水利工程光纖光柵傳感技術應用分析

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摘要：鄭州引黃灌溉龍湖調蓄工程是我國少有的幾個全部使用光纖光柵式傳感器的大型水利工程之一。本文通過龍湖工程，研究了光纖光柵式傳感器在水位與滲流監測的適用性；闡述了龍湖工程監測成果的分析方法；并總結了光纖光柵式儀器的施工經驗。其應用效果及工程經驗對于光纖光柵式傳感器在土木水利工程中的發展普及有一定的借鑒意義。

關鍵詞：光纖光柵式傳感器；水利工程；水位與滲流監測

光纖光柵式傳感器具有測量精度高、耐腐蝕、適合遠程傳輸與監控等優點。1989年美國布朗大學的Mendez等人首先提出把光纖傳感器用于混凝土結構健康監測，此后國內外研究人員對光纖光柵傳感系統在工程中的應用做了大量的研究工作，但由于其抗剪能力差、受施工干擾的影響較大，目前除了在施工干擾及施工交叉較小的橋梁工程中有一些應用，在國內外土木水利工程中并沒有得到廣泛應用。鄭州引黃灌溉龍湖調蓄工程是一項為鄭州市農業灌溉調節水量為主，兼顧生態、景觀的綜合性水利工程。工程共計安裝埋設1006光纖光柵式滲壓計，主要用于監測水位及防滲墻的滲漏情況，是國內少有的幾個全部使用光纖光柵式傳感器的大型水利工程之一，其施工經驗及成果對光纖光柵式儀器在以后水利工程中的應用有一定參考價值。

一、光纖光柵式儀器在龍湖水利工程中的技術優勢

龍湖工程的跨度長、分布面積大，傳輸距離從幾百米到幾十公里，傳統的電學量傳感設備組成的監測系統在長期穩定性和分布范圍方面都不能很好的滿足龍湖工程的需求。對于差阻式儀器，采用四芯制電橋測量時，接長的黑白芯線電阻變差0.003Ω，就會造成電阻比0.01%的跳動；鋼弦式儀器測量和傳輸的是頻率信號，在遠距離傳輸方面優于差阻式儀器，但傳輸過程中容易受到外界環境的干擾，同時弦的彈性模量與土壤的彈性模量不一致也會引起測量誤差。光纖光柵傳感器既是監測設備同時又是良好的傳輸媒介。有結果表明：光纖光柵式儀器工作狀態的誤差小于0.5%；且受傳輸距離的影響很小，信號不會隨傳輸距離的增加而失真。因此在龍湖工程安全監測中，光纖光柵傳感監測系統具有很大優勢。

二、監測原理

工程使用的儀器為BGK-FBG-4500S-350KPa型光纖光柵式滲壓計。光纖光柵式滲壓計計算壓力的公式為：其中，GP為滲壓計的直線系數，K為溫度修正系數，GT為溫度計算系數；λ1、λ2為光柵當前波長值（大-小），λ10、λ20為光柵初始波長值（大-小）

三、監測成果分析

（一）監測成果分析方法由于監測儀器沿湖分布，比較分散且跨度較大，儀器所處的工作狀態環境有所不同。因此進行數據分析時需要結合儀器附近位置的施工、蓄水情況，才可合理解釋數據的變化及監測位置的真實狀態。工作過程中，需要定期巡視并記錄各個監測斷面附近的施工、蓄水等情況，便于資料的整理及監測成果分析。

（二）蓄水過程的水位計監測成果分析設計Y1、Y2、Y5、Y6共計四支水位計監測外湖水位。由于水位計均埋設在湖底位置，蓄水后孔口位置將被淹沒，需要將儀器測頭牽引至蓄水水位以上，四支水位計的光纜溝開挖及接線牽引工作于10月02日~10月16日間完成，如圖3-1。2012年10月18日鄭州引黃灌溉龍湖調蓄工程正式開始蓄水。蓄水過程中，Y6、Y5、Y2、Y1依次被淹沒。蓄水過程中的水位與溫度變化過程線如圖3-2：截止2012年12月30日，湖水水位上升幅度變小，此時各水位計的讀數分別為：Y1為79.51m；Y2為79.58m；Y5為79.56m；Y6為79.52m。測量滿足測量精度要求。

（三）基坑施工過程的監測成果分析基坑監測可以實時的提供現場動態信息，是確定合理施工方案、避免事故發生的重要環節，龍湖工程在橋梁、引水渠等建筑施工區域也布設有光纖光柵式儀器。2015年1月初N0+406監測斷面附近的橋梁施工開始動工，并于2月6日起開始橋墩基坑的施工，施工過程中水位變化過程線如圖3-3：由圖可知：在橋梁基坑在施工過程中水位逐漸緩慢下降且最終趨于穩定；同時由于S1測點在防滲墻之內，且離橋墩基坑位置較近，因此S1測點處水位下降更為明顯，監測成果能如實的反映施工處的水位變化情況，為基坑施工及時提供了監測資料。

四、結語

結合光纖光柵式儀器在龍湖工程中的實際應用，施工經驗總結如下：（1）在遠距離自動化集成方面，光纖光柵式儀器與傳統差阻式、電阻式、振弦式儀器相比具有明顯的優勢，因此更適合中大型水利、水電、風電及橋梁工程的遠程實時監測；（2）光纖光柵式儀器適用于施工交叉較小及隱蔽性覆蓋工程；（3）光纖光柵式儀器在交叉施工中容易損壞，因此做好工程的整體規劃、合理調整施工順序以減少施工交叉，對于保證光纖光柵式儀器的成活率有重要意義；龍湖工程為光纖光柵式儀器在水利工程中的應用積累了寶貴的經驗。隨著光纖光柵傳感技術的發展與工程需求的銜接，其在中大型水利、風電、橋梁等工程中將會有更廣泛的應用。

參考文獻：

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[2]王丹生，朱宏平.光纖光柵傳感技術在橋梁結構健康監測中的應用[J].中外公路，2002(22):31-43．

[3]鐘江.光纖光柵傳感器在長距離有壓引水隧洞中的應用[J].甘肅水利水電技術，2009（12）30-33.

作者：劉玉帥 劉強 鄭濤 單位：浙江華東測繪與工程安全技術有限公司