光纤传感技术在长距离引水隧洞安全监测中的应用

白玉龙，李 丽

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

1 工程概况

隧洞是甘肃引洮供水二期工程最主要的建筑物之一，其总干渠布置超过10km的长距离引水隧洞3座，其中长度为20.45km的16#隧洞最长，是最具代表性的水工长隧洞，以该隧洞的安全监测系统布置为例，介绍隧洞监测断面和监测项目的选取、仪器的布设和组网。16#隧洞建筑物等级为2级，设计流量22.5m3/s，断面结构为三心圆拱型，断面尺寸(长×宽)3.9m×4.0m。洞线穿行在黄河一级支流祖厉河与渭河的分水岭，为黄土低中山梁峁丘陵区地貌，最大埋深约220m。隧洞地质条件复杂，围岩主要以IV、V类条件较差围岩为主，岩性多变，涉及的围岩岩性有：饱和黄土状土、离石黄土、粉砂质泥岩、砂砾岩、片麻岩古风化壳、片麻岩等。沿线共布置7条施工支洞，施工过程中采用了破碎锤、冼挖和钻爆等多种开挖方法，其安全监测系统，采取了整体贯通后集中埋设和安装。

水工隧洞的安全监测常借助于振弦式和差阻式2类仪器，受电学仪器原理的限制，2类仪器已不能满足长隧洞的安全监测需求，而光纤传感技术，为解决此类隧洞的信号采集与传输问题，指出了方向。利用光纤传输，能够完成大量长距离的数据传输工作，而光纤光栅传感器是一种无源器件，能够适应地下的高湿、强腐蚀等复杂环境，因此，光纤传感技术能够满足长距离引水隧洞的安全监测需要，目前，国内有少量的应用实例。我国对光纤传感技术的研究，起步时间稍晚于国际，应用于工程也比较迟，在长距离引水隧洞工程监测方面的使用缺少经验[1]。

2 光纤传感技术简介

2.1 光纤的传感原理

光纤的全称是“光导纤维(Optical Fiber)”，岩土工程所使用的光纤，一般周边及现场施工安装环境比较复杂，通常由几层保护结构对光纤形成保护[2-3]。常见应用于工程的传输光纤，涂覆包裹层较厚而芯径较小，单根光纤的标准包层直径125μm，塑料涂覆层的直径约250μm[4]，光纤的涂覆包裹结构包括缓冲层及披覆。光纤完整构造如图1所示。

图1 光纤构造

光纤的基本传输原理是光的全反射现象[5]，如图2所示。一旦光进入光纤，光线便从光纤的起始头进入光纤纤芯，光纤的信息传播原理是利用光的反射现象进行的，但是光纤芯的折射率与光纤外层包裹层的折射率是不一致的。当光进入纤芯，一部分光线会在光纤里面发生折射现象，这样射入光纤内部的光束会损耗一部分，导致光纤的传输效果降低，因此在实际操作中，使用人员会首先调整光线进入光纤的角度，一旦这个角度达到某个临界值，那么射入光纤的光线便不会再发生折射现象，光束将完全在光纤内部靠光的反射前进，提高传输效率。

图2 光纤纤芯结构及导光原理图

2.2 光纤光栅传感器传感原理

光纤光栅种类划分较多，如果单纯从结构上将光纤光栅进行划分，光纤光栅可以被划分为周期性光栅和非周期性光栅2种类型。周期性结构的光纤光栅又可以被划分为2小类，即布拉格光栅和透射光栅，又被称为短周期光栅和长周期光栅。实际工程中应用最为广泛的光栅是布拉格光栅，其英文简写为Fiber Bragg Grating，其又被称为光纤(FBG)光栅。光纤光栅主要利用紫外线将光线射入纤芯。其反射原理是对光束有条件限制的，只有满足布拉格衍射条件的入射光线才能在在光栅处被反射，其他光线不会受到影响。反射光谱在FBG中心波长处出现峰值[6]。光纤(FBG)光栅传感的基本原理如图3所示。

图3 光纤(FBG)光栅传感原理图

光纤纤芯的折射率变化会在光纤纤芯里形成空间相位光栅，一旦我们知道光纤的折射率与光栅的周期，便能计算得到光栅的中心波长。其计算公式为：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB—光纤(FBG)光栅的中心波长，nm；Λ—光栅周期；neff—纤芯的有效折射率。

光栅的栅距是沿着光纤的纤芯轴向分布的，其栅距会受到多种因素的影响。比如环境温度，光纤承受的压力等。一旦这些温度、压力等外界因素发生变化，则光纤的折射率和轴向会发生变化，接着光纤栅距也发生了变化，最终导致反射光线的波长改变。有研究发现，反射谱中心波长的变化与温度T、应变ε的关系为：

(2)

式中，αf—热膨胀系数；ξ—热光系数；Pe—弹光系数。

在某些恒温等特定条件下，不考虑温度变化影响时，式(2)简化为：

(3)

此时，轴向应力变化与其引起的光纤(FBG)光栅的中心波长变化呈简单直线线性关系。

3 光纤传感技术的应用优势

工程上所用的光纤一般因监测点位多而所需通道数量相应较多，大多采用由多条光纤和外保护层组成的多芯光纤簇，即光缆。光缆传输、光纤光栅传感器与传统的电缆传输、电信号式仪器相比，具有如下优点：①集传输和传感于一体，传输数据量大而衰减小，传输距离远；②非金属绝缘材料，不受阴湿环境影响，耐高温、抗腐蚀、适用于地下工程等特殊环境；③光信号传输，几乎不受光源功率、光的波动和连接损耗等因素影响，稳定性好；④自身的体积小、重量轻，不受电磁噪声干扰、传输质量和传感灵敏度高；⑤传感器监测效率高，单根光纤可写入多个不同波长的光栅，实时准分布式监测；⑥适应性好，构造简单、几何尺寸小，适用于各类建筑物内部埋设。

4 光纤(FBG)光栅的组网方式

光纤(FBG)光栅传感是一种准分布式光纤传感技术，一般采用单端或首、尾两端出纤方式。两端出纤时，其中一端因损伤或破坏不能正常工作时，则可接入另一端替代测量。大多数光纤(FBG)光栅工作波长在1520～1570nm，窗口范围有限，因此，同一组传感器写入的光栅波长不能重叠，如果有重叠现象，则解调仪就无法接收到传感器内写入光栅的反射光，造成数据不能读取。工程上常用的写入应变与温度双因子的串并联光纤(FBG)光栅的数量一般不超过6个[6]，某些特定条件下所用的仅写入应变单因子的串并联光纤(FBG)光栅的数量一般不超过12个。双因子与单因子串联光纤(FBG)光栅波长分布如图4所示。

图4 双因子与单因子串联光纤(FBG)光栅波长分布示意图

5 长距离引水隧洞安全监测布置

5.1 安全监测的必要性

该隧洞揭示的不良地质条件有第四系饱水黄土状土、古(新)近系极软岩、前震旦系片麻岩古分化壳、断裂带等稳定性极差的围岩，围岩稳定问题突出[7]，是工程建设成败和运行安全的关健项目，因此，做好隧洞的安全监测工作，密切关注隧洞围岩的稳定性和建筑物运行状态，确保隧洞建设和长期运行的安全性、可靠性，尤为重要。

5.2 安全监测布置

5.2.1安全监测断面布置

16#隧洞安全监测的重点是围岩稳定性，依据隧洞开挖揭示的地质情况，布置在稳定性差的各类不良地质条件洞段、浅埋深洞段、水流条件变化洞段等具有代表性的洞段和关健部位[6]。依据安全监测布置原则，共布置7个监测断面：饱和土洞身、岩性变化不整合接触面、穿沟谷浅埋处、洞身断层及出口浅埋和水流条件变化处等，纵向布置简图如图5所示，断面布置统计见表1。

图5 隧洞安全监测断面纵向布置简图

表1 隧洞安全监测断面布置统计

5.2.2主要监测项目选择

水工隧洞安全监测类别主要有变形监测、渗流监测、应力应变监测等[8-13]。结合本工程运行期永久监测需求，确定主要监测项目是：围岩内部变形和松动范围监测；二次衬砌结构接缝、裂缝开合度监测；渗流监测；隧洞围岩及支护衬砌结构应力

应变监测等。

5.2.3安全监测仪器布置

针对该隧洞的建设条件和待监测的主要项目，结合隧洞横向衬砌结构的受力条件，布置在隧洞受力弯矩和变形最大处附近，即顶拱拱顶、接近侧底拱拱脚和底拱拱底位置[10-12]，每个监测断面测点在横断面上布置如图6所示。主要布置的监测仪器有：多点位移计(M)、埋入式测缝计(J)、表面测缝计(J)、渗压计(P)、土压力计(E)、应变计(S)、无应力计(N)及钢筋计(R)等，监测项目及监测仪器统计见表2。

表2 隧洞监测项目及监测仪器统计

图6 隧洞监测断面测点布置

5.3 监测断面组网

16#隧洞主干采用48芯光缆，洞内每个断面利用光纤耦合器连接分支光纤，将同一断面内所有仪器进行组网，通过主干光缆实现长距离传输，引至隧洞进口位置现地观测站内，接入解调仪，实现数据解读后进行洞外传输。每个断面设有27支光纤(FBG)光栅传感器，均为两端出纤，采用串联式组网，末端尾纤引出预留接口，其中多点位移计、钢筋计及应力计等均布置在封闭运行的地下岩体或浇筑在衬砌混凝土内部，地下环境无高温影响，传感器周边介质单一，同一介质内感温和温度传导变幅甚微，采用的是应变单因子的光纤(FBG)光栅传感器；而测缝计、渗压计、土压力计、无应力计等则主要是布置在岩体与一次支护、一次支护与衬砌混凝土之间或衬砌混凝土外表面。断面内光纤(FBG)光栅传感器组网方式如图7所示。

图7 监测断面内光纤(FBG)光栅传感器组网示意图

6 结语

光纤传感技术有效地解决了地下工程长距离信号传输问题，近年来在铁路、公路等长隧道安全监测方面有较多应用，但国内工程在长期通水高湿的水工长隧洞环境下应用不多。本工程隧洞各类光纤(FBG)光栅传感器埋设完成后，成活率达到99%以上，环境适应能力强，工程实际应用效果良好，设在洞口现地站测试各设备的工作状态，均能够满足设计的量测要求。但光纤自身质地脆，弯曲转向、盘卷和外力触碰下易断裂，因此，其安装仍需专业人员，技术要求较高。由于光纤传感的技术优势、独特的传感方式和环境适应能力，必将在水工长距离隧洞安全监测中得到广泛应用。