光纤光栅监测仪器在长距离隧洞中的应用

2021-01-07叶雷震宋汉耀

浙江水利科技 2020年6期

叶雷震，宋汉耀

（1.杭州市水利水电工程质量安全管理服务中心，浙江杭州 310016；2.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江杭州 310009）

1 问题的提出

随着水利水电工程的快速发展，水利水电项目中隧洞建设的规模和距离日益趋增，水工隧洞设计及施工直接影响隧洞使用年限[1]，而安全监测又是水利工程建设施工和工程安全评估不可缺少的部分。目前，振弦式和电阻式监测设备的稳定性受检测距离限制，难以满足远程工程监测需要。设备电缆长度超过一定范围，会对传感器数据的精度和可靠性产生影响，难以正常获取监测数据。光纤光栅FBG技术采用可适应长距离传输的光纤作为媒介，将对应的解调设备安装于终端，实现安全监测半自动化。基于杭州第二水源千岛湖配水工程，本文主要介绍光纤光栅监测仪器在长距离水利隧洞中的应用。

2 工程概况

千岛湖配水工程从新安江水库上游淳安金竹牌村附近取水，通过全封堵暗管将水引至杭州市闲林水库配水井进行水量分配，为杭州市民提供优质的千岛湖原水。千岛湖—闲林水库输水建筑物包括输水隧洞、埋管、跨江建筑物、沿线事故检修设施、交通洞以及闲林控制闸等。千岛湖—闲林水库输水线路长113.22 km，其中输水隧洞混凝土衬砌段长约102.29 km，平底圆形断面，衬后直径6.7 m。

3 FBG传感检测原理

FBG传感检测是通过改变纤芯区折射率，产生小的周期性波动，通过调制器解码生成成果。当检测点或周边温度和应力发生变化，光纤在轴向上随之产生变化，传输周期变大而光纤芯层和包层半径变小，通过光的弹性效应改变光纤折射率引起光栅波长偏移，拟合计算得到被测结构的应变量。系统原理见图1。

图1 FBG传感系统原理图

在光纤中，由于纤芯折射率在光纤的轴向上呈现周期性变化，形成FBG，同时在一定条件下，当入射波长与FBG的周期符合公式（1）时，光栅对入射激光进行反射。FBG反射的波长λB与栅格间距及光纤折射率呈线性函数关系，光纤轴向发生应变或温度变化即可引起栅格间距及折射率的变化，反射波长也随之发生相应改变，通过检测λB的变化量得到光纤变形量或温度变化量。

式中：λ为反射波波长（mm）；neff为光纤纤芯折射率；Λ为光栅栅距（mm）。

研究发现，应变和温度均与中心波长λB存在很好的线性关系，且相互独立，其关联公式见式（2）。

式中：αε为光纤光栅应变的灵敏系数；αT为光纤光栅的温度灵敏度系数；ΔT为温度变化值（℃）；ε为应变量。

随着技术的不断发展，FBG波长解调精度最高可达1 pm，应变测试精度可达1个微应变，温度解调精度可达0.1 ℃。光纤光栅主要通过测量FBG反射波长变化，从而实现光纤光栅应变或温度测量。由于应变测试精度非常高，将FBG通过特殊手段加持到弹性元件上，经过精密加工，最终可成为压力、位移、倾斜及应力等性能可变的传感器，实现多元化变量的传感测试技术。

4 监测布置及技术要求

4.1 监测布置

采用光纤光栅钢筋计及光纤光栅应变计对混凝土衬砌应变及钢筋应力进行监测[2-4]。本工程共布置3个监测断面，分别位于石毛畈主支洞交汇部位、江家弄浅埋段及西坞山主支洞交汇部位。每个断面布置10支混凝土应变计、2支温度计和1支无应力计监测断面的衬砌应变情况，布置7支钢筋应力计和1支温度计监测断面的钢筋受力变化情况，合计每个监测断面共布置21支光纤光栅传感器。光纤光栅仪器典型断面监测布置见图2。

图2 光纤光栅仪器典型断面监测布置图单位：cm

由于仪器采用串联的方式，为防止采集过程中设备或线缆断路造成数据丢失，施工过程中将两端光纤引出，以保证数据通道的有效性，最终在断面汇合，采用主光缆合并连接后引至终端解调仪位置。通过对仪器波长的采集和出厂设定的参数系数进行分析计算，得出断面位置的应力应变变化情况[5]。光纤光栅仪器断面监测系统结构见图3。