水利工程光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用分析

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摘要：鄭州引黃灌溉龍湖調(diào)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(jiān)測的適用性；闡述了龍湖工程監(jiān)測成果的分析方法；并總結(jié)了光纖光柵式儀器的施工經(jīng)驗。其應(yīng)用效果及工程經(jīng)驗對于光纖光柵式傳感器在土木水利工程中的發(fā)展普及有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：光纖光柵式傳感器；水利工程；水位與滲流監(jiān)測

光纖光柵式傳感器具有測量精度高、耐腐蝕、適合遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控等優(yōu)點。1989年美國布朗大學(xué)的Mendez等人首先提出把光纖傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，此后國內(nèi)外研究人員對光纖光柵傳感系統(tǒng)在工程中的應(yīng)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(yīng)用，在國內(nèi)外土木水利工程中并沒有得到廣泛應(yīng)用。鄭州引黃灌溉龍湖調(diào)蓄工程是一項為鄭州市農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)節(jié)水量為主，兼顧生態(tài)、景觀的綜合性水利工程。工程共計安裝埋設(shè)1006光纖光柵式滲壓計，主要用于監(jiān)測水位及防滲墻的滲漏情況，是國內(nèi)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(jīng)驗及成果對光纖光柵式儀器在以后水利工程中的應(yīng)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(shù)優(yōu)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(tǒng)的電學(xué)量傳感設(shè)備組成的監(jiān)測系統(tǒng)在長期穩(wěn)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?shù)氖穷l率信號，在遠(yuǎn)距離傳輸方面優(yōu)于差阻式儀器，但傳輸過程中容易受到外界環(huán)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(jiān)測設(shè)備同時又是良好的傳輸媒介。有結(jié)果表明：光纖光柵式儀器工作狀態(tài)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(jiān)測中，光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢。

二、監(jiān)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(shù)，K為溫度修正系數(shù)，GT為溫度計算系數(shù)；λ1、λ2為光柵當(dāng)前波長值（大-?。?0、λ20為光柵初始波長值（大-?。?/p>

三、監(jiān)測成果分析

（一）監(jiān)測成果分析方法由于監(jiān)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(tài)環(huán)境有所不同。因此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時需要結(jié)合儀器附近位置的施工、蓄水情況，才可合理解釋數(shù)據(jù)的變化及監(jiān)測位置的真實狀態(tài)。工作過程中，需要定期巡視并記錄各個監(jiān)測斷面附近的施工、蓄水等情況，便于資料的整理及監(jiān)測成果分析。

（二）蓄水過程的水位計監(jiān)測成果分析設(shè)計Y1、Y2、Y5、Y6共計四支水位計監(jiān)測外湖水位。由于水位計均埋設(shè)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(diào)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(shù)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(jiān)測成果分析基坑監(jiān)測可以實時的提供現(xiàn)場動態(tài)信息，是確定合理施工方案、避免事故發(fā)生的重要環(huán)節(jié)，龍湖工程在橋梁、引水渠等建筑施工區(qū)域也布設(shè)有光纖光柵式儀器。2015年1月初N0+406監(jiān)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(wěn)定；同時由于S1測點在防滲墻之內(nèi)，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(jiān)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(jiān)測資料。

四、結(jié)語

結(jié)合光纖光柵式儀器在龍湖工程中的實際應(yīng)用，施工經(jīng)驗總結(jié)如下：（1）在遠(yuǎn)距離自動化集成方面，光纖光柵式儀器與傳統(tǒng)差阻式、電阻式、振弦式儀器相比具有明顯的優(yōu)勢，因此更適合中大型水利、水電、風(fēng)電及橋梁工程的遠(yuǎn)程實時監(jiān)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(guī)劃、合理調(diào)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(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展與工程需求的銜接，其在中大型水利、風(fēng)電、橋梁等工程中將會有更廣泛的應(yīng)用。

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作者：劉玉帥 劉強(qiáng) 鄭濤 單位：浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司