光纤光栅式设备在滇中引水工程安全监测中的应用

王和芬 马敏艳 牟晋民

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.云南水利水电建设工程技术开发有限公司，云南 昆明 650021；3.基康仪器股份有限公司，北京 100080)

1 工程简介

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，是国务院确定的172项节水供水重大水利工程中的标志性工程，也是中国西南地区规模最大、投资最多的水资源配置工程。工程由水源工程和输水工程两部分组成，水源工程位于丽江市玉龙县石鼓镇，从位于石鼓镇上游约1.5km的金沙江右岸取水，由泵站提水至总干渠渠首。输水工程自丽江石鼓镇望城坡开始，途经丽江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，终点为红河州新坡背，引水线路总长664.236km。工程受水区共涉及输水总干渠沿线6州(市)35个县(市、区)的34个受水小区，多年平均引水量34.03亿m3，设计输水流量135～20m3/s，受益面积3.69万km2，惠及人口1112万。工程静态总投资为748.85亿元，动态总投资780.48亿元，施工总工期96个月。

输水总干线全长664.236km，共布置116座主要输水建筑物，整条线路以隧洞为主，设置有隧洞58座，合计长611.986km，占干线全长的92.13%，其中长度大于25km的隧洞有5条。海东隧洞为上述5条隧洞之一，长25.29km，设置有0号及2号永久施工支洞，隧洞输水流量135m3/s，设计流量135m3/s，净断面采用马蹄形，R=4.73m，宽×高=9.46m×9.46m[1]。隧洞沿线埋深普遍较大，埋深大于300m的洞段长约14km，隧洞穿越地层岩性主要为灰色厚层夹中层状白云质灰岩及白云岩；直接穿越的大小断层有13条以上；因此隧洞主要存在高地应力、硬岩岩爆、高外水压力、高地温，活动断裂、软岩(包括断层带)大变形、隧洞突水突泥、有毒有害气体等问题。

2 监测设计内容

海东隧洞为滇中引水工程输水线路较长、隧洞埋深较大(埋深最大500m)、开挖断面最大(9.46m×9.46m)，且处于高地震烈度带(Ⅷ度)、高外水压带(最大1.9MPa)、高地温(最高温度28.55℃)、地下水环境影响高敏感区、软岩地带及可溶岩地带(9.31km)的隧洞，且隧洞穿越多条断层及断裂带(F13)等。

海东隧洞地质条件复杂，且为滇中引水工程开工较早的建筑物。因此对海东隧洞进行全方位的监测，能全面掌握隧洞施工期及运行期的总体运行情况，对设计参数选择的合理性和可靠性进行验证，从而确保设计更趋合理和建筑物的安全可靠，为今后隧洞的理论设计和监测技术的深入研讨积累一定的实用资料[2]。

根据海东隧洞的围岩条件、开挖方式、衬砌形式、受力状态等选择具有代表性的洞段或关键部位布置了10个综合监测断面、2个地下水位监测断面、3个位错监测断面及2个水位监测断面等17个监测断面，具体布置见图1。监测内容主要为：围岩内部变形监测、衬砌和围岩的接缝开合度监测、活动断裂带地表位移和衬砌位错监测、衬砌外水压力监测、衬砌结构混凝土应力和钢筋应力监测、支护措施(锚杆、钢拱架等)受力监测、隧洞沿程水位监测等[3]，共布置了585个施工期临时监测点和596支永久安全监测设备。

图1 海东隧洞纵剖面监测断面布置

3 监测设备的选取

海东隧洞长25.29km，仅有0号、2号施工支洞为永久支洞，其余施工支洞需要封堵，因此电(光)缆只能从隧洞进出口及0号、2号永久检修洞引出，其中2号永久支洞至隧洞出口约18.24km，电(光)缆牵引传输距离最长达7.1km，为滇中引水工程中电(光)缆牵引最长的隧洞。因此仪器选型必须在满足测量精度的同时能实现长距离传输，并力求做到可靠、耐久、经济、实用[4]。滇中引水工程海东隧洞安全监测面临电缆数量大、牵引距离长、采用传统振弦式设备将存在信号衰减严重(电测信号一般不超过1.5km)等问题，与此同时，在工程永久安全监测后期实现自动化观测之后，还将面临测检修测站多、工作量大、现场供电系统投资大等方面的难点。因此在观测断面选择、各观测断面测点布设和监测仪器数量不变的前提下，为达到解决问题、优化设计的目的，海东隧洞永久安全监测设计在监测仪器和自动化设备的选择中，采用了目前工程安全监测领域最新的传感器技术成果——光纤光栅式设备。通过对仪器运行和监测的可靠性和工程经济性的综合比较，选择振弦式和光纤光栅式传感器组合的形式；对于传输距离不大于1.5km的监测断面，监测设备选取振弦式，每支仪器电缆经洞顶的线槽引出至洞外观测站；对于传输距离大于1.5km的监测断面，监测设备选取光纤光栅式，光缆通过合理组网接入接线盒后，经洞顶线槽或PVC保护管引出至洞外观测站。

4 光纤光栅传感器在海东隧洞中的应用

光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器作为20世纪90年代发明的一种集光学、电子学为一体的一种新兴的光学技术成果[5]，可以用来测量应变、应力、弯曲、扰度、温度、振动、压力等多个物理量，其应用领域非常广泛。同时光纤传感器集传感和信息传输于一体，可实现分布式或准分布式以及远距离监测[5]，对被测对象进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析，达到示警以及故障诊断的目的，而且其传输距离理论上可以达50多km，还能进行动态监测。因而海东隧洞传输距离较远的6个综合监测断面(占总综合监测断面的60%)及3个位错监测断面(占总位错监测断面100%)采用光纤光栅式设备。海东隧洞安全监测采用光纤光栅式设备的主要技术优势包括以下几个方面：

a.光纤光栅式设备容量大：可在一根光纤上同时测量几十个点的温度、应变、压力、位移、振动等多种参量。在单路光纤上可以制作多个光栅，可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大。因此海东隧洞光纤光栅式设备采用6个传感器串联为一组的形式。

b.光纤光栅式设备测量精度高：光纤光栅式设备发出光信号，测量仪器测量其光的特征值，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素影响；精确的透射和反射特征(小误差)使其更加准确地反映了应力、温度等的变化。因此传输距离较远的整个监测断面上的应变计、无应力计、钢筋计、钢板计、位移计等设备均采用光纤光栅式。

c.光纤光栅式设备传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，便于安装，尤其适合于隧洞衬砌混凝土内。

d.光纤光栅式设备为抗腐蚀、抗高压的无源器件，因此能在潮湿的恶劣化学环境下工作。同时光缆接长时均在接续盒中完成，因此不需对接头进行防水处理等，特别适合地下水位较高、施工期洞内渗水量较大的海东隧洞。

e.光纤光栅式设备具有更远距离传输能力，在远距离传输条件下，传输线缆最经济。海东隧洞9个监测断面选择光纤光栅式设备，光纤的工程投资约6.8万元(12芯主通信光缆约58m，24芯主通信光缆约1600m，36芯主通信光缆约7200m)，若改为电缆，工程投资较高，估算为2230万元(四芯电缆88万m，十芯电缆19万m)，而且电缆数量众多，电缆布线也是个难点。

f.光纤光栅式设备现场不需供电，光纤探测并直接进行信号传输不受电磁及核辐射干扰；光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的损耗的影响，因此光纤光栅式设备可靠性好、抗干扰能力强。海东隧洞较长，为监测设备永久供电不仅会大大增加工程投资，而且施工期洞内潮湿，供电风险较大。

g.光纤光栅式设备无零漂，出厂后不需要定期检定，系统维护成本很低。

h.光纤光栅式设备数据测量能够实现高速采集，为施工期及运行期提供高效服务。

i.海东隧洞光纤光栅式设备采用6个传感器串联为一组引至洞顶接续盒内并完成光缆接长，不仅确保了设备及光缆的质量和安全，还有效减少了电缆牵引工期，加快了工程进度。

j.光纤光栅式设备采用串联牵引，并将首纤与尾纤分别引出，首纤与尾纤传输数据能互相校验；首纤(或尾纤)出现故障可以从尾纤(或首纤)获取数据，确保了仪器的成活率及运行期监测数据的准确性和有效性。

滇中引水海东隧洞选择的光纤光栅传感器还采用了独特的切趾(apodization)光栅技术，其与普通均匀光栅传感器相比，除上述优点外，性能更稳定，出现意外光能量损耗过大时，仍能精确测量，不会误报警，使各类传感器串接链测量时更可靠，接入的仪器数量也更多[6]。切趾又叫变迹，就是将光栅的折射率调至中间高两边逐渐减小，其函数形式包括高斯函数、三角函数等。两类光栅光谱见图2～图3。

图2 均匀光栅光谱

5 海东隧洞光纤光栅设备组网

海东隧洞为滇中引水工程中具有代表性的隧洞，隧洞监测仪器设备种类繁多且线缆牵引距离最长，合理配置监测仪器设备具有十分重要的意义[7]。采用传统振弦式设备与光纤光栅式设备混合使用，解决了电缆牵引繁杂、电缆长度过长、信号衰减过快等一系列问题。

海东隧洞工程中的各光栅光纤监测设备除渗压计和水位计采用分路器并联外，其余监测设备采用串联方式连接(通常情况6个传感器串联一组)。具体为：从2号检修支洞出缆的6个光纤光栅式监测断面中，DLⅡ9+240.00监测断面内的8支渗压计，每4支并联成一组接入一分四耦合器(渗压计为单端出缆)，其余66支传感器每6支串联为一组，共串联成11组，再与两个一分四耦合器一起并联至该断面的接续盒内；DLⅡ9+180.000监测断面的3组三点式多点位移计及4支位错计串联成三串然后并联至DLⅡ9+240.00监测断面的接续盒内；DLⅡ9+299.000监测断面的4支位错计串联成一串然后并联至DLⅡ9+240.00监测断面的接续盒内；DLⅡ9+984.00、DLⅡ11+050.00及DLⅡ11+990监测断面内的传感器连接方式与DLⅡ9+240.00监测断面传感器连接方式一致。

每个监测断面传感器连接完成后，采用主通信光缆进行组网。原则上为节省光缆的工程量，主通信光缆组网可将每个监测断面进行串联，如在DLⅡ11+990.00监测断面，各仪器设备光缆通过接续盒后连接24芯主通信光缆，至DLⅡ11+050.00监测断面位置，并入该断面的12芯光缆后采用36芯主通信光缆；至DLⅡ9+984.00监测断面位置，并入该断面的24芯光缆后采用60芯主通信光缆；至DLⅡ9+240.000监测断面位置，并入该断面的36芯光缆后采用96芯主通信光缆，最终接入2号检修支洞观测房内的终端分线盒，共计12芯主通信光缆约58m，24芯主通信光缆约1200m，36芯主通信光缆约1300m，60芯主通信光缆约850m，96芯主通信光缆约2600m，光缆投资约5.1万元。但是考虑到多个监测断面串联，如果主通信光缆受到外界因素影响发生断损，将会造成监测仪器群死、大量数据丢失的风险。为保证仪器设备的成活率，各监测断面仪器采用并联、串联的综合组网方式，且串联不超过48芯。即从DLⅡ11+990.00监测断面接续盒出来后连接24芯主通信光缆，至DLⅡ11+050.00监测断面位置，并入该断面的12芯光缆后采用36芯主通信光缆直接引至2号检修支洞观测房内的终端分线盒；在DLⅡ9+984.00监测断面，仪器光缆通过接续盒出来后连接24芯主通信光缆直接引至2号检修支洞观测房内的终端分线盒；在DLⅡ9+240.000监测断面，仪器光缆通过接续盒出来后连接24芯主通信光缆直接引至2号检修支洞观测房内的终端分线盒；共计12芯主通信光缆约58m，24芯主通信光缆约1600m，36芯主通信光缆约7200m，光缆投资约6.8万元。增加的工程投资仅占海东隧洞安全监测投资(103.1万元)的1.6%。工程在投资增加不多的前提下充分保证了仪器的成活率，达到了监测的意义和目的，因此海东隧洞主通信光缆采用并联、串联的混合组网方式，见图4。

图4 海东隧洞光纤光栅式仪器设备组网

光纤光栅式设备科学合理的组网方式不仅能很好地解决长距离传输问题，而且能提高系统可靠性，节省投资，便于管理和维护。

6 结 语

永久安全监测是为了服务工程正常运行，保障建筑物结构安全或运行安全而开展的持续性监测，对于地质条件复杂、结构断面较大的建筑物通常需要进行全方位的监测[8]，因此监测项目齐全，监测设备种类繁多。超长距离输水工程还存在设备选型及组网方式的选择问题，合理的设备选择及组网方式，不仅能提高系统安全性、可靠性，还能节省投资，便于管理和维护。

滇中引水工程为超长距离输水工程，目前国内没有专门针对长距离输水工程安全监测方面的监测设计规范，仅能以《水利水电工程安全监测设计规范》(SL 725—2016)作为主要依据，加之滇中引水工程由不同单位承担设计任务，极易造成各监测设备的选择和组网方式千差万别[9]。

海东隧洞为滇中引水工程中具有代表性的隧洞，隧洞监测仪器设备种类齐全、数量繁多、线缆牵引传输距离超长，因此选择了传统设备(振弦式)与光纤光栅式联合的布置方式[10]。实践证明此方式不仅确保了施工质量、安全及进度，而且提高了监测成果的准确性和可靠性，同时有效地减少了传输线缆工程量，降低了经济指标。

光纤光栅式设备现已在我国水电工程安全监测领域得到应用，但从目前研究与应用情况来看，尚存在基础研究薄弱、专业人员较少、针对性不强、传感器与基体材料互适应性研究较少、监测项目的传感原理研究困难、采集系统和数据处理系统的通用性和实用性等问题。然而只要加强基础研究，理论与实践紧密结合，光纤光栅设备及其相关的材料在水电工程安全监测领域的应用前景就会非常宽广，它们不仅是传统仪器的理想替代者，而且有助于工程建设施工、运行期的管理实现数字化转型，可为实现现代化、智慧化水利工程奠定基础。