基于分布式光纤传感检测法的水利施工混凝土裂缝检测效果分析

文玉忠

(互助县水务局,青海 互助 810500)

水资源作为人类生存与发展的基础资源，在给人们提供物质基础的同时还带来了水旱灾害，《2013—2017年中国水利工程行业领先企业经营策略与优劣势分析报告》显示，我国水旱灾害造成的经济损失占各类自然灾害总损失的60%左右。水利工程是为预防旱涝灾害而修建的民生工程之一，自新中国成立以来，我国一直致力于兴修水利，到目前为止，已修建上千座水利工程，如长江三峡水利枢纽工程、葛洲坝水利枢纽工程、黄河小浪底水利枢纽工程等。水利工程的修建在防洪、除涝、灌溉、发电、供水、围垦、水土保持、移民、水资源保护等方面起到了重要作用。但由于水利工程一般均建在条件复杂恶劣的环境中，在加上水流的冲击和腐蚀，会出现衰变与老化现象。大坝是水利工程中重要组成部分之一，对安全性要求极高。水利工程大坝多采用钢筋混凝土进行修建，强度、硬度较大，能很好抵御外界环境的侵蚀，但是却存在一大缺点，易受温度影响，坝体易出现裂缝，对整个水利工程质量造成严重影响，必须对水利施工混凝土裂缝进行实时检测，以便及时进行维修，减少影响和损失[1]。传统水利施工混凝土裂缝检测方法多是依靠人力进行现场观测，采用的仪器智能化程度也比较低，很大程度上限制了检测效果。针对上述问题，本研究采用分布式光纤传感器对水利施工混凝土裂缝进行检测，并对其检测效果进行分析，分析结果：利用分布式光纤传感器检测水利施工混凝土裂缝，误差较小，检测效果较好。

1 分布式光纤传感器检测混凝土裂缝

1.1 设备选取

光纤传感器是伴随光纤及光纤通信技术发展而逐步形成的一种新型传感器，在水利施工混凝土大坝裂缝的检测中具有重要作用[2]。本研究采用南京华师科技有限公司生产的型号为HS-FB2000分布式光纤传感器如见图1所示。对混凝土大坝裂缝进行检测，HS-FB2000分布式光纤传感器各项参数见表1。

图1 HS-FB2000分布式光纤传感器

名称参数值工作温度-100～200℃定位精度5cm检测时间3s检测距离0～50m信号接口RS232/485最大功率50W电源AC220V.50Hz

HS-FB2000分布式光纤传感器具有安全，防燃、防爆、耐腐蚀等优点；能直观显示各被测部位的具体位置及名称；能实时连续的检测；支持远端监控和管理；具有自检、标定和校正功能，可判断混凝土裂缝故障点，便于维护；易于安装、成本低，使用寿命长[3]。

1.2 检测过程

分布式光纤传感器采用了独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控，由此可知利用该传感器对混凝土裂缝进行检测的实质是通过分布式光纤传感器发射布里渊散射光，并将其作为传感敏感元件和传输信号介质，然后通过otdr技术检测光布里渊散射光的射频量来观察光纤分布沿途上温度和应变的变化，实现对混凝土裂缝检测[4]。

光布里渊散射光的射频量与光纤应变量、温度的关系：

(1)

1.3 传感器布设

水利工程混凝土大坝受到的攻击载荷众多，如自然环境、认为破坏、水力作用等，导致大坝内部的应力分布比较复杂，所以混凝土裂缝出现较为随机，没有规律性，因此要想准确且快速检测出混凝土大坝裂缝位置以及变化状况，就需要将分布式光纤传感器布设到裂缝最有可能出现的区域。传感器布设方案有3种：水平布设，网格布设和斜向布设[5]。这里采用网格布设方式如图2所示。

图2 分布式光纤传感器布设方式

该方式检测范围广，能对混凝土大坝进行全方位检测，检测遗漏性低。

2 混凝土裂缝检测效果分析

为验证检测结果的准确性，在布设分布式光纤传感器相同的位置上同时布置电阻应变片用于测量应变的元件。

混凝土裂缝的发展过程主要经历3个阶段：第一阶段是混凝土第一条裂缝出现阶段，这一阶段的混凝土应变等于混凝土极限拉应变[6]。计算公式如下：

a0=a1

(2)

式中，a0—分布式光纤传感器测得的应变；a1—混凝土应变。

第2阶段为裂缝发展阶段，这时随着载荷的增加，裂缝扩大，形成一条主裂缝，裂缝周围应力释放但仍然处于受拉状态[7]。计算公式如下：

(3)

式中，a1an—各段混凝土应变；d1dn—混凝土长度；m1mn—裂缝宽度；L—标距。

第3阶段为裂缝极限阶段，这时载荷增加到最大，主裂缝达到最大，且周围有很多分支裂缝，大坝马上可能出现断裂，混凝土应变全部转变成极限拉应变[8]。计算公式如下：

(4)

为准确检测出混凝土裂缝变化情况，本实验模拟真实水利工程混凝土大坝受力情况，然后利用上述公式对应力进行计算。

2.1 第一阶段检测效果分析

以每次10kN的加载等级对混凝土大坝加载负荷，直到大坝出现第一条裂缝(裂缝2)为止，这条裂缝出现在2号分布式光纤传感器附近。查看2号分布式光纤传感器和2号电阻应变片，可知加载到10kN混凝土大坝开始出现裂缝，10kN为大坝裂缝界限值，一旦超过这个值，混凝土大坝就进入到了危险阶段[9]。为验证分布式光纤传感器检测效果，通过上述计算公式计算出裂缝应变力，并与通过电阻应变片得到的结果进行对比，见表2。

从表2中看出，利用分布式光纤传感器测得的应变力为0.00151，与利用电阻应变片测得的应变力十分接近，误差为0.00001。

表2 第一阶段应变力计算结果

2.2 第二阶段检测效果分析

载荷15kN到50kN是裂缝发展阶段，2号裂缝从2号分布式光纤传感器延伸到了3号分布式光纤传感器，裂缝宽度从0.14mm扩大到0.28mm[10]。为验证这一阶段分布式光纤传感器检测效果，通过上述计算公式计算出裂缝的应变力，并与通过电阻应变片得到的结果进行对比，见表3。

表3 第二阶段应变力计算结果

从表3中看出，不同载荷下，利用分布式光纤传感器测得的应变力与利用电阻应变片测得的应变力十分接近，计算误差均不超过0.00003。

2.3 第三阶段检测效果分析

载荷50kN到200kN是裂缝极限阶段，2号裂缝途径2号分布式光纤传感器和3号分布式光纤传感器，并贯穿了二者连接的这条线上，裂缝宽度已达到0.62mm，并且2号裂缝出现许多小的分支裂缝并即将变成主裂缝，混凝土大坝有即将垮塌的风险。为验证这一阶段分布式光纤传感器检测效果，通过上述计算公式计算出裂缝应变力，并与通过电阻应变片得到的结果进行对比，见表4。

表4 第三阶段应变力计算结果

从表4中看出，不同载荷下，利用分布式光纤传感器测得的应变力与利用电阻应变片测得的应变力相对比，误差在0.000012之内。

通过分布式光纤传感器能够很好捕捉到裂缝的产生及发展过程。随着载荷增加，分布式光纤传感器测得的应力结果与电阻应变片测得的结果始终十分接近，误差控制在0.00002之内，由此可知分布式传感器能够很好完成水利工程混凝土坝裂缝的检测工作，方便了大坝维护工作，保护了混凝土大坝的安全。

3 结语

综上所述，水利工程常年累月运作，会逐渐老化，坝体出现裂缝，而裂缝的出现会降低混凝土大坝安全性，严重时会出现崩塌，所以为预防这一现象，必须对水利施工混凝土裂缝进行检测。本次研究一种分布式光纤传感器，能够准确捕捉裂缝的产生及发展情况，误差较小，这为水利工程的建设和维修提供了有力的帮助，简化了维修程序，提高了维修效率，但是在本次研究中也存在一些不足，不同型号混凝土建筑的大坝，裂缝形式不一样，传感器选取时应进行调整。