高土石壩變形監(jiān)測的光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開一種分布式光纖傳感系統(tǒng)和技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)心墻土石壩和砼面板壩的全部散粒壩料區(qū)域（包括心墻壩的上游堆石體）的內(nèi)部變形3分量，以及面板壩周邊縫?垂直縫變形、面板的撓度?脫空縫和砼面板雙向應(yīng)變的一體化在線遙測；實(shí)壩大范圍的時(shí)空全覆蓋。提供獨(dú)特造型的三種光纖封裝結(jié)構(gòu)，構(gòu)成3維歐拉彈性梁，實(shí)現(xiàn)光纖的力?光直接轉(zhuǎn)換；提出傳感系統(tǒng)的水平向、垂直向、壩坡向三種布置型式和綜合用法及光纖敷設(shè)工藝，達(dá)成光纖監(jiān)測的多功能一體化，便于施工、保證光纖存活率，具有工程應(yīng)用價(jià)值。光解調(diào)儀采用高精度PPP?BOTDA或布里淵?瑞利合成系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)壩與滲漏等其他監(jiān)測項(xiàng)目的一機(jī)多用，促進(jìn)安全監(jiān)測系統(tǒng)的換代升級。
【專利說明】
高土石壩變形監(jiān)測的光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種土石壩的壩體變形的分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)心墻型和面板型高土石壩內(nèi)部變形和砼面板的雙向應(yīng)變狀態(tài)及接縫變形的分布式光纖傳感大范圍-多維度的在線遙測，獲得可靠可用的觀測成果。
【背景技術(shù)】
[0002]土石壩安全監(jiān)測國家規(guī)范SL60-94規(guī)定的施工期-初蓄期-運(yùn)行期的觀測頻次，內(nèi)部變形、砼面板變形-應(yīng)變、接縫變形三項(xiàng)，是20余監(jiān)測項(xiàng)目中的最高一檔，由此可見其關(guān)鍵性意義。其中，面板壩的鋼筋砼-堆石兩種材料的剛度懸殊大，變形問題突出，面板壩的各種安全事故如漏水、止水失效、面板開裂、擠壓破壞、撓曲斷裂、脫空等等，都與變形的異常密切相關(guān)。
[0003]土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測使用的常規(guī)儀囂，如測斜儀、沉降儀、水管沉降儀、引張線位移計(jì)、銦鋼絲位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測縫計(jì)等，作為單點(diǎn)式傳感器，其時(shí)空覆蓋能力弱(時(shí)空不連續(xù))，測點(diǎn)少、大壩整體信息偏弱；可靠性耐久性較差，儀器設(shè)備故障率偏高(如電磁沉降儀有效工作期僅約5年;又如小浪底壩內(nèi)觀儀器建成僅兩年，1/3以上已失效;前蘇聯(lián)317m努列克心墻堆石壩，壩體埋設(shè)觀測儀器達(dá)800余只、測斜管16只，總長達(dá)3km之多，但迄今無任何觀測成果報(bào)導(dǎo))；常規(guī)儀器自動化水平低、人工操作多、時(shí)效差。另一重要問題是，常規(guī)儀器設(shè)備怕水浸，上游壩殼堆石體變形在國內(nèi)外通常成為監(jiān)測空白區(qū)。這些難題隨著壩高的增加，如二三百米級高壩，其挑戰(zhàn)性愈加突出。
[0004]2005年光纖陀螺儀曾用于水布埡面板壩的面板撓度監(jiān)測，該儀器可動部件多(小車滾輪8個(橡膠輪箍))，每次測量時(shí)陀螺儀小車在圓形鋼管通道中上下拖動800余米(小車軌道缺乏唯一性)，對測量精度的重復(fù)性-穩(wěn)定性的不利影響因素較多。
[0005]現(xiàn)階段，分布式光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)尚無用于土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的實(shí)例，惟有用于地下工程、土體沉降、水平位移等變形檢測的實(shí)例。
[0006]例如，埃及開羅地鐵3#線穿越軟土地層，開挖時(shí)，采用了 BOTDA型光纖變形監(jiān)測管進(jìn)行土體沉陷觀測。觀測管釆用光面圓塑料管，管外表面敷設(shè)三條傳感光纖，按歐拉-伯努利彈性梁理論，得出土層沿測管縱向的沉降分布，效果良好[V.Dewynter et al.Brillouin optical fiber distributed sensor for settlement monitoring whiletunneling the metro line 3 in Cairo, Egypt, Proc.0f SPIE Vol.7503,75035M ]。
[0007]上海地鐵線路中，光纖的封裝結(jié)構(gòu)采用圓塑管，外徑70mm，長84m。管頂點(diǎn)底點(diǎn)對稱各開一凹槽，光纖粘入槽內(nèi)。沉降光纖測值與對比測值基本相符。
[0008]又如南京一深基坑，將光纖粘貼在PVC管的對稱兩側(cè)的凹槽內(nèi)，其一側(cè)朝向基坑壁，用鉆孔豎直埋入土層，開挖中測得該管撓度變形，即土體水平位移，與全站儀測值符合良好。
[0009]山西某矸石發(fā)電廠對直徑800mm、長31m、35m灌注粧，釆用布里淵型傳感光纖，在靜載試驗(yàn)中檢測粧身撓度、混凝土應(yīng)變。光纖2路沿粧身兩側(cè)對稱布置，獲翔實(shí)成果。
[0010]綜上易見，在地下工程中應(yīng)用的分布式光纖變形監(jiān)測方式，僅能測得封裝管的撓度，即一維變形。因而無法應(yīng)用于土石壩型的內(nèi)部變形監(jiān)測，關(guān)鍵問題有二:(I)土石壩變形為空間變形、即三維變形；(2)光面封裝圓管只能承受正土壓力，側(cè)向易滑動，無法與土料的復(fù)雜變形同步，而相容性是光纖傳感的基本要求，即光纖與其監(jiān)測對象的變形場協(xié)調(diào)相容。[0011 ]鑒于此，針對高壩工程三維變形監(jiān)測的特定需求，本發(fā)明綜合運(yùn)用當(dāng)今分布式光纖傳感領(lǐng)域的高端成果，提供一種適用于心墻型和面板型土石壩空間變形的分布式光纖傳感監(jiān)測型式和技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]技術(shù)方案依據(jù)的科學(xué)原理 (I)力學(xué)理論:
在彈性力學(xué)中，歐拉-伯努里三維彈性梁理論(遵循小變形理論)表明，梁體的拉壓面應(yīng)變分布與其撓度變形一一對應(yīng)，凡獲得其兩側(cè)面應(yīng)變的分布，借應(yīng)變的重積分，即可求得梁的撓度，兩側(cè)拉壓變形平均值即梁體軸向變形。
[0013](2)光學(xué)原理:
據(jù)光纖光學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，光纖光波導(dǎo)的兩種本征散射一布里淵散射、瑞利散射，都對溫度和應(yīng)變兩種力學(xué)量敏感[K.Kishida et al.Study of optical fiber strain-temperature sensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system, PhotonicSensors, DO1:10.1007/s 13320-013-0136-1; Sylvie Delepine-Lesille et al.Validat1n of Cff-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing,Proc.0f SPIE Vol.8794 879438-ll.兩本征散射各自特有的光學(xué)參量成為應(yīng)變與溫度的信息載體如下:
I)布里淵(Brillouin)散射光一布里淵增益譜峰值的頻移與溫度及應(yīng)變增量線性相關(guān)，基本關(guān)系式為
Avb = CnAe+Ci2AT
式中，Avb為布里淵增益譜頻移，Λε為應(yīng)變增量，AT為溫度增量，C11為布里淵應(yīng)變-頻率系數(shù)，C12為布里淵溫度-頻率系數(shù)。通過測量布里淵頻移就可測定光纖應(yīng)變和溫度，經(jīng)解耦可得光纖沿程的溫度分布。新型的預(yù)脈沖(Pulse-Pre-Pump)布里淵光時(shí)域分析儀PPP-BOTDA，其脈沖最小寬度達(dá)0.2ns，空間分變率達(dá)2?10cm、測量精度7.5με/0.35°C。
[0014]2)瑞利(Rayleigh)散射光一光纖纖芯在拉制過程中生成的殘留應(yīng)變所產(chǎn)生的瑞利后向散射光，其頻移與溫度和應(yīng)變增量線性相關(guān)，基本關(guān)系式為
Δνκ = θ2?Δε+θ22ΔΤ
式中，Avr為瑞利散射光頻移，C21為瑞利應(yīng)變-頻率系數(shù)，C22為瑞利溫度-頻率系數(shù)。布里淵-瑞利合成系統(tǒng)(Hybrid Brill1un-Rayleigh system)近期業(yè)已產(chǎn)品化一TW—COTDR(諧調(diào)波長相干光時(shí)域反射儀)，工作性能與上述PPP-B0TDA相當(dāng)，且可實(shí)現(xiàn)溫度-應(yīng)變的自動解耦。這些為提高系統(tǒng)的信噪比、增強(qiáng)觀測數(shù)據(jù)的可靠性提供了亟有利條件。
[0015]綜上可見，被測場布設(shè)I路光纖，可測得沿程的一維空間的應(yīng)變(及溫度)連續(xù)函數(shù)，用數(shù)值方法進(jìn)行重積分得其縱向變形量。如圖1，當(dāng)運(yùn)用4條組合光路，將其按梁體彎曲構(gòu)型布設(shè)時(shí)，則可測得變形3分量(沉降+順河向-橫河向水平位移)。簡言之，4路光纖的兩兩呼應(yīng)的拉壓對應(yīng)布置，可把壩體變形3分量轉(zhuǎn)化為監(jiān)測管/監(jiān)測板的梁彎曲效應(yīng)(光纖恰出現(xiàn)在梁彎曲的拉、壓兩側(cè))，而得以將壩體變形3分量一一表達(dá)出來;具有對全部壩體(包括上游壩殼)內(nèi)沿光纖全程的三維變形的時(shí)空分布，進(jìn)行連續(xù)、在線、一體化監(jiān)測的功能。
[0016]如上所述，這種用分布式光纖傳感檢測撓度變形的技術(shù)型式，已在國內(nèi)外地下工程、粧工等領(lǐng)域的初步應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。
[0017](二)技術(shù)方案
(I)傳感光纖的封裝結(jié)構(gòu)
上述力-光理論相綜合，易知光纖變形監(jiān)測的技術(shù)構(gòu)架是:將光纖布設(shè)在細(xì)長彈性件的對稱面，即成為光纖封裝件，將其埋入觀測對象內(nèi)即可。封裝結(jié)構(gòu)的構(gòu)型的精巧實(shí)用，對于光纖變形監(jiān)測的工程應(yīng)用的成敗，具有決定性作用。針對上述各壩型的監(jiān)測參量和對象及應(yīng)用條件，本專利提出如下三種光纖封裝結(jié)構(gòu)構(gòu)型。
[0018]I)波紋管
封裝圓管釆用高性能聚合物材料(如ABS材料)，管外表面設(shè)有均布的凹槽，成為波紋管。在其外壁的頂點(diǎn)、底點(diǎn)和左右側(cè)點(diǎn)共4處，對稱布設(shè)4條微管(直徑約15mm)，見圖1，各微管中敷設(shè)傳感光纖，即形成光纖變形監(jiān)測管，可同時(shí)觀測3個變形分量:管縱向變形量、橫向2正交變形分量。封裝管直徑大約為40?90cm左右。封裝管設(shè)有環(huán)向波紋的作用在于，保障光纖與壩料(心墻料、反濾料、堆石料等)之間的場相容。
[0019]2)多孔板
對波紋管進(jìn)行降維優(yōu)化即成二維封裝件，如圖2，在封裝板的兩側(cè)各設(shè)I條微管(直徑約15mm)以敷設(shè)傳感光纖，作為板形歐拉梁體的拉壓側(cè)，即形成光纖變形監(jiān)測板。在板體中均勻布設(shè)穿透圓孔，當(dāng)監(jiān)測板埋入散粒壩料時(shí)，壩料嵌入孔內(nèi)，使監(jiān)測板與壩體填筑料審切結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)場相容。
[0020]監(jiān)測板立置而其一端或兩端為固端時(shí)，即成為窄斷面的2維歐拉彈性梁，可同時(shí)觀測2個變形分量:板形梁的撓度及其縱向變形；當(dāng)監(jiān)測板水平放置-端部固定時(shí)，其撓度出現(xiàn)在水平面內(nèi)。易見，沿一條測線將兩監(jiān)測板正交敷設(shè)成為丁字形(圖4、5中之15、圖8)，則可觀測板形梁沿線的變形3分量(在壩體中即其沉降、順河向水平位移、橫河向水平位移)。封裝板(立式)高度大約為50?10cm左右。
[0021]3)光面板
此封裝件的板型-板材-光纖封裝和力學(xué)機(jī)制，與多孔板類同，只是不設(shè)均布的穿透孔。
[0022]上述各種板形和管形封裝件的端頭中，有時(shí)需要將拉壓對應(yīng)側(cè)的光纖連通，可釆用U型路由。在壩肩陡峻岸坡或與砼建筑連接處，監(jiān)測板可采用滑動軌道支座，傳感光纖用定點(diǎn)嵌固，防止光纖受損，并可監(jiān)測壩體-岸坡界面的錯動變形量。
封裝結(jié)構(gòu)的三種形式應(yīng)結(jié)合光纖系統(tǒng)在大壩中的布置方式(下詳)和監(jiān)測項(xiàng)目及任務(wù)，因地制宜，優(yōu)選應(yīng)用。
[0023](2)光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成
光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成，見圖3。主要包括:光信號解調(diào)儀一傳輸光纜一傳感光纖(UPS、主控計(jì)算機(jī)等配件未示出)。
[0024]新型的光信號解調(diào)儀PPP-B0TDA(預(yù)脈沖布里淵光時(shí)域解調(diào)儀)，其脈沖最小寬度達(dá)0.2ns，空間分變率達(dá)2?10cm，應(yīng)變精度7.5με，應(yīng)變重復(fù)性5με，溫度精度達(dá)0.35 °C，測量時(shí)間5s，距離范圍50m?1km，適用SM光纖。布里淵-瑞利合成系統(tǒng)的解解儀TW-COTDR也達(dá)到類同的性能。
[0025]為在工程現(xiàn)場條件下驗(yàn)證PPP-B0TDA型光纖傳感系統(tǒng)的性能，2011年在西安釆用PHC粧的現(xiàn)場靜載實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變實(shí)測，進(jìn)行了國內(nèi)首次技術(shù)驗(yàn)證，采用知名的瑞士滑動測微計(jì)進(jìn)行校核。PHC粧直徑500mm，粧長30m，在粧體內(nèi)埋入兩路傳感光纖，並一起埋入滑動測微計(jì)，試粧靜載693?1464kN。結(jié)果兩種手段的應(yīng)變測值基本相符。
[0026](三)土石壩光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的布置方式
土石壩中常規(guī)監(jiān)測設(shè)備的布置各式各樣，如豎向布置、順河向水平布置、跨河向水平布置等，其缺陷是:設(shè)備安裝歷時(shí)長(如測斜管)、施工干擾大、有損傷風(fēng)險(xiǎn)(要經(jīng)歷每一填筑層作業(yè)的“磨難”);起測時(shí)間晚、丟失早期數(shù)據(jù)(如水管沉降儀等)。
[0027]基于光纖監(jiān)測管/監(jiān)測板可同時(shí)觀測壩體變形三分量或兩分量的優(yōu)勢，本專利提出用一體化跨河向水平布置方式或者以跨河水平布置為主的綜合布置方式。
[0028](I)心墻型土石壩光纖監(jiān)測布置:光纖監(jiān)測系統(tǒng)對土質(zhì)防滲心墻、反濾層和堆石體(包上游堆石壩殼)的各壩料分區(qū)，均采用跨河向水平布置或以水平布置為主-輔以少量垂向布置(見圖4、5)，少量垂直布置可收強(qiáng)化監(jiān)之效。
[0029](2)面板型堆石壩光纖監(jiān)測布置:
I)堆石體料區(qū)的監(jiān)測一采取多孔板封裝件-跨河向水平布置，如圖6、7中的15，或者以水平布置為主-以垂直布置為輔，有利于施工控制和動態(tài)設(shè)計(jì)。
[0030]2)砼面板撓度-應(yīng)變-接縫一體化監(jiān)測一面板撓度監(jiān)測采用光面的封裝板-水平向布置如圖6中之19。該板形梁的梁高方向與面板正交，以兩岸巖基為固端，沿程用鋼構(gòu)件夾牢板頂部，鋼構(gòu)件埋入面板砼中，使其頂面與面板砼連結(jié)一體。監(jiān)測板采用光面板而不設(shè)多孔，旨在排除當(dāng)脫空縫出現(xiàn)時(shí)墊層料對監(jiān)測板變形的約束，確保其變形與砼面板同步。
[0031]該水平監(jiān)測板一身三用，在監(jiān)測面板撓度的同時(shí)，還能直接測出砼面板的水平向應(yīng)變的時(shí)空分布和過程，即該監(jiān)測板頂部光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)。再者，它能監(jiān)測面板垂直縫的開度，為此，該監(jiān)測板凡與面板垂直縫相交的區(qū)段(長大約2?4m)中，光纖需用定點(diǎn)固結(jié)，為此，在該區(qū)段內(nèi)取消與面板固結(jié)的鋼構(gòu)件;采用類同的布設(shè)方式，它還可同時(shí)監(jiān)測該板兩端周邊縫的開度和沉降變形。
[0032]3)砼面板撓度強(qiáng)化監(jiān)測-應(yīng)變-接縫一體化監(jiān)測一為強(qiáng)化面板撓度的監(jiān)測(特別是面板中下部)，釆用壩坡向布置和光面監(jiān)測板，封裝板順壩坡向布設(shè)在垂直縫面中，其下端以趾板為固端基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖8中之19。該監(jiān)測板與垂直縫一側(cè)的面板連結(jié)一體(例如用錨栓連結(jié))，與其同步變形。
[0033]易見，斜向監(jiān)測板在監(jiān)測面板撓度的同時(shí)，還能測到砼面板坡向應(yīng)變的時(shí)空分布。同上，斜向監(jiān)測板鄰近周邊縫的約3~5m長區(qū)段內(nèi)，屏蔽其與一側(cè)面板的連結(jié)(不設(shè)錨栓)、光纖定點(diǎn)嵌固，則能監(jiān)測周邊縫的開度和沉降變形。
[0034]4)面板脫空縫的監(jiān)測一采用水平向布置，這時(shí)，在圖6中，與撓度監(jiān)測板(無孔)相平行、並排布置I條多孔監(jiān)測板，將其嵌入墊層料及擠壓邊墻中，與其同步變形。脫空監(jiān)測板與撓度監(jiān)測板的變形觀測值之差，即為脫空縫寬。
[0035]上述心墻土石壩和面板壩的光纖變形-應(yīng)變-接縫監(jiān)測布置方式的特色和顯著優(yōu)勢是: I監(jiān)測板/監(jiān)測管兩端或一端以兩岸壩基-趾板為固端和基準(zhǔn)點(diǎn)，力學(xué)概念清晰，準(zhǔn)確可靠。還可輔以豎向布置，對重點(diǎn)部位強(qiáng)化必要的觀測冗余度。
[0036]I監(jiān)測板水平向敷設(shè)在壩體填筑層面上，短時(shí)間一次性快速完成敷設(shè)安裝，其上覆填筑層自動成為監(jiān)測板的保護(hù)層，避免后續(xù)施工的損傷，對光纖存活率特別有利。
[0037]I幾乎不占用直線工期，減少施工干擾；可立即進(jìn)入施工期觀測，盡早建立初始場。
[0038]I光纖不跨越不同壩料分區(qū)界面，使光纖避免界面局部錯動產(chǎn)生的牽拉和損傷。
[0039]I充分發(fā)揮光纖監(jiān)測的多功能化優(yōu)勢，在面板壩不僅觀測面板和堆石體的各種變形量，同時(shí)觀測砼面板的壩坡向-水平向的應(yīng)變狀態(tài)和周邊縫、垂向縫變形。
[0040](四)有益效果
(I)把心墻型-面板型土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的常規(guī)設(shè)備的原理各異、構(gòu)型繁多的十余種系統(tǒng)，簡化為單一的光纖傳感系統(tǒng)，儀器設(shè)備高度簡化、系統(tǒng)極為精煉;消除了所有可動部件，顯著提高系統(tǒng)的信噪比、切實(shí)保證觀測數(shù)據(jù)的長期可靠穩(wěn)定性，使之成為具有實(shí)用價(jià)值的先進(jìn)適用的高科技手段，與大壩常規(guī)監(jiān)測手段相輔相成，當(dāng)能夠顯著提升高土石壩安全監(jiān)控體系的有效性和科技水平。
[0041](2)消除了人工測點(diǎn)、手工操作，便于實(shí)施實(shí)時(shí)在線遙測。
[0042](3)高壩內(nèi)部變形監(jiān)測提升到網(wǎng)絡(luò)化-一體化水平，利于實(shí)現(xiàn)變形觀測的時(shí)空全覆蓋，在觀測范圍上，可消除土石壩上游堆石體壩殼空白區(qū)；在監(jiān)測時(shí)間全過程上，光纖傳感系統(tǒng)即埋即測，施工期數(shù)據(jù)不致丟失;施工期系統(tǒng)可快捷接入運(yùn)行期監(jiān)測自動化系統(tǒng)，不致數(shù)據(jù)中斷;多功能化優(yōu)勢明顯，尤其對面板壩在監(jiān)測面板和堆石體的各項(xiàng)變形量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對周邊縫-垂直縫變形和面板雙向應(yīng)變狀態(tài)的一體化監(jiān)測。
[0043](4)系統(tǒng)耐腐蝕、防雷擊、抗電磁干擾，無可動部件、無磨損，穩(wěn)定工作數(shù)十年，維修工作量極小。光纖傳感系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備降價(jià)快、性能提高快，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?br>[0044](5)本技術(shù)方案的重要關(guān)鍵是，排除了光纖跨越壩體的分區(qū)界面，從而避免壩分區(qū)界面錯動和局部不均勻變形拉斷光纖(小浪底壩內(nèi)觀儀器失效的起因，水工電纜拉壞占一半以上)，布置方式有利于最大限度保證光纖存活率。
[0045]簡言之，本專利具有攻克當(dāng)今高土石壩壩內(nèi)部變形監(jiān)測這個難點(diǎn)、補(bǔ)上高壩安全監(jiān)測的短板的實(shí)用潛力，實(shí)現(xiàn)其技術(shù)升級，可望成為土石壩安全監(jiān)測體系中的亮點(diǎn)之一。
【附圖說明】
[0046]圖1為光纖變形監(jiān)測管一波紋管；
圖2為光纖變形監(jiān)測管一多孔板；
圖3為光纖變形傳感監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖；
圖4為心墻土石壩光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的布置方式壩體橫剖面示意圖；
圖5為心墻土石壩光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的布置方式壩體縱剖面示意圖(圖4A-A剖面)；
圖6為砼面板壩光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的布置方式壩體橫剖面示意圖；
圖7為砼面板壩光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的布置方式壩體縱剖面示意圖(圖6A-A剖面；)
圖8為丁字形光纖變形監(jiān)測板的溝槽敷設(shè)示意。
[0047]附圖剖位、部件及編號 I為波紋管，2為封裝結(jié)構(gòu)嵌固端，3為微管，4為傳感光纖，5為傳輸光纜，6為光信號解調(diào)儀，7波紋管壁凹槽，8為多孔板，9為穿透孔，10為上游堆石體壩殼，11為上游反濾層，12為土質(zhì)防滲心墻，13為下游反濾層，14為下游堆石體壩殼，15 丁字形監(jiān)測板，16為立置監(jiān)測板，17為垂直向監(jiān)測管/板，18為大壩分段填筑壩坡，19為砼面板，20為趾板，21為面板撓度監(jiān)測板，22為面板脫空縫監(jiān)測板，23為壩坡向監(jiān)測板，24為壩料填筑層面，25為埋設(shè)槽，26為立置監(jiān)測板，27為水平監(jiān)測板，28為壩料回填。
【具體實(shí)施方式】
[0048](一)光纖封裝件的埋設(shè):封裝件采用溝槽法埋設(shè)，沿光纖監(jiān)測線的設(shè)計(jì)線路，在填筑層中開挖埋設(shè)槽，如圖8，封裝板放入槽內(nèi)，用全站儀進(jìn)行控制測量，保障準(zhǔn)確定位調(diào)平，保證立置板的鉛垂度和平置板的水平度;板段間的接頭的安裝需審實(shí)牢固，用光纖氣吹作業(yè)檢驗(yàn)監(jiān)測板微管的通暢氣密性;埋設(shè)槽的壩料回填用人工夯實(shí)，直至高于槽頂50cm處，其上再鋪50cm厚兩層，在堆石區(qū)最大粒徑300mm，振動碾靜壓，其上恢復(fù)正常作業(yè)。垂直封裝件在散粒壩料中的埋設(shè)，采用與垂向測斜管埋設(shè)類同的方式，甚或與其一同埋設(shè)，互為校驗(yàn)。
[0049](二)傳感光纖的敷設(shè)定位:在一路封裝件全線安裝定位后，在其微管內(nèi)用氣吹法敷設(shè)光纖，傘形帽在壓氣吹動下，拖動光纖從一端布向另一端(該工藝是電信行業(yè)成熟工藝的移植);光纖在微管中的固結(jié)定位，采用真空高壓法進(jìn)行改性水泥沙漿灌注(光纖在小直徑導(dǎo)管中的氣吹敷設(shè)和灌漿工藝，均已在高速公路隧道砼襯砌的光纖敷設(shè)中得到驗(yàn)證)。凡新埋設(shè)的光纖變形監(jiān)測件鄰近尚有粗粒料振動碾作業(yè)的部位，需注意協(xié)調(diào)光纖的固結(jié)定位灌漿與鄰近振動碾壓兩工序間的配合，后續(xù)振動壓實(shí)須于監(jiān)測件上覆壩料層達(dá)到合格厚度且沙漿達(dá)到合格齡期后，才開始恢復(fù)振動碾的正常振動壓實(shí)作業(yè)，以避免其動力作用損傷沙漿的正常固結(jié)。
[0050]本發(fā)明屬于4項(xiàng)國家自然科學(xué)基金成果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種土石壩內(nèi)部變形的分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)方案，其特征是:2?4傳感光纖釆用長條形彈性構(gòu)件加以封裝，將其作為二維/三維歐拉彈性梁體埋入壩體，通過光纖沿程應(yīng)變-溫度的連續(xù)觀測，獲得封裝結(jié)構(gòu)彈性梁的撓度和縱向變形，在線測定壩體的空間變形的時(shí)空分布過程;光纖傳感信號解調(diào)釆用高精度布里淵光時(shí)域分析儀PPP-BOTDA或布里淵-瑞利合成系統(tǒng)TW-C0TDR。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其特征是:提出光纖的封裝結(jié)三種型式一波紋管、多孔板、光面板;前者沿其外周對稱布設(shè)4微管，其中敷設(shè)4路傳感光纖;封裝件埋入壩中、一端或兩端嵌固，按三維歐拉彈性梁算法，可監(jiān)測沿線變形3分量。后二者其兩側(cè)邊各有微管I條，敷設(shè)兩路傳感光纖;封裝件埋入壩中、一端或兩端嵌固，按歐拉彈性梁算法，監(jiān)測沿線變形兩分量一封裝件中平面內(nèi)的撓度及其縱向變形;釆用兩監(jiān)測板按丁字形正交安裝，則可監(jiān)測沿線變形3分量。前兩者的凸凹槽和均布孔保證封裝件與散粒壩料間的場相容。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其特征是:在心墻型和面板型土石壩體的散粒料區(qū)，光纖監(jiān)測件采用水平布置或以水平布置為主-垂直布置為輔;避免傳感-傳輸光路穿越散粒壩料分區(qū)界面和不均勻變形牽拉，最大限度的保障光纖存活率、減少對填筑作業(yè)的干擾。在壩肩陡峻岸坡處監(jiān)測件采用滑軌支座，傳感光纖用定點(diǎn)嵌固，防止光纖受損，並測出界面錯動變形。面板壩的砼面板撓度的監(jiān)測釆用光面監(jiān)測板，水平向布置在面板下方、板頂與其固結(jié)，在監(jiān)測撓度的同時(shí)監(jiān)測面板的水平向應(yīng)變的時(shí)空分布和過程以及其相應(yīng)的周邊縫-垂直縫變形;貼近撓度監(jiān)測板平行布設(shè)多孔板，用以監(jiān)測脫空縫;沿垂向縫布設(shè)壩坡向光面監(jiān)測板，以趾板為固端，與一側(cè)的面板相連結(jié)，以監(jiān)測面板撓度(特別是其中下部)，同時(shí)測出砼面板的壩坡向應(yīng)變的時(shí)空分布和過程及其相應(yīng)的周邊縫變形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其特征是:壩中光纖封裝結(jié)構(gòu)件就位后，各微管的傳感光纖組釆用氣吹法敷設(shè)，用真空高壓法灌注改性水泥沙漿進(jìn)行固結(jié)定位;凡其鄰近有粗粒料振動碾作業(yè)的部位，后續(xù)振動壓實(shí)須于監(jiān)測件上覆土層達(dá)到合格厚度且沙漿達(dá)合格齡期后開始作業(yè)，以策沙漿的正常固結(jié)。
【文檔編號】G01B11/16GK105910545SQ201610133007
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】劉浩吾, 孫曼, 陳江, 王琛, 唐天國, 張?jiān)獫?
【申請人】四川大學(xué)