大坝心墙混凝土垫层范围大，顺水流方向宽度最大处大132 m，沿河流左右两岸延展长度约为800 m，穿过坝轴向设置了6条纵向施工缝，分7个块体浇筑。传感光纤在大坝垫层中的布置，如图4所示。

图4传感光纤工程布置模拟图

图4为混凝土垫层模拟图(俯瞰图)。在软件系统中嵌入该图，监测系统对实际工程的险情预警，变得生动、直观，更为引人注意。图中显示，为了监测大坝心墙混凝土垫层可能发生的轴线垂向裂缝分布，沿垫层轴向埋设了多根传感光纤，每根光纤长度均为300 m。图中自下往上，光纤编号依次为1号～6号。其中，1号～3号光纤埋在混凝土垫层轴线的下方，4～6号光纤布设于混凝土垫层轴线的上方。

3.2　数据采集

首次开展的全天候连续检测，开始于2010年11月某日。检测间隔为1 h，期间共获得24组测试数据。将这些数据的平均值取为基准值。次日，每隔一周检测垫层一次。首检之后测得的数据，减去基准值，实为反映垫层其后实际变形的数据。

3.3　数据存储

图5检测数据导入计算机界面

3.4　数据测算及结果显示和查询

在文献[11]系统功能导航条中，设有“模型分析”一项。其下可见“测算结果查询”。用鼠标单击之，可显示应变传感光纤的应变测算结果，参见表2，表中右边有3个参数，即距离、原始应变和修正应变。根据录入计算机数据库系统的原始检测数据，以及输入的光纤应变敏感系数，可算得这3个参数。其中，原始应变和修正应变的计算，分别采用的是普通光纤和实际所用光纤的应变敏感系数。因此，修正应变较为接近传感光纤的实际应变分布。故新改进的软件系统，不再显示原始应变一栏。

表2　传感光纤的应变测试结果显示

在此部分，还可通过输入前面三个检测基本信息，定位，查询相应的测算应变。

3.5　曲线图形与监测结果

为便于对监测结果进行对比分析，附设应变与距离之间关系曲线生成功能，将某段监测时间内各条传感光纤的每次检测信息同时生成曲线。查看的检测时间范围可任意设定。

对大坝心墙垫层施工期间所获得的所有监测数据进行分析和对比结果是，仅1号传感光纤的应变分布出现过异常情况，2～6号光纤的应变基本都在正常范围内波动。现场查看发现，1号传感光纤应变分布的异常波动，是由光纤布设范围内的工程施工对其直接扰动造成的。

作为典型示例，生成1号光纤2010年11月3日到2010年11月25日期间的应变与距离关系曲线，见图6。

图6传感光纤应变与距离关系曲线

3.6　险情预警

在图4中先设置险情预警时间。在设置的时间范围内，系统测算的混凝土垫层某处应变，如达到预警值，则在某根光纤的相应位置，显示出红色小椭圆，表示有险情出现。在计算机屏幕上，当把鼠标移动到红色小椭圆上时，则在此处自动弹出预警信息，指异常应变值和所在位置。在监测实施过程中，1号光纤在104.8 m处，显示过红色小椭圆，提示予以注意。

4结语

结合某大坝混凝土垫层裂缝的施工监测，构建基于布里渊散射的分布式光纤远程实时监测系统。系统具有对分布式传感光纤应变监测数据自动存储、即时分析处理及查询、显示与预警和远程访问等必要功能，并在实际监测中运行良好。经过不断完善，系统的主要功能特点如下：

(1) 系统监测软件具有的数据导入功能，可将检测数据自动直接导入数据库，供进一步分析处理用。

(2) 可在本地和异地查询任一传感光纤在任一检测时间和空间范围内的检测结果，并在计算机屏幕上显现。

(3) 根据任一检测时间段内所有传感光纤的检测数据，可同时生成各自的应变距离曲线，以显示工程结构在某段时间内的整体力学性态。

(4) 将大坝混凝土结构监测部位及传感光纤的分布作为模拟图嵌入监测软件中，使险情预警变得直观，引人注意。

参考文献：

[1]Han B G, Yu Y, Han B Z, et al. Development of a wireless stress/strain measurement system integrated with pressure-sensitive nickel powder-filled cement-based sensors[J]. Sen-sors and Acuators A, 2008,147(2):536-543.

[2]Bao T F, Wang J L, Yao Y. A fiber optic sensor for detecting and monitoring crack in concrete structures[J]. Science China Technological Sciences，2010，53(11):3035-3050.

[3]赵晶磊,包腾飞,戚丹.基于塑料光纤裂缝传感器的裂缝开度预测[J].水电能源科学，2015,33(1)：131-134.

[4]Deif A, Mart′in-P′erez, Cousin B, et al. Detection of cracks in a reinforced concrete beam using distributed Brillouin fibre sensors[J]. Smart Materials and Structures, 2010,19(5):1-7.

[5]刘浩吾.混凝土重力坝裂缝观测的光纤传感网络[J].水利学报,1999,30(10):61-64.

[6]吴永红,徐洪钟,高培伟,等.混凝土高拱坝裂缝光纤监测络络构型的优化[J].水利水电科技进展，2006,26(6):37-40.

[7]吴永红,苏怀智,高培伟.混凝土坝裂缝光纤监测关键性基本问题的协同研究[J].水力发电学报，2007，26(4):120-123.

[8]刘迪仁.长距离分布式布里渊散射光纤传感技术研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[9]Li huan, Sun Yu, Zhao Yonggui, et al. Monitoring pressure and thermal strain in the second lining of a tunnel with a Brillouin OTDR[J]. Smart Materials and Struetures，2006，5(5):107-110.

[10]Feng Xin, Zhou Jing, Sun Chang, et al. Theoretical and expe-rimental investigations into Crack detection with BOTDR-Distributed fiber optic sensors[J]. Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2013，136(12):1797-1807.

[11]杨丽.Brillouin OTDR在混凝土裂缝检测中的应用研究[D].昆明:昆明理工大学大学，2011.

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.014

收稿日期：2015-04-11修稿日期：2015-05-21

基金项目：国家自然科学基金项目(50878152)

作者简介：曾红(1986—)，男，四川大竹人，助理工程师，主要从事水工结构设计与施工管理工作。E-mail：407139390@qq.com 通讯作者：吴永红(1966—)，男，安徽庐江人，研究员，博导，主要从事大坝安全监测方面的研究工作。E-mail：496567227@qq.com

中图分类号：TV698；TN247

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0072—04

Remote and Real Time Distributed Fiber Optic Monitoring System for Concrete Cracks and Its Application for Large Dams

ZENG Hong1, YANG Li2, LI Chuan2, WU Yonghong3, LIU Wei3, LIANG Shuang3

(1.ChinaHuanengGroupHydroLancangCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650214,China;2.CollegeofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500,China;3.CollegeofArchitecturalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500,China)

Abstract：Out of the need for automatic and real-time monitoring of engineering cracks, a distributed fiber optic concrete crack remote monitoring system for large dams based on Back Brillouin Scattering is constructed. The major work of constructing a monitoring system is developing the monitoring software that works in high performance computers situated in a monitoring center. This system can provide system detection control, instant monitoring data analysis and processing, monitoring result search and display, as well as early warnings. According to the application of the system to the concrete crack monitoring in a large dam, the various function features of the system are tested. This software is reliable and is worthy of further application in practical engineering.

Keywords:large dams; concrete crack; fiber optic sensing; monitoring system; engineering application