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引水隧洞结构健康安全监测

发表日期:2017-06-26 点击击数: 492

1.       工程概况

工程类别:99.54Km有压输水隧洞

提醒注意:

ž   承压:隧道运用内水压力值采用1.0MPa

ž   供电:仅进口检修闸室和隧洞出口有供电条件

ž   隧洞界面:圆形,TBM法施工段,钻爆法施工段

ž   待监测断面数量:26

2.       监测内容

水工隧洞围岩的稳定性直接关系到隧洞的安全性,仅靠勘探资料对其稳定性进行判断是有限的,由于不同地区掩体结构性状、节理裂隙发育状态、地下水分布情况等地质等因素具有随机性,这就需要对隧洞围岩稳定性进行监测。

目前,对水工隧洞监测设计方面的问题已有一定研究,国家相关规范也对水工隧洞监测提出了相应的要求,对水工隧洞进行监测主要内容涉及以下几个方面:

ž   隧洞变形监测:围岩内部变形、洞室周边结构收敛变形

ž   隧洞外荷载监测:外水压力、围岩压力

ž   隧洞裂缝监测:衬砌结构、喷锚砼结构

ž   隧洞衬砌结构接缝监测:永久伸缩缝、围岩间接缝

ž   隧洞应力应变监测:围岩支护应力、衬砌结构应力

ž   隧洞进口水位及流量监测

3.       监测技术选择

根据本项目情况,尤其是供电方面与数据传输的要求,特选择光纤光栅式传感技术来实现各截面健康监测,原因如下:

水工隧洞距离长,沿线地理条件复杂无供电条件,仅有进口和出口可以供电,在监测中需要在沿途设置多个监测面,涉及多种传感器,传统电子式传感器受工作原理限制,需要考虑供电问题,信号传输距离问题,同时多种传感器信号类型不一致还涉及多套解调设备,系统复杂适用性差。

而光纤光栅类传感器在野外长距离监测方面有不可比拟的优势,其传感器无需供电,传感传输均采用光信号,并且在野外不受雷击、电磁干扰影响,能够很好的满足水工隧洞无功电条件,长距离监测要求。此外,不同类型的光纤光栅传感器(光栅渗压计、光栅应变计等等)传感信号类型相同,只是通过波长进行编码区分,多个多种传感器可以串联在一起使用,简化了信号传输及信号分析解调系统。


3.1  光栅传感技术简介

光纤光栅传感技术隶属光纤传感技术的一种,而其中的核心传感元件“光纤光栅”自1978年光纤光栅问世以来,被誉为“最有前途的无源光器件”,不过,最令人瞩目的是其在传感领域发挥的作用,其出现开辟了现代传感工业崭新的时代。

光纤光栅,全称光纤布拉格光栅,英文Fiber Bragg Grating,简写FBG,是一段纤芯折射率周期变化的特殊光纤,其折射率的周期变化类似“栅栏”而被称为“光栅”,可通过紫外曝光的方式在光敏光纤上制备,一般长10-15mm。


光纤光栅的功能相当于窄带反射镜(3dB带宽约0.2nm)或带阻滤波器,对入射的宽带光会选择性地反射回一个窄带光,透射光继续沿行进。“选择性”是指每一个光纤光栅返回光的中心波长,是由刻写时候的参数确定的,一旦光纤光栅刻写完毕,其返回的中心波长数值即确定。

该中心波长与光纤光栅的物理特征满足布拉格方程(正因如此,光纤光栅更确切的表达是光纤布拉格光栅),该中心波长在温度、应变的作用下发生偏移,通过测量中心波长的偏移,即可反演出温度、应变数据。

从上式看出,光纤光栅中心波长直接受光纤光栅温度和应变的影响。对光纤光栅进行封装便形成了光纤光栅传感器。通过机械结构设计,对应变监测的变形,便可实现压力、湿度、加速度、振动、风向、风速、雨量等的测量,形成FBG传感器系列。传感器核心器件具有无电、抗电磁干扰、抗雷击等特点,是极端恶劣条件下具有优异性能的传感产品。

3.1.1        温度测量原理

当光纤光栅周围的温度T发生变化ΔT时,此光纤光栅的中心波长会发生漂移ΔλB,通过检测ΔλB,便可以计算出外界温度的改变量ΔT。其中,温度变化ΔT与波长变化ΔλB之间满足:



经计算,可明确获知当温度上升1℃,波长则变化约10pm,所以实时监测光纤光栅中心波长的变化,即可准确感测温度变化量,且温度变化量与波长变化量成线性变化。

3.1.1        应变测量原理

3.1.1        压力测量原理


压力的测量是对应变测量的一个设计变形,在光纤光栅的前端与一个压力敏感元件(膜盒)连接,如下图所示。压力的变化将改变膜盒的变形,然后通过膜盒变形带动光纤光栅产生轴向应变,这样光纤光栅布拉格波长就发生了改变,通过测量光纤光栅布拉格波长的偏移量,便可获知当前光纤光栅所处环境的压力。


品傲压力传感器在传感器内部集成了一个温度传感器,用于温度补偿。由于封装结构紧凑,温度场一致性好,响应速度一致,所以大大提高了温度补偿精度。

3.1.1        位移计、测缝计原理

位移计、测缝计都是通过光纤光栅应变原理实现的。通过悬臂梁结构将较大的位移量转化为较小的光栅轴向应变量,其原理图如下图所示。



将光纤光栅黏贴在悬臂梁表面,当探杆方向有位移产生时,推动悬臂梁弯曲变形,中性面上表面产生拉伸正应变,从而改变光栅中心波长,通过波长变化量可计算出悬臂梁表面应变,即可反算出位移量大小。

 

3.1.1        土压测量原理

土压测量则是对压力传感器的一个设计变形,在压力传感器导压孔前端加上一个土压力盒,该土压力盒中充油,测量时,将土压转换为油压,进而利用油推动膜盒发生形变,这样与膜盒连接的光纤光栅也会发生形变,通过测量光栅中心波长的变化即可反算土压值。

3.1.2        钢筋计测量原理

钢筋计是将光纤光栅固定于与被测钢筋同型号同直径上材料上制作而成的应变传感器,通过光栅测得应变与钢筋弹性模量可以得知钢筋受力情况。

3.1  光栅传感技术优势

表1 光纤光栅传感技术 优势

优势

对客户带来的价值

传感器工作无需供电

不会由于水的侵入引起传感器的短路

传感器可串联、并联多种拓扑方式

同类及不同类型光栅传感器可串联使用,减少线路敷设工作量

光纤信号传输,传输距离长

保证项目的可实施性

传感器投产后无需校准

大幅度减少维护和支持费用

同款解调仪可分析温度、压力、应变、土压、位移、裂缝等数据

节省客户自动化成本

不受雷击影响

传感器部分无电气连接,不受雷击影响,适合野外使用


4.       监测系统介绍

4.1  系统组成

隧洞监测系统由安装在监测截面的各类传感器、沿途连接传输光缆、设置在隧洞入口(或出口,或两端设置)的分析解调仪器三个主要部分构成,如图1所示。

      本项目中从隧洞将各截面传感器信号通过光缆分别引入隧洞进口或隧洞入口,各类型传感器大体介绍见后。

4.1  标准、规范

ž   DL/T 5057-2009 水工混凝土结构设计规范

ž   DL/T 5195-2004 水工隧洞设计规范

ž   DL/T 5178-2003 混凝土坝安全监测技术规范

ž   DL/T 5209-2005 混凝土坝安全监测资料整编规程

ž   DL/T 5099-2011 水工建筑物地下开挖工程施工技术规范

ž   DL/T 5148-2001 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范

ž   DL 5162-2002 水利水电施工安全防护设施技术规范

ž   SL 223-2008 水利水电建设工程验收规程

ž   GB/T 7424.4-2003 光缆 第四部分:分规范 光纤复合架空地线

ž   DL/T 5344-2006 电力光纤通信工程验收规范

ž   GJB1659 – 1993 光纤光缆接头总规范

ž   GJB1427A1999 光纤总规范

GB/T 2423.23 – 1995 电工电子产品环境试验 试验QT 密封



4.1  光纤光栅传感器

监测截面一般选择具有代表性的部位,如围岩强度差、附近有溶洞、暗河或重要部位,典型的监测截面传感器布设示意图如图6所示。主要涉及到的传感器包括光栅渗压计、光栅位移计(单点或多点位移计)、混凝土应变计、钢筋计、锚杆计、测缝计、土压力计等。


4.3.1        光纤光栅渗压计


产品描述

FBGP系列光纤光栅压力传感器可实现0.1~15MPa的压力测量,当前端安装一个渗水石,这样便可测量渗压。水可以通过渗水石的孔隙自由渗透进到压力膜片,实现水压准确测量,同时渗水石也阻挡泥沙及其它固体物质接触压力膜片。

产品特点

品傲光电FBGP系列光纤光栅渗压计采用了先进的玻璃焊接技术及激光焊接密封技术,具有精度高、长期稳定性好、使用寿命长等突出优点,适合水工隧洞水压力监测。

另外,渗压计内部还封装了一个温度光栅,温度光栅为压力光栅提供温度补偿数据,由于两个光栅处于同一传感器内部,与外加温补传感器相比较,其温度场及温度响应速度更加一致,补偿效果更理想,提高了渗压计测试精度。

渗压计规格

参数

单位

数值

压力范围

MPa

0.1 / 0.5 / 1 / 2/ 5 / 10 / 15

压力精度

-

1% FS

压力灵敏度

nm/FS

> 1

温度范围

°C

-10 ~ +60

光栅波长范围

nm

1525 to 1565

传感头尺寸

-

M 18 x 1.0

封装材料

-

SS316

尾纤直径

mm

3

尾纤长度

m

1.5

尾纤材料

-

LDPE

连接器

-

FC/APC、熔接

防护等级

-

IP68

耐水、耐压性测试

      测试条件:在1MPa压力环境中,测试时间:12小时

      测试结论:光谱未发生改变,代表未有水侵的现象


渗压计安装

隧洞防渗结构设计是通过灌浆加固周边围岩使其能够成为承载和防渗阻水的主要结构,为了了解围岩防渗阻水效果以及地下水情况,一般选择具有代表性的截面钻孔埋设渗压计,埋设位点一般对称布置,如围岩顶部,腰部及底部混凝土衬砌、围岩中,埋设施工时应避免水泥堵塞渗压计进水口。


提醒注意:透水石安装前需要将其在沸水中浸泡半小时,并放入肥皂水中浸泡24小时。

4.3.1     

4.3.1        光纤光栅位移计


产品描述

FBGD系列光纤光栅位移计,光纤光栅多点位移计用于监测围岩的稳定性及围岩表层和深层位移变形。各测点间距根据围岩应力、变形梯度、岩体结构、断层部位等确定,将多点位移计锚头固定在不同岩层深度,可了解岩层之间相对稳定性。

品傲FBGD系列光栅位移计量程从0.2米至数米可调整,可精确快速实现隧道围岩变形监测。

产品特点

ž   可实现8cm的位移测量

ž   内含温度补偿光栅

ž   可定制并联传感器形式或串联形式

位移计规格

参数

单位

数值

位移精度

-

1% FS

位移灵敏度

nm/FS

> 2

位移范围

mm

20 / 50 / 80

工作温度范围

°C

-10 to +60

光栅中心波长

nm

1510 to 1590

封装材料

-

SS316

铠装尾纤直径

mm

3

铠装尾纤长度

m

1.5

铠装尾纤材料

-

LDPE

连接头

-

FC/APC、熔接

4.3.1        光纤光栅应变计

产品描述

光纤光栅应变计用于监测混凝土应力应变,作为评价混凝土结构安全的重要指标。大体积的混凝土自身体积变形较明显,所以为了获得准确的安全评估数据,通常在应变计附近布设无应力计(加装无应力桶)。

品傲FBGS系类埋入式混凝土应变计采用哑铃型封装结构,可准确测定埋设位置混凝土应力应变情况。

产品特点

ž   哑铃式结构封装,可直接埋入混凝土或土体内部,安装简便

通过调整哑铃式结构间距,可改变传感器灵敏度


 

参数

单位

数值

应变精度

µe

8

应变灵敏度

pm/µe

4 (typical)

应变范围

µe

-560 to 560

标距

mm

134 (typical)

工作温度

°C

-10 to +60

应变传感器温度系数

pm/°C

10 (typical)

中心波长

nm

1510 to 1590

外壳材料

-

SS316

外壳尺寸

mm

Ø35 x 142

尾纤直径

mm

3

尾纤长度

m

1.5

尾纤材料

-

LDPE

接口类型

-

FC/APC

4.3.1        光纤光栅土压力计

产品描述

 

光纤光栅土压计由内部充满液压油的片状感压壳体,和与之相连的压力传感器组成,感压壳体收到土体压力挤压时液压油收到挤压作用到压力传感器,实现土压测量,传感器埋设图如下图所示。

产品特点

ž   片式结构,直接埋设,快捷安装

ž   温补变化较大场合可配合温度补偿传感器使用

土压计规格

参数

单位

数值

压力范围

Mpa

0.1/0.5/1/2/5/10/15

精度

-

1% FS

灵敏度

nm/FS

> 1

温度范围

°C

-10 to +60

波长范围

nm

1510 to 1590

导压管

-

M 18 x 1.0

感压片尺寸

mm

100 x 200

外壳材料

-

SS316

尾纤尺寸

mm

3

尾纤长度

m

1.5

尾纤材料

-

LDPE

接口类型

-

FC/APC

防护等级

-

IP68

4.3.1        光纤光栅钢筋计

产品描述

光纤光栅钢筋计具有两端焊接/螺纹连接等多种安装结构,可用于不同规格钢筋应力的准确测量。安装时将被测钢筋混凝土结构主应力钢筋中间截断取出1m~2m(根据光纤光栅钢筋计及两端联接杆的总装配长度确定),将两根联接杆的各自其中一端分别焊接到主应力钢筋的两端,最后将两根联接杆的各自另外一端分别旋转接入光纤光栅钢筋计的两端(螺纹连接),直接测量主应力钢筋内力。

产品特点

ž   可以选择焊接和螺纹连接两种方式,满足不同现场需求

ž   直径、长度可根据用户要求定制

钢筋计规格

参数

单位

数值

量程

Mpa

拉伸:0250Mpa   压缩:0160Mpa

光栅中心波长

nm

1510~1590

测量精度

-

0.5%F•S1%F•S

封装形式

 

铠装

光栅反射率

-

80

分辨率

 

0.1% F•S

适用钢筋规格

 

Φ10 Φ40(可定制其他规格)

安装方式

 

两端焊接/螺纹连接

传感头之间级连方式

 

左右各为1m±0.1m铠装光缆,防水型FC/PC光接头,可长期直接埋入混凝土中

4.3.1        光纤光栅测缝计

产品描述

 

测缝计锚一端锚固在围岩内,一端浇筑在衬砌混凝土内,用于监测衬砌与围岩接缝变形,接缝好坏关系到衬砌结构的受力状态和可能产生的渗水情况,一般拱顶、底板和两侧水平方向各布置一支测缝计。

产品特点

ž   可选择拉绳和探杆两种连接方式,适应不同现场安装要求

ž   内置的双光栅,温补效果好

测缝计规格

参数

单位

数值

量程

mm

0100(可定制)

分辨率

-

0.01%0.05%FS

精度

-

0.2%0.5% FS

光栅中心波长

nm

15101590

光栅反射率

-

80

工作温度范围

-30~+80

安装方式

-

底座固定(支持水平安装和垂直安装两种方式)

传感头引出线

-

铠装光缆,左右各为0.5m±0.1m

传感头之间级连方式

-

熔接或防水密封型光连接器连接

 


4.1  光纤光栅解调仪

分析仪是数据采集终端,将光信号转化为可识别的波长信息,再通过运算处理可将波长变化信息还原成我们关心的物理量。因此,分析仪的性能在很大程度上决定了监测系统的性能,其精度、稳定性都是至关重要的因素。根据不同现场需求,品傲有两种类型分析仪,静态分析仪和动态分析仪。

静态分析仪(如PI01型分析仪)通过光开关切换多路传感器,实现多路传感器的巡检,每台仪器可以扩展到24通道(或更多),具有单台仪器可监测大量传感器的特点,适用于对数据实时性、同步性要求不高的静态监测场合,或者只需要定期巡检测试的应用场合。


动态分析仪(如PI05型分析仪)多个通道同步采集,同步处理,满足对同步性有较高要求的应用场合。仪器采用FPGA中建多个DSP核为协处理器的方法,来提高系统的实时运算能力。采样数据进入FPGA芯片,在FPGA芯片中建多个DSP核,用来对对应的多路被测信号和1路参考信号。多个DSP核并行运算,从而使用较低的运算能力的单路DSP下,实现很高的综合运算能力,从而降低了对处理器运算能力的要求,使用常用芯片就可以实现。DSP核完成的运算包括数字滤波、曲线拟合、波长换算、物理量计算等工作。

1.4.1    仪器参数

参数

单位

静态分析仪

动态分析仪

采样频率

Hz

0~25

0~200

波长范围1

-

1525nm~1565nm

1525~1565nm

波长分辨率

pm

1

1

波长精度

pm

±1.5pm

±1.5pm

通道数量

-

12481624

8

动态范围

dB

35

30

供电

V

220V AC/24V DC

220V AC

功耗

W

30

35

工作温度(仪器)

-20 ~50

-10 ~45

外部接口

 

以太网、RS232串口、鼠标、键盘、显示器

1. 1510nm ~ 1590nm可定制

1.4.2    评估软件功能及界面

分析仪免费预装评估软件,包括光谱分析、波长显示、物理量计算显示等功能,可满足用户调试及基本应用需求。进一步数据分析功能可根据用户要求定制开发。

评估软件主界面如下图所示,该界面显示主区域横坐标为波长,纵坐标为幅值,可做OSA光谱仪使用,观测传感链路传感器状态。






通过配置参数对话框,设置个传感器类型及其工作参数,软件将按传感器类型计算其所测物理量值,评估软件可计算温度、应变、压力、位移等基本物理量值。同时软件具备数据存储、回放功能,便于后期数据分析处理。

1.4.1    二次开发支持

不同用户对软件界面即数据处理要求差异很大,评估软件往往不能满足用户的全部要求,为此我们将仪器基本功能函数封装到动态链接库,制作成dll文件供用户调用,实现自己的测试及数据处理功能。

动态链接库内部函数包括获取光谱信息、获取波长信息、获取物理量信息、切换光开关等主要功能。用户可在品傲分析以上直接二次开发,亦可通过以太网连接分析仪,在工控机上进行二次开发,只要选择对应的动态链接库文件即可。

4.1  信号传输光缆及接续

信号传输光缆将分析仪端的光源信号传输至光纤光栅传感器,并将携带了被测信息的光信号又返回至分析仪端,是信号的传输通道,其可靠性对系统至关重要。

光纤具有较好的环境适应性,但是光缆与电缆有所不同,在工程中其损耗易受外界机械受力或氢损(氢离子渗入光纤引起传输损耗加大)影响,使得光纤的传输特性受到影响,所以,在施工中要注意光缆受力及弯曲情况。此外在该项目中光缆处于有水隧洞之中,要考虑密封问题,因光纤长期浸泡在高压水中,会因氢损而损耗不断增大,影响正常测量,故光缆在设计和工艺上都必须做好防水措施。

工程中有两种方式可解决光缆在有压引水隧洞的正常工作,一种方式是采用普通的光缆及接续盒,该方式需要在隧道内设计线缆传输管道,在接续和部分制作金属屏蔽盒,靠管道和屏蔽盒来承受水压和解决密封问题,该方式施工较为复杂,但同时可解决其它电缆、信号缆的走线,相对综合成本有优势。第二种方式是采用浅海光缆和浅海接续盒,由光缆本身和特殊的接续盒结构解决承压问题和密封问题,该方式施工相对简单,但海底光缆成本较高。



中心管式单层铠装和双层铠装浅海光缆的照片和断面如上图所示。

产品特点

ž   采用高低温度差十分大的阻燃环保PVC护套,可以抵御海底或水下的各种温度的变化,并达到环保的功能,保证光纤的正常传输;

ž   抗压部分采用不锈钢的金属保护管和编织网,使光缆在如水下受到高压仍能正常工作和通讯;

ž   光缆中心的充油管设计,使光缆在横截面方面仍可达到阻水的性能,达到真正意义上的阻水;

ž   整体结构设计紧凑,使整个光缆的外径控制在6mm以下,这样可以有利于各种阻水型接头的适配和连接;

ž   大大减小了光缆的自身重量,更有利于水下的敷设施工


环境性测试(水下)

测试项目

测试内容

工作温度

-40~+85

工作时间

24h

工作周期

2个周期

结论:衰减变化<0.05dB/km

 

机械性能

测试项目

测试数据

拉伸力

受力情况

短期(敷设时)

长期(工作时)

缆中光纤允许应变%

0.1

0.05

允许拉力N

1500N

1000N

压扁

允许压力N

2000N

1500N

光缆重量

65kg/km

光学指标

项目

指标

光纤类型

G652,单模

包层直径

125.0±1um

光纤衰减常数

<0.215dB / km @1550nm

色散系数

-3.0 ps/km/nm @1550nm

零色散系数

0.09ps/km/nm2 @1550nm

光缆接续采用浅海光缆接续盒,它适用于浅海光缆之间的连接,外壳采用锥形锁紧工艺,机械强度高,密封性好,耐腐蚀,完全可满足有压力隧洞的光缆接续问题。照片如下图所示。

4.1  系统拓扑图

系统由三大部分构成,传感器部分,传输光缆部分,监测仪器部分。传感器部分安装于各监测断面,根据监测要求该项目共有26个断面。



每个断面安装3个多点位移计,4个渗压计、3个土压计、4个应变计、4个钢筋计、4个测缝计和4个锚杆计,各传感器可以共用一个传感链路,根据现有传感器类型和数量推荐了一种通道配置方式如下图所示。

在断面处4个通道通过防水接续盒接入主干光缆。由于该隧洞整体长度100km,监测期间中间不具备供电条件,所以监测仪器只能设置在隧洞端口,为了降低传输损耗,确保信号的能够正常解调,两端分别设置监控室,分别负责相近一侧断面的监测。

因监测通道较多,监测采用多套分析仪完成,多套分析仪通过路由器与监控计算机相连,在监控计算机上完成信号采集、处理、显示、预警、数据及事件存储功能。

4.1  50Km传输测试

监控室设置在隧洞两侧,则两侧各有50km的传输光缆,除了光纤本身传输损耗,还要附加接头损耗,整体信号衰减是比较大,需要仪器有较大的动态范围。

标准光缆的损耗为0.2dB/km,最大为0.35dB/km,接头损耗控制在0.2dB/个之内,则正常施工50km传输损耗应小于20dB,我们用20dB衰减器,测试一串传感器,数据对比如下:



 






从图中可以看出,衰减后信号强度明显减弱,但光栅峰值仍可明显可见,可以被软件正常识别,完成信号检测功能。





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