基于POF-OTDR的混凝土坝裂缝监测复用能力分析

包腾飞，赵津磊，李涧鸣



基于POF-OTDR的混凝土坝裂缝监测复用能力分析

包腾飞1, 2, 3，赵津磊4，李涧鸣1, 2, 3

(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2. 河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，南京 210098；3. 河海大学水利水电学院，南京 210098；4. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，扬州 225127)

塑料光纤由于弥补了石英光纤容易断裂的缺点，且具有大直径、低成本、高可塑性、良好韧性等优良特性，在结构裂缝监测领域具有良好的前景．将塑料光纤应用于以混凝土坝为代表的大体积混凝土结构裂缝监测时，不仅要求其能够感知单条裂缝的产生，更需要其具有对结构多处开裂的感知和持续监测能力．为了研究塑料光纤对混凝土结构多条裂缝的监测能力，设计了一套模拟结构出现不同角度裂缝的试验装置，采用光时域反射技术进行了力光转换特性试验，并利用试验结果推导了单支塑料光纤对裂缝监测的复用能力．试验结果显示，塑料光纤对裂缝开展的感知敏感性随塑料光纤与裂缝的夹角和裂缝开度的增大而降低．理论分析表明，塑料光纤的复用能力和敏感性之间存在相互制约关系，即塑料光纤与裂缝夹角较大时，敏感性较大，而复用能力较小，反之亦然．基于以上分析，以某混凝土坝为例结合两种不同敏感程度的布设方式计算了各坝段开裂情况对光时域反射动态范围的消耗量，验证了以上结论，并对塑料光纤在混凝土坝中的实际裂缝监测能力进行了探讨和评估．分析表明，塑料光纤虽具有较好的裂缝监测复用能力，为避免出现裂缝漏检的情况，实际应用中建议首尾两端探测和分坝段布设多条塑料光纤．

塑料光纤；光时域反射；裂缝监测；复用能力

结构裂缝监测对结构安全评估具有重要意义．然而，由于裂缝具有随机和不确定的特性，现有技术难以对结构裂缝进行动态和长期的监测．光纤具有分布实时监测和远程长期监测的潜力，近来在结构裂缝监测方面受到越来越多关注，以往研究对象多为石英光纤[1-2]．塑料光纤(plastic optical fiber，POF)由于克服了石英光纤易断裂的不足，且具有大直径、良好韧性、高可塑性、低成本等优良特性，在混凝土结构裂缝监测方面具有良好的应用前景[3-6]．

由于混凝土坝工程裂缝分布范围广而且往往数量较多，将POF通过一定方式埋设于混凝土坝内时，可能会出现多条裂缝穿过同一条POF的情况，此时POF需具备感知和分辨多处开裂的能力．表征POF对多条裂缝的感知能力的参量主要是复用能力．其大小关系到坝体可探测裂缝的条数、宽度和分布范围，对POF分布式裂缝监测能力和工程应用潜力的发挥具有重要意义．吴永红等[7-9]推导了单模石英光纤微弯损耗方程，对监测复用能力进行了定量分析，并通过模型试验研究了大坝裂缝开展随机性以及涂覆层对光纤监测能力的影响，结合三峡工程泄洪坝段的工程实例分析了光纤裂缝复用能力的工程适用性．钱飞等[10]通过理论分析和模型试验分析了裂缝开度、夹角和间距对光纤微弯裂缝传感器复用性能的影响，并提出了复用能力优化公式和修正方法．Liu等[11]结合OTDR和TDM技术提出了一种新型光纤布拉格光栅复用方法，并从理论上分析了监测复用能力，探讨了新型光纤传感器在航空航天健康监测领域的应用．以上研究均为石英光纤，鲜见有塑料光纤对裂缝监测复用能力的相关文献报道．

本文采用光时域反射技术(optical time domain reflect，OTDR)通过试验研究单支POF对裂缝监测的复用能力，并以此为基础对POF在某混凝土坝裂缝监测能力的适用性进行探讨．

1 POF-OTDR裂缝监测及复用能力

1.1  POF中的瑞利散射

POF内部光散射分为瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，光频谱如图1所示．其中，瑞利散射是由于POF材料内部微观折射率不同而产生的一种光散射现象．可以看出，瑞利散射强度相对较高，可以作为光学特征指标分析光纤的状态．

图1  POF内部散射光频谱

1.2  基于POF-OTDR的裂缝分布式监测

POF-OTDR技术通过向POF的一端发射光脉冲并于同一端监测POF内部各处的背向瑞利散射强度，实现对POF内部各处光学特性的连续性测量．由式(1)可见，光纤线路各点瑞利散射强度的返回曲线为一条指数衰减曲线，在外界因素影响下，当光纤内部某处光强度降低时，该处的瑞利散射强度也会降低，从而导致瑞利散射强度返回曲线出现局部下降的情况．当混凝土结构发生开裂时，布设在其中的POF会发生局部变形，从而引起光信号出现局部高损耗．通过OTDR测量POF后向瑞利散射光损耗的位置和大小即可实现对混凝土中的裂缝的分布式监测．POF-OTDR光学传感系统及典型测试界面如图2所示．

图2  POF-OTDR光学传感系统及典型测试界面

1.3 POF-OTDR裂缝监测复用能力

POF-OTDR裂缝监测的复用能力为在OTDR动态范围内单支POF能测得的与裂缝宽度相对应的裂缝条数．

式(3)中指数项表达式可用于分析POF复用能力的力光转换关系，即POF光损耗总和表示为

考虑由裂缝引起的光损耗，则个裂缝点引起的光损耗为

图3  POF-OTDR多条裂缝监测示意

2  POF-OTDR裂缝监测复用能力试验分析

2.1  POF力光转换特性试验

为了得到单一裂缝POF光损耗与裂缝宽度的关系，设计了一套模拟结构出现不同角度裂缝的装置，如图4所示，假设裂缝为张开型且POF与裂缝斜交．该装置由一组有机玻璃板和一台位移控制平台组成．使初始紧靠的两块玻璃板发生相对移动而产生缝隙，以此实现张开型裂缝的模拟．用环氧树脂胶将POF以不同夹角粘贴于两玻璃板上，以此控制POF与裂缝的夹角．本研究选用的POF为三菱公司的SH2001-J，OTDR为SCIENTEX Inc.生产的OTDR-2100POF-650-4．

图4  裂缝模拟装置实物及示意

POF的一端连接OTDR设备，另一端连接一500m的POF线圈(尾纤)．试验中通过位移控制平台的摇轮控制图中上方玻璃板缓慢竖直向上移动，实时记录裂缝开度值及对应的光损耗水平，当光损耗水平不再发生明显变化时停止试验，将POF与裂缝呈不同角度(30°、45°、60°)布置并进行多次试验，试验结果如图5所示．结果显示，裂缝开度较大时POF对裂缝开展的感知敏感性降低，而且POF与裂缝夹角较大时POF对裂缝开展的感知敏感性也会降低．

图5 裂缝模拟试验中不同角度布置下裂缝开展时POF内部光损耗测试结果

2.2  复用能力分析

本文选用的OTDR动态范围为17dB，分析处理试验结果，可推算POF的裂缝监测复用能力，如图6所示．可以看出，整体上POF对裂缝的复用能力随裂缝开度的增大而减小，而且POF与裂缝的夹角较大时可以获得较高的复用能力，与图5得出的敏感性规律相反．对比不同情况下POF对裂缝的复用能力和敏感性可以得出两者存在相互制约的关系，即POF与裂缝的夹角较大时，光损耗较低，则POF对开裂较不敏感，而复用能力则较大，反之亦然，因此难以兼顾敏感性和复用能力，均达到最优．在实际应用中，应根据实际情况对两者进行协调优化，折中处理．即结合工程力学性态和已有工程资料和经验合理设计POF的布置形式，使POF与裂缝的夹角能保证POF对裂缝的复用能力和敏感性均满足工程需求，同时取得相对较佳的效果．

图6 基于裂缝模拟试验的POF复用能力推算结果

3 工程实例分析

某混凝土坝位于黄河上游干流，其水库具有多年调节性能．工程的任务是以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用效益．枢纽由主坝、两岸重力墩、两岸重力副坝、泄水建筑物、引水建筑物和水电站厂房等组成．挡水前缘总长度1226m，其中主坝396m，最大坝高178m，最大底宽80m，建基标高2432.0m，坝顶高程2610m．水库校核洪水位2607m，坝前正常高水位2600m，汛期限制水位2594m，死水位2560m，极限死水位2530m．正常高水位下库容247×108m3，有效库容193.5×108m3．电站装机128×104kW，保证出力58.98×104kW，年发电量59.42×108kW·h．该工程自蓄水以来，在坝体下游面出现了大量裂缝，以水平裂缝居多，主要分布在拱冠梁9#坝段及其两边坝段的2510～2570m高程，其他部位分布较少或以短、小裂缝为主，下游面裂缝分布情况如图7所示，各坝段裂缝最大开裂宽度及裂缝条数的检查情况见表1．

根据该工程的开裂情况，从整体上初步对POF在实际工程中应用时的复用能力进行分析．在分析中假设每条裂缝与POF只有一个交点，且不考虑相交方式的差异．根据第2节所得出的POF对裂缝敏感性与复用能力的相互制约关系，从两种情况考虑，分别是：①情况1：POF对裂缝敏感性较佳的情况，即POF与裂缝开展方向夹角较小，这里以夹角为30°为例；②情况2：POF对裂缝敏感性较差的情况，即POF与裂缝开展方向夹角较大，这里以夹角为60°为例．

结合第2节试验结果和POF复用能力的定义公式(5)，计算了该工程各坝段的开裂情况对OTDR动态范围的消耗量(即开裂使POF产生的光损耗量)，结果如表1所示．

由表1中的计算结果可以看出，在情况1即POF与裂缝总体呈较敏感布设方式下，坝体裂缝总体的光损耗需求量为17.154dB，已经超出了OTDR的固有动态范围．另外，考虑到实际应用中会由于铺设操作等原因造成额外损耗，该情况下的坝体开裂总体动态范围实际需求量大于17.154dB．这说明当使用POF-OTDR技术对裂缝开裂情况进行探测时，如果探测光的方向由坝段3#至坝段16#，则会出现后面若干坝段的开裂无法探测的情况．但是考虑到POF- OTDR技术可以从首尾两端分别进行探测，即该情况下当将探测光的传输方向改为由坝段16#至坝段3#，则可得到漏检坝段的开裂情况．在情况2即POF与裂缝总体呈敏感性较差布设方式下，坝体裂缝总体光损耗需求量为11.706dB，说明该情况下单条POF即可完成对整个坝段开裂情况的探测．图8为上述两种布置情况下各坝段裂缝的动态范围消耗量占总消耗量的百分比，可以看出，裂缝引起的光损耗主要发生在中间坝段，两种情况下仅拱冠梁附近的7#、8#、9# 3个坝段裂缝的动态范围消耗量分别占到了53.61%和51.94%．

图7  某混凝土坝下游面裂缝分布

表1 某工程坝体开裂情况及动态范围消耗量计算结果

Tab.1 Crack status and dynamic range consumption of a concrete dam

以上分析均基于每条裂缝与POF只有一个交点的理想假设，实际应用中坝体开裂情况错综复杂，每条裂缝可能与同一条POF存在多个交点．假设每条裂缝与POF有2个交点且POF与裂缝总体呈较敏感布设方式，如果从坝段3#向坝段16#进行探测，则在9#坝段就会出现开裂无法探测的情况，即使从POF首尾两端分别进行探测，也会出现中间部分坝段开裂无法探测的情况．因此虽然理论上POF具有较好的裂缝监测复用能力，但在实际应用中也应分坝段布设多条POF以保证不会出现裂缝漏检的情况．由图7和图8可知，为了在成本一定的情况下取得更好的监测效果，宜在中间坝段靠近下游面的坝体中上部布置多条POF．

图8 两种布置情况下各坝段裂缝动态范围消耗量占比

4  结 论

(1) 通过模型试验研究了POF与裂缝呈不同角度时POF光损耗与裂缝宽度关系，由试验结果推算了POF监测多条裂缝时的复用能力，综合试验结果和复用能力关系，可以得出POF监测裂缝的复用能力和敏感性之间存在相互制约关系．

(2) 以某混凝土坝为例计算了各坝段的开裂情况对OTDR动态范围的消耗量，分析了POF在实际工程中监测多条裂缝的能力．

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Multiplexing Capability Analysis of Crack Monitoring of a Concrete Dam Based on POF-OTDR

Bao Tengfei1, 2, 3，Zhao Jinlei4，Li Jianming1, 2, 3

(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China；3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4. Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China)

It is widely accepted that plastic optical fiber will have a broad application in the field of crack monitoring. Unlike the optical fibers of silica，this fiber is not easy to break and enjoys the advantages of large diameter，low cost，high plasticity，and good toughness．In the application of plastic optical fibers to crack monitoring of mass concrete structures like concrete dams，not only is the capacity for single crack sensing needed，but also the capacity for sensing and continuous monitoring of multiple cracks．In order to investigate the monitoring ability of plastic optical fibers for concrete structures with multiple cracks，a device which is capable of monitoring different angles between fibers and cracks was designed，and optical experiments using an optical time domain reflectometer were carried out．The crack monitoring multiplexing capability of single plastic optical fibers were then analyzed based on the experimental results．The results showed that the sensitivity of plastic optical fibers in terms of crack propagation decreases with increased angle and crack width．Theoretical analysis indicated that there is a constraint between multiplexing capability and sensibility of plastic optical fibers，i．e.，when the angle between plastic optical fiber and crack was great，the multiplexing capability was high while the sensitivity was low，and vice versa．Based on the above analysis，a concrete dam was studied as an engineering example．Specifically，in consideration of two design layouts，optical loss of plastic optical fibers resulting from cracks was calculated for each dam part．Actual monitoring ability of the plastic optical fibers in the dam is discussed and evaluated．Fibers with both ends showed superiority in real application and，in the process of avoiding missing inspection multiples，offered the good multiplexing capability of the single plastic optical fiber．

plastic optical fiber(POF)；optical time domain reflect；crack monitoring；multiplexing capacity

TN247

A

0493-2137(2019)08-0804-06

10.11784/tdxbz201805039

2018-05-20；

2018-12-10.

包腾飞（1974—  ），男，教授.

包腾飞，baotf@hhu.edu.cn.

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401601)；国家自然科学基金资助项目(51579086，51739003，51479054，51379068，41323001)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2018B623X14)；江苏省杰出青年基金项目(BK20140039)；江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX18_0592)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(水利工程)(YS11001).

the National Key R&D Program of China(No.2016YFC0401601)，the National Natural Science Foundation of China (No.51579086，No.51739003，No.51479054，No.51379068，No.41323001)，the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2018B623X14)，the Jiangsu Natural Science Foundation(No.BK20140039)，the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province(No.KYCX18_0592)，the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions(No.YS11001).

(责任编辑：王晓燕)