分布式光纤传感技术在智能大坝安全监测中的应用研究

欧阳步云

摘 要：智能大坝的建设必定离不开智能化的监测手段，文章从分布式光纤传感技术的基本原理出发，分别对分布式光纤传感技术在大坝裂缝预测和监测，以及混凝土结构温度场监测中的应用现状进行分析，并尝试对智能大坝分布式光纤智能传感系统的构建进行分析，从而对大坝应力、变形、位移、温度、渗流等监测量进行智能传感监测，实时反馈各个物理量的变化规律，对大坝的施工、运行期的全过程、全生命周期控制，保证大坝长期安全稳定。文章旨在为水利工程相关技术人员掌握分布式光纤传感技术在智能大坝安全监测中的应用提供参考。

关键词：分布式光纤传感技术；智能大坝；安全监测

引言

大型水电站坝址地质条件复杂，多处于高震区和高地应力区，一旦失事，将会给下游人民的生命和财产带来重大损失，因此，对大坝进行安全监测非常必要。为了保障大坝建设以及全生命周期运行过程中的长久安全，100多年以来，人们一直在探索建设更好大坝的相关理念和技术，大坝的施工与运行管理模式经历了简易工具时代，大型机械化时代，直到今天的自动化、数字化、智能化时代。所谓智能大坝（Idam），是基于物联网、自动测控和云计算技术，实现对结构全生命周期的信息实时、在线、个性化管理与分析，并实施对大坝性能进行控制的综合系统；其基本特征是施工、监测数据智能采集进入数据库，监测数据与仿真分析一体化、施工管理和运行控制实时智能化，减少在大坝结构建设运行过程中的人为干预。

智能大坝的基本构成包含实时传感感知、实时驱动分析、预警预报控制三个关键要素，而其中智能大坝传感感知系统的构建是智能大坝的基本要素，只有在其基础上才能进行大坝的实时驱动分析和预警预报控。智能大坝实时传感感知的实现必定离不开智能化的监测手段，分布式光纤传感技术以连续立体式监测、定位精确、测量精度高、实时性和抗干扰性高等多重优点，近年来已成为水利工程安全监测的研究热点。文章将从分布式光纤传感技术的基本原理出发，分别对分布式光纤传感技术在大坝裂缝预测和监测，以及混凝土结构温度场监测中的应用现状进行分析，并尝试对智能大坝分布式光纤智能传感系统的构建进行分析，为水利工程相关技术人员掌握分布式光纤传感技术在智能大坝安全监测中的应用提供参考。

1 分布式光纤传感技术原理

分布式光纤传感技术（Distributed optical fiber sensing technology）是利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等）；传输过程中，光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感器（Distributed fiber sensor）不仅具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点，因此，成为光纤传感技术研究领域的热点之一。激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中含有各种杂质，导致激光和光纤分子出现相互作用，从而产生瑞利、拉曼和布里渊这三种散射光，依据所监测信号的不同，目前对分布式光纤传感技术的研究主要集中在基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纤传感技术、基于拉曼（Raman）散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊（Brillouin）散射的分布式光纤传感技术三个方面。

2 分布式光纤传感技术在智能大坝安全监测中的应用

大坝在建设与运行期间一般需要进行应力、变形、位移、温度、加速度、渗流、开合度等方面的监测，反馈各种物理量变化规律，从而对大坝的施工、运行期的全过程、全生命周期控制、保证大坝长期安全稳定。传统的监测仪器一般使用电类传感器，此类传感器对工作的环境要求严，抗干扰能力差，安装复杂干扰施工，尤其是传统的监测一般都是分散的点数据，而且也很少能做到实时监控，所以往往会漏测了很多重要的数据信息。鉴于此，人们不断寻求新技术来解决这些问题，分布式光纤传感技术恰恰解决了这一问题。

2.1 分布式光纤传感技术在智能大坝裂缝预测和监测中的应用

大坝混凝土结构内部应变监测和裂缝监测是评价大坝健康状况的主要指标，由于各种因素的影响，导致坝体裂缝产生的具体位置难以判断。传统的点式电测仪器很可能漏检，而分布式光纤裂缝传感器能捕捉随机裂缝，分布式光纤应变监测系统能感知大坝各部位应力应变，将这两种系统联合使用，则能达到在裂缝产生前预报裂缝、在裂缝产生后监测裂缝的双重效果。施工前分析混凝土坝坝体结构以及在不利工况下运行的应力应变，根据分析结果对光纤网络进行立体优化布设，建立大坝裂缝智能监测感知系统，实现对大坝的实时、在线、立体监测。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。

2.2 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统在大坝混凝土结构温度场监测中的应用

在对基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的三类分布式光纤传感技术进行比选论证后发现，拉曼散射光对温度最为敏感，基于拉曼散射的分布式光纤传感技术适用于温度单一参数监测，它具有良好的现场适应性、温度自补偿、远程分布式测量等优点，能对光纤测量的温度场进行分布式的连续监测，是实现实时测量空间分布温度的一种新技术。目前，基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的技术已经相当成熟，并实现了产品化，先后成功运用到了三峡、百色、小湾、溪洛渡等工程的大坝混凝土结构温度场的监测中。国内外相关的研究和实践表明，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统能快捷、准确地监测大坝混凝土结构内部温度场的变化，为有效地评价大坝安全提供了可靠的科学依据。图1为采用分布式光纤（DTS）测温系统对混凝土真实温度场进行监测的流程。

3 智能大坝分布式光纤智能传感系统的构建

智能传感器系统的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。智能大坝传感感知系统的构建需要解决智能传感监测模型、智能监测类型、大坝内部智能传感器布置设计原理，大坝人工智能集成技术等一系列的复杂问题；同时，在大坝现场还包括智能传感器系统的故障通信技术、诊断与程序技术等关键技术。智能传感器的优势，是能从过程中收集大量的信息以减少宕机时间及提高质量。智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，可以用来对大坝应力、变形、位移、温度、加速度、渗流、开合度等监测量进行智能传感监测，实时反馈各个物理量的变化规律，从而对大坝的施工、运行期的全过程、全生命周期控制、保证大坝长期安全稳定。

文章在融合分布式光纤应力应变监测系统和分布式光纤裂缝监测系统的基础上，结合分布式光纤传感技术在坝体温度、渗漏和位移监测中的应用，建立分布式光纤大坝健康监测智能传感系统，在大坝施工期及运行期对坝体各部位进行实时监测，避免大坝的施工、运行期的全过程中不利工况的出现。分布式光纤大坝健康监测智能传感系统的基本结构如图2所示。

4 结束语

文章在总结分析分布式光纤传感技术在智能大坝裂缝预测和监测，以及混凝土结构温度场监测中应用的基础上，提出了智能大坝健康监测智能传感系统的构建思路，从而对大坝应力、变形、位移、温度、渗流等监测量进行智能传感监测，实时反馈各个物理量的变化规律，对大坝的施工、运行期的全过程、全生命周期控制，保证大坝长期安全稳定。

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