光纤光栅传感技术在水工结构监测中的应用研究

吕磊 陈剑

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

0 引言

水工结构中坝体的安全运营关系国家与社会的稳定。从上世纪80年代开始，全世界工程师都关注于工程监控技术的开发和应用[1-2]，各类型监测技术不断地被研发，水利工程中健康监测的技术也出现了很多新的类型[3]。基于自动化系统的健康监测手段在水利工程中频繁应用，例如差阻式传感器及振弦式传感器被大量采用，取得了一系列成果[4]。

近年来随着新型光纤光栅传感设备在桥梁工程中的成功应用，其耐久性好、精度高、应用范围广的特点被水利工程师所看重，逐步应用到水工结构检测中[5]，相比较桥梁工程，水工结构有其自身特点，因此需要针对性解决一系列问题[6]。

本文以某水工混凝土结构为工程背景，对光纤光栅传感设备在日常监测中的应用进行了初步探索，为今后的相关应用提供一定的参考。

1 光纤光栅传感基本原理

相较于传统传感设备，光纤光栅基于光纤传输特性，起源于光纤通信技术。光纤光栅传感技术近年来发展快速，例如在土木工程中，道路桥梁工程的健康检测广为使用[7]。

光纤传感器中的光纤和一般通讯光纤结构相似，分为三个部分：纤芯、包层和涂覆层。光纤纤芯以二氧化硅为主，基于全内反射物理原理，特定的光波会在纤芯中传输[8]。在特定波段的宽光谱光作用下，纤芯存在着光敏感特性，光纤折射率会根据光源的不同特征而发生变化。光纤中形成一定周期的折射率变化，这是光纤光栅的应用基础。

光纤光栅传感器是一种准分布式传感器，在其某一范围内，沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成芯内体光栅。因此，应力应变、温度差异变化的量测，可以通过监测光纤光栅中波长的变值而准确量测[8]。

光纤光栅传感器，其结构形式是非常简单的。在高温或酸碱的不良环境中能长期应用，并且相比其他类型，稳定性好，可靠度高。在传导光纤上，可以完全完成多位置布设、多参数独立测量，从而在复杂的水工结构中是可以充分发挥其能力的。

2 水工混凝土结构监控要点

在全服役周期内，水工混凝土结构通常会面临高速水流的渗透、侵蚀、冲刷、磨耗，同时，各种外部荷载也不断变化。绝大多数工程会在设计、施工中存在一定的先天缺陷。各种内外因素不断作用和累积，构筑物必然会产生一定程度的结构问题，导致结构耐久性下降，结构在使用中可能出现开裂、变形位移等病害，结构的使用安全面临不小的风险。

大多数的水工结构监测包含了位移监测、渗流监测、应力应变监测和数据采集及后处理等，其中，结构位移监测主要有水平和竖直位移、基础沉降量、变形缝变形量等；结构渗流监测主要包括结构物本身以及结构物基础、建筑物基底及边界处渗透压力及渗流量；应力应变监测由三个部分构成：内部钢筋应力监测、混凝土应力监测、岩土压力监测；数据采集及后处理的目的是对各监测仪器数据进行采集、分析。

3 光纤光栅传感系统的构建

3.1 光纤光栅传感器选择

在实际使用中，光纤传导需要考虑信号衰减、互扰的问题，由于光纤传感设备信号传输中存在损耗，一般考虑10%的能量损耗[7-8]。在实际工程中，应先根据需求选择合适的传感器调制方式以及传感器类型，之后再进行传感器的布设安装。

在大型新建工程中，构建施工监控或者后期运营健康监测系统，用埋入式光纤光栅布设方案较为科学，效果更好；已运营的工程结构，一般以外部设置为主，有损安装方式辅助，将不同类型的传感器安装在结构的重要位置进行健康监控。

3.2 传感器优化布置

水工结构健康监测系统需考虑各类传感器的优化布置，目的是通过用最小的成本来准确掌握结构的实时状态，减小资源浪费。

关于优化传感器布置，目前集中关注以下方面：第一，尽量使用网络协议传感器，以此实现系统中数据采集的实时传递与共享；第二，采用遗传算法对监测系统中传感器的优化布点优化计算和修正。国内外有很多工程师采用广义遗传算法进行传感器优化布置设计，或者采用关键截面插值拟合误差最小准则进行优化配置。

水工混凝土结构在使用期间存在服役环境复杂多变等影响，目前还没有统一的传感网络优化布设应用方法。在实际服役期间，传感器的布设数量十分巨大，需要根据实际工程单独或者参考同类工程设计和使用某种优化方法。目前大型水工结构监测系统存在的主要问题是成本太高，系统的可靠度偏低。传感器布设位置、布设数量、网络的鲁棒性等问题都是后续值得关注的问题。

3.3 水工混凝土结构健康监测系统的应用

以某水工混凝土结构为例，采用光纤光栅传感器构建其健康监测系统。混凝土结构的主体部分，侧面的中下部，横截面结构板顶、板底对称线位置，以及主体过渡区段都需要重点关注。此外，在出入水口的辅助建筑，如检修室以及渠段口底部，同样是设置监测的重点区域。这样的设置和实际需求非常接近，实际监控设计同时需要通过数值分析找到较为敏感的位置，也就是受力最不利的区域、荷载比较集中的地方，并结合工程设计和实际施工，进行传感器合理布设和安全健康监测系统建设。

综合考虑该工程结构特点，监测的重点区域和关注点主要包含结构断面最不利部位的应力和裂缝实测；不同的区段搭接止水位置的渗流以及位移测量；土压力监测；引水、出水渠道变化段的渗流测量；结构位移、应力应变传感器优化布置需要计算结构应变模态，综合考虑实际结构的构建，采用遗传算法优化计算和修正。

本结构健康监控系统采用的是分布式监测体系，监测中心独立设置。重要混凝土结构物的监测设备基于自动采集，传送到数据中心。设定数据采集仪单一通道，根据规定时间自动采集、存储数据，并向数据中心传输数据。系统的网络通信采用无线传输。全部监测设备的率定、安装、施工期观测、仪器保护、数据采集、整理、分析及资料整编等工作和实际施工同步进行。

健康监控系统监测内容有：水体渗流、结构应力应变、水位、锚杆应力、位移、裂缝等。在重点断面布设光纤光栅传感器，在设计位置按要求布设数量不等的传感器（1～4个），其中渗流传感器与结构间距须严格按照设计要求布设。

4 结论

本文采用新型的光纤光栅传感技术，考量了水工混凝土结构基本特点，对运营期健康监测系统建设进行了初步探索。

1）对水工结构日常监测相关理论和研究进行了一定总结，同时对比分析了传统监控手段的缺陷和不足，阐述新型光纤光栅监测系统的优势和特点；

2）基于新型光纤光栅传感器的特点和优化布点原则，开展光纤光栅多参数体系的构建；

3）基于结构监测系统架设原则，结合实际混凝土结构，建立了日常健康监测机制，完成基于新技术的系统理论构架。