基于传感光纤技术的堤坝分布式变形监测

何 斌，何 宁, ，张中流，汪璋淳，胡德新，智月荣

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏 南京 210029；3.南京嘉兆仪器设备有限公司，江苏 南京 210037)

堤防、路堤、大坝变形是评价分析其工作特性和安全的重要指标，堤坝变形通过监测获取，包括表面变形和内部变形监测，目前堤坝表面变形监测主要采用全站仪、水准仪等光学仪器监测，其监测技术成熟可靠；常用的内部变形监测设备有测斜仪、引张线水平位移计、并（串）联式水平位移计、沉降标、单点沉降仪、磁环式沉降仪、水管式沉降仪、静力水准仪等。上述变形监测设备和仪器均为点式监测技术，在堤坝变形监测中发挥了重要的作用，但也存在多测点管理不便、布设困难等问题[1-2]。目前堤坝变形监测主要是在代表性断面布置监测点进行监测，主要为点式监测技术，近期变形监测雷达技术[3]、基于数字图像的变形监测技术[4]和三维激光扫描等大范围面式监测技术[5]开始在岩土工程表面变形监测中推广应用。采用活动测斜仪可实现堤坝地基沿深度方向水平位移的准分布式监测，活动测斜仪结构、传感技术、测斜管及其安装埋设技术较成熟，基本可以满足土木工程的沿深度方向准分布式水平位移监测要求，也可以用于堤坝沿高度方向的水平位移分布式监测，但不能满足堤坝内部水平断面变形监测需要；采用断面沉降仪理论上可对堤坝断面沉降实现准分布式测量，常用断面沉降仪传感器分别采用高精度角度传感器或压力传感器，但由于现有的断面沉降仪对其配套监测管道环境与安装精度要求高，断面沉降仪在土木工程中得到良好应用并取得可靠的堤坝断面沉降准分布式监测成果罕见。随着分布式光纤应变传感技术在土木工程监测中的推广应用，基于分布式光纤的土木工程及其结构分布式变形和受力监测得到发展并取得了较好的研究成果[6-11]，但上述成果是分别在土木工程受力与变形的某单项指标监测中开展研究并进行推广应用，部分为试验研究，包括传感光纤选型、光纤安装埋设技术。而监测数据计算分析技术等在内的基于分布式光纤技术的堤坝多维变形监测技术有待进一步开发和深化研究。

本文基于前期试验研究取得的基于分布式光纤监测技术的变形监测成果[6-9]，并根据土质堤坝堤体结构在一定尺度下具有较好一体性的特性，设计了堤坝内部二维分布式变形一体化监测的分布式光纤监测技术传感光纤布设方法与辅助结构型式，试验研究不同型式传感光纤的适用性，基于原型堤坝通过系统试验并对试验数据进行分析，提出一种土质堤坝内部二维变形一体化监测技术。

1 测量辅助结构论证试验

为研究分布光纤传感技术测量堤坝分布式沉降变形的测量精度和可行性，设计分别采用长18 m的C240和长192 m的C160型双C型钢及长18 m的20#a型槽钢为变形分布式监测试验系统的测量结构，将分布式传感光纤分别粘贴于C型钢或槽钢的上、下内表面，利用测得的C型钢与槽钢发生弯曲变形时其上、下内表面的应变差值数据，计算该变形测量结构的分布式变形，试验系统中变形结构架设于高度可调节的变形调节基座上以调节测量结构的节点沉降，试验结果见参考文献[9]，上述试验表明借助合理的变形监测辅助结构，利用分布式光纤传感技术可以满足堤坝沉降监测需要，其测量精度为毫米级。参考文献[7]利用原型土石坝的引张线水平位移计的保护钢管的保护及锚固结构，完成基于分布式光纤传感技术的坝体内部水平位移监测系统的安装及保护，并同步开展测量试验，其测量结果与安装在该原型面板堆石坝的引张线水平位移计监测结果一致性良好，且实现了坝体内部水平位移全断面分布式监测，验证了基于分布式光纤传感技术的坝体内部水平位移监测系统的测量精度和可行性，其测量精度达亚毫米级。为研究分布式光纤传感技术测量堤坝分布式侧向变形的测量精度和可行性，设计采用长60 m、横截面200 mm×200 mm的方钢为堤坝分布式沉降监测系统的辅助测量结构，方钢测量结构分别设置有沉降和侧向位移调节节点，试验过程中同时调整位移调节点的沉降和侧向变形，通过粘贴于方钢上、下外表面的应变传感光纤测量方钢沉降变形，并研究方钢发生侧向变形时对其沉降变形测量结果的影响，通过测量应变传感光纤以验证其侧向变形测量精度和可行性，并研究方钢发生沉降变形时对侧向变形测量结果的影响。介于辅助测量结构为窄长型结构，沉降或侧向变形变化引起另一个方向对称两根光纤的应变变化基本相同，在差值计算中能够互相抵消，因此两个方向的变形计算理论上不会产生互相干扰。方钢验证试验的第1组和第6组侧向位移测量结果如图1所示。

图1 方钢沿线侧向位移计算与实测变形对比Fig.1 Comparison between the calculated values and measured values of deformation along the square steel

验证试验中侧向变形和沉降变形验证试验各完成10组，侧向变形验证时同时调整方钢的沉降变形以研究沉降变形对侧向变形监测结果的影响，沉降变形验证以同样方式开展，考虑验证试验计算结果与实测值的对比规律基本一致，为了更清晰地展示对比结果，这里仅取出第1组和第6组的试验结果加以说明，其验证结果表明采用分布式光纤传感技术监测坝体侧向变形是可行性的，测量结构的沉降变形对其影响可忽略，其测量精度为毫米级。

2 原型试验方案

2.1 原型试验土堤工程概况

前期试验和应用研究[6-9]表明，基于分布光纤传感技术的堤坝内部分布式变形监测在技术上是可行的，借助合适的变形测量辅助结构，其三维变形精度均可达毫米级，可以满足堤坝内部变形监测需要。为进一步研究该技术在堤坝内部二维变形监测中的可行性并对技术进行完善，选用南京长江滨江大道新建防洪堤开展原型试验。

南京江北新区长江岸线湿地保护与环境提升工程中 “路堤结合”形成的滨江大道新建防洪堤，位于长江北岸宽广的长江漫滩上。结合南京江北新区中心区控制性详细规划，滨江大道新建防洪堤兼顾城市防洪、景观休闲及区域交通等功能。在拆除现状堤防的同时新建土堤，新建土堤按“路堤结合”思路进行布置。考虑到本项目以慢行系统为主，设计时考虑双向两车道，同时两侧对称布置人行道路及非机动车道。防洪堤顶宽度24.0 m（=3.0 m人行道（左侧）+3.0 m 非机动车道（左侧）+6.0 m 机动车道+3.0 m 非机动车道（右侧）+3.0 m 人行道（右侧）+6.0 m（观光绿道））。

工程区被众多水塘、堤防和沟渠等切割，地貌形态破碎零乱，地势低洼处为沟、塘，地势明显凸起处为堤防和水塘埂；地面标高大多在5.5～7.5 m，水塘埂高程为6.0～8.0 m，水塘底高程为3.0～5.5 m，水塘水深一般0.5～2.0 m。区域主要地层有第四系人工填土层（Qme）、全新统冲积层（Q4al）和白垩系下统浦口组上段（K1p2）粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等。此外，在所选的红土坡土料场分布第四系上更新统（Q3al）粉质黏土及黏土，工程沿线地基土地质条件较差，场地沿线软土（主要为淤泥质土）主要有两层，为不良工程地质层，其中①-3 层淤泥主要分布于现状水塘、沟渠底部，厚度较薄；②-2 层淤泥质粉质黏土厚度分布稳定、连续，但性状极差，易产生沉降与不均匀沉降问题，也有可能产生震陷问题。

为解决其软土路基处理沉降与承载力问题，新建防洪堤分别采用清除换填①-3层淤泥和深层水泥土双向搅拌桩加固②-2层淤泥质粉质黏土层对防洪堤下部主要软土地基进行处理，水泥土双向搅拌桩按正三角形布置，桩间距1.5～1.8 m，桩径60 cm，桩长10～19 m，水泥土搅拌桩桩身28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。

2.2 原型土堤分布式变形监测方案

为监测防洪堤的沉降与稳定特性，设置了典型监测断面采用传统点式监测仪器对其地基孔隙水压力消散、地基表层和分层沉降、地基深层水平位移等进行监测。在典型监测断面K1+980断面同步布置了基于分布式光纤传感技术的堤坝变形监测系统进行比对监测，以验证该技术实际工程应用的可行性和精确性，并进一步完善。基于分布式光纤传感技术的堤坝变形监测系统与相关指标监测的传统仪器布置如图2所示。

图2 K1+980断面监测仪器布置Fig.2 Layout of monitoring instruments and sensing fiber system in section K1+980

如图2(a)所示，基于分布式光纤传感技术的堤坝变形分布式监测系统布置于防洪堤地基表面，与地表沉降监测用沉降板安装高程一致，为研究土堤合理的变形监测辅助结构，原型堤坝中设置3套基于分布式光纤传感技术的堤坝变形分布式监测系统，一套为采用双C型钢辅助结构的分布式光纤监测系统，粘贴其表面的传感光纤为V1型紧套应变传感光纤，其余两套为直接利用1 m厚土堤结构体本身作为变形监测辅助结构体的分布式光纤监测系统，如图2(b)所示。其中与C型钢同高程堤身土体中平行一组两种类型的去程应变传感光纤，第二组两种类型的回程应变传感光纤同样直接布置于土堤土体中，但整体高程高于第一组1 m，并与第一组应变传感光纤平行布置，利用土堤自身较好的一体性，将厚度1 m的土堤结构本身作为变形监测辅助结构，在其结构体上、下表面土体中分别布置V1型紧套应变传感光纤和V0型铠装（含变形均摊结构）应变传感光纤。

3 监测成果分析讨论

3.1 沉降监测成果分析

根据《材料力学》受弯结构变形理论[12]，采用能够合理反映受弯结构受力变形特性的拟合方法对变形测量辅助结构上、下或左、右对称表面应变差值进行拟合，并通过积分得到与测堤坝同步变形的辅助结构沿光纤布设方向的挠度分布[6,9]，从而实现堤坝内部分布式沉降监测。以5月11日直埋于1 m厚土堤上、下表面土中V0型传感光纤的应变差值为例进行计算，其应变差值与拟合曲线如图3所示，以路堤江侧方向为距离起点展开分析。

图3 5月11日土堤内V0光纤应变曲线Fig.3 Strain curve of V0 optical fiber in the embankment on May 11, 2020

图3所示应变拟合曲线与实测曲线全长范围整体吻合良好，并对由于系统误差形成的奇异测值点进行了平滑处理，应变曲线整体规律符合向下弯曲的受弯结构的应变分布规律，表明选用的拟合方法是合理的。选择从2020年3月17日开始填筑到5月21日填筑完成的8组监测典型数据，应用该拟合方法对原型堤两种辅助结构所测分布式应变数据进行处理，并基于C型钢辅助结构中V1型应变传感光纤测值和1 m厚土堤辅助结构中V0型应变传感光纤测值计算出原型堤断面沉降分布，其对比结果见图4。

图4 光纤测值计算的分布式沉降与沉降板实测值对比Fig.4 Comparison of the distributed settlement measured by optical fiber and the measured values by settlement plate

原型堤2个月填筑过程中，共取得8组光纤测量数据，同时完成堤体两端和堤中心共计3个地表沉降标的水准观测。本次基于分布式光纤传感技术的堤坝断面沉降计算以原型堤两端的沉降标观测值作为积分计算方法的已知沉降点，因此两端点与沉降计算结果无误差。沉降误差统计结果可知，8组监测数据中两种型式的光纤监测系统分布式应变测值计算的原型堤断面分布式沉降监测结果与对应位置地表沉降标监测沉降值最大误差为4.3 mm，表明采用合理的变形监测辅助结构并选用合适的应变传感光纤，基于分布式光纤传感技术的土质堤坝断面分布式沉降监测技术测量精度可达毫米级。

将基于沉降标实测值的路堤断面沉降分布与两种型式光纤的分布式沉降计算结果进行比对（图4），结果表明：同时刻三者基本吻合，但基于直埋土中V0型光纤测值计算结果与沉降标测值曲线更光滑，基于粘贴于C型钢上、下翼缘内表面的V1型光纤测值计算结果在以6 m长度为倍数的位置存在拐点现象。分析认为C型钢结构为以6 m长度为单位的双C型钢错位搭接并采用螺栓固定的组合结构，由于其固定方式存在缺陷导致该变形监测辅助结构整体性不足，在连接处出现变形不协调情况，从而导致粘贴于其表面应变传感光纤测值不连续，引起计算结果误差。由图4沉降断面分布曲线还可以看出基于直埋土中V0型光纤测值的沉降计算结果更符合堤体荷载作用下断面沉降的实际“锅底状”分布，且由于分布式光纤监测系统的沉降分布式计算结果为基于实测高空间分辨率准分布式应变测值拟合的连续函数积分得到，其沉降计算结果同样为连续函数，因此该监测技术可以实现堤坝断面沉降的连续分布式测量。

5月11日直埋土中V1型光纤应变测值与拟合曲线如图5所示。可以看出：直埋在1 m厚土堤上、下表面土中V1型光纤应变差值波动大，且应变曲线规律性差，与向下弯曲的受弯结构的应变分布规律不符；对比4月24日和5月11日两天V1应变传感光纤的断面沉降计算结果与沉降标观测值，两者在数值和分布形状上差异明显。分析认为：堤身填料为黏性土料，填料本身为非完全弹性材料，填筑过程的差异难以保障1 m厚土堤的完全一致性；且土堤局部出现薄弱情况难以避免，在上部荷载作用下，这些薄弱部位土体将发生较大应变，V1型传感光纤为紧套光纤，其测量为高空间分辨率，当V1型传感光纤布设线路经过上述部位时，土体发生的较大应变将直接反应在布设于该区域的V1型应变传感光纤上，使得应变差值失真（图5），从而导致断面沉降计算结果与实际不符（图6）。因此，直接利用一定厚度土堤结构体本身作为变形监测辅助结构体的基于分布式光纤传感技术的堤坝断面分布式沉降监测技术应慎重选用紧套应变传感光纤。

图5 2020年5月11日土堤内V1光纤应变曲线Fig.5 Strain curve of V1 optical fiber in the embankment on May 11, 2020

图6 土中V1型光纤测值计算的堤体分布式沉降Fig.6 Distributed settlement measured by V1 optical fiber in the embankment

3.2 水平位移监测成果分析

基于原型堤C型钢V1型应变传感光纤和堤基表面V0型光纤的监测数据，采用文献[7]计算方法得到两种应变传感光纤路堤底部分布式水平位移如图7所示。

图7 两种光纤测值计算的分布式水平位移对比Fig.7 Comparison of the distributed horizontal displacement measured by two kinds of optical fibers

图7所示两种应变传感光纤测得的路堤底部水平位移在分布规律上保持良好一致性，量值基本相同，全断面对应位置误差均小于0.5 mm。监测结果显示江侧方向的土堤底部水平位移较陆侧方向小，与工程区域前期工程措施有关，本次试验原型堤为拆除现状堤防的同时新建土堤，现状堤防采用抛石护脚进行了加固处理，该加固措施对新建土堤在江侧方向向外变形具有一定约束作用，而新建土堤路侧方向原地形主要为水塘和沟渠，对新建土堤向外变形的约束作用相对小，5月21日路堤底部陆侧向外最大水平位移约7 mm、江侧向外最大水平位移约3 mm。测得的路堤底部水平位移量值较小，与新建土堤两侧地基深层水平位移监测系统测得的地表水平位移值吻合良好，对试验全过程8组分布式光纤传感技术的水平位移监测结果进行统计，并对比同时刻测斜仪所测地基深层水平位移结果分析：8组测值中两种传感光纤得到的水平位移与测斜仪的测量结果相差均小于0.5 mm，表明基于分布式光纤传感技术的堤坝水平位移监测技术具有较高测量精度；且由于分布式光纤监测系统的水平位移计算结果为基于实测高空间分辨率准分布式应变测值的连续函数积分拟合所得，其水平位移计算结果同样为连续函数，因此基于分布式光纤传感技术的堤坝水平位移监测技术可实现分布式监测。

3.3 原型试验结果总结与讨论

本次原型堤的监测试验结果显示，采用合理的变形监测辅助结构和合适的应变传感光纤，基于分布式光纤传感技术的堤坝变形分布式监测技术在土质堤坝内部沉降和水平位移监测中都具备良好监测精度，可满足土质堤坝内部二维变形监测需要，且能实现全断面连续的分布式监测，理论上采用如方钢等合理的辅助结构也可以实现土质堤坝纵向侧向变形监测，从而实现土质堤坝内部三维变形监测。原型堤所测分布式应变传感光纤的应变测值量级为10−2级，远小于应变传感光纤最大测值约7 000 με，基于分布式光纤传感技术的堤坝变形分布式监测技术可适用于大变形的土质堤坝二维变形监测。本次原型堤坝为黏性土均质土堤，在混凝土面板堆石坝等以分散性土石料建造的土石堤坝的内部变形监测中推广应用分布式光纤传感技术需要进一步研究，通过前期原型试验研究合理的变形辅助结构、确定传感光纤选择及其安装保护技术及其适用条件和范围等。

4 结 语

本文以土质堤坝内部变形监测为出发点，基于模型试验研究基础，开展了基于分布式光纤传感技术的堤坝变形分布式监测技术应用的原型试验，通过原型试验系统研究了辅助结构的设计、应变传感光纤选型和安装技术、数据处理与计算方法等，对原型试验成果进行了详细分析和讨论，提出了基于分布式光纤传感技术的堤坝变形监测新技术，能够实现堤坝内部沉降和水平位移的二维连续分布式监测；综合原位试验分析结果，本文提出的变形监测新技术的沉降监测精度能达毫米级，水平位移监测精度达亚毫米级，满足土质堤坝内部变形监测的规范要求，理论上可拓展实现不同深度的三维变形监测；基于分布式光纤传感技术的土质堤坝变形分布式监测新技术，建议根据土堤受力变形特性选用不同形式的应变传感光纤。分布式光纤传感技术具有应变测量范围大的特点，可适用于大变形的土质堤坝二维变形监测。