distributedoptic-fibersensingtechnologyandsystem

formonitoringofdeformationofgeomembraneanti-seepageearth-rockfilldam

本發(fā)明涉及一種土工膜防滲土石壩的土工膜應(yīng)變和接縫斷裂的分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)方案，可實現(xiàn)土工膜防滲型土石壩的土工膜雙向應(yīng)變和焊縫斷裂開度的分布式光纖傳感的大范圍-多功能的在線遙測，獲得可靠的觀測成果，實現(xiàn)定量-定位、及時預(yù)警。

背景技術(shù)：

（一）土工膜防滲型土石壩的進展

大壩工程中土石壩應(yīng)用最廣，迄今以土質(zhì)防滲壩型和砼靣板壩型為主。近年來，隨著高分子材料的發(fā)展、尤其土工膜防滲在大壩防滲應(yīng)用和實踐經(jīng)驗的積累，顯示出土工膜防滲性能強而耐久、造價低、施工快捷，社會經(jīng)濟價值潛力大，出現(xiàn)了異軍突起的快速發(fā)展。國際上，土工膜防滲土石壩最高的是西班牙1948年建成的pozadelosramos壩，高97m,運行60余年后現(xiàn)已加高到134m;該種壩型的160m高壩也將興建。我國于1998、2014年先后頒布實行的國家行業(yè)規(guī)范《聚乙烯（pe）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（sl/t231-98）、《水電工程土工膜防滲技術(shù)規(guī)范》（nb/t35027-2014）,表明了業(yè)界對于該種壩型的信心大增，據(jù)信該壩型可望逐步成為主流壩型之一。

（二）土工膜防滲體系變形的安全監(jiān)測

正由于土工膜防滲是當代異軍突起的新興土石壩型，其實踐經(jīng)驗積累尚少（尤其高壩工程），因而，該壩型的安全監(jiān)測顯得特別重要，以便及時可靠地掌握大壩的實際工作狀態(tài)、釆取對策，確保大壩安全，並為該壩型的發(fā)展，提供最有價值的資料和依據(jù)。

易見，在該壩型里，土工膜防滲體系中強度和防滲性能的最簿弱環(huán)節(jié)，是土工膜的接縫。浙江里墩水庫土工膜土石壩漏水，放空檢查發(fā)現(xiàn)，就是接縫局部開裂漏水［李星，土石壩復(fù)合土工膜防滲斜墻的設(shè)計施工.土石壩技術(shù)－2005年論文集，北京：中國電力出版社］。在高壩工程中，其土工膜材料常用pe（聚乙烯(包括hdpe（高密度聚乙烯）)，其拼接縫均用焊接縫。故pe焊縫斷裂以及土工膜缺陷修補的斷裂，正是壩體的防滲破壞和滲漏險情的關(guān)鍵所在;而土工膜的拉伸應(yīng)變量則是其工作狀態(tài)的表征性指標。拉應(yīng)變值不僅關(guān)系到土工膜的工作壽命，而且與土工膜損傷斷裂的識別-珍斷-預(yù)警，息息相關(guān)。

土工膜應(yīng)變監(jiān)測的常規(guī)儀器，迄今釆用土工膜應(yīng)變計。這是一種大應(yīng)變量程（例如特制康銅）的電阻式應(yīng)變計，具有點式電測傳感儀器的諸多局限性，其監(jiān)測范圍小，導致數(shù)據(jù)的空間離散性，高壓水的淹沒明顯影響其耐久性，無故障工作時間差強人意。對于土工膜接縫和缺陷修復(fù)斷裂開度的監(jiān)測，迄今尚屬空白。

分布式光纖傳感尚無用于pe土工膜應(yīng)變監(jiān)測的先例，而有用土工織物應(yīng)變檢測的成果［liehrs.etal.polymeropticlfibresensorfordistributedstrainmeasurementandapplicationinstructuralhealthmonitoring,ieedsensorsj.,9（11）,1330-1338（2009）］。采用pof（塑料光纖），以適應(yīng)土工織物變形大的特點，並在土工織物制造中將光纖編入，織成一體。其光學測量則采用基于瑞利散射光反射原理的otdr（光時域反射儀）。pof的沿程損耗與其拉應(yīng)變值成正相關(guān)。

現(xiàn)階段，分布式光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)尚無用于土工膜應(yīng)變和接縫斷裂開度的成果和實例。惟在砼工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域里，國內(nèi)外都已有基于botda（布里淵光時域分析技術(shù)），實施砼應(yīng)變和裂縫監(jiān)測的分布式光纖傳感技術(shù)和系統(tǒng)及工程實例。在砼裂縫及其鄰城部位，拉伸應(yīng)變的分布呈明顯的駝峰型，可藉以確定開裂出現(xiàn)時間、部位和裂縫寬度。

鑒于此，針對土工膜防滲土石壩工程的土工膜應(yīng)變和接縫斷裂開度監(jiān)測的特定需求，本發(fā)明綜合運用當今分布式光纖傳感領(lǐng)域的高端成果，提供一種適用土工膜防滲土石壩的土工膜應(yīng)變和接縫斷裂開度監(jiān)測的多功能（土工膜應(yīng)變-接縫與缺陷修復(fù)斷裂開度）分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

（一）技術(shù)方案依據(jù)的科學原理

（1）光學原理：

光纖光波導的兩種本征散射－－布里淵散射、瑞利散射，都對溫度和應(yīng)變兩種力學量敏感。該兩種本征散射各自特有的光學參量，成為應(yīng)變與溫度的信息載體如下：

1）布里淵（brillouin）散射光----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

式中，△vb為布里淵增益譜頻移，△ε為應(yīng)變增量，△t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應(yīng)變和溫度分布。新型的預(yù)脈沖（pulse-pre-pump）布里淵光時域分析儀ppp-botda，其脈沖最小寬度達0.2ns，空間分變率達2~10cm、測量精度達7.5με/0.35℃。

2）瑞利（rayleigh）散射光----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

式中，△vr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)。

瑞利散射的后向散射光強，則是光纖光波導沿程損耗和光強衰減的信息載體，其光信號解調(diào)儀為otdr（光時域反射儀）。對于pof（聚合物光纖），該損耗測值與光纖拉應(yīng)變呈正相關(guān)，而且敏感。從而，藉助對于傳感光纖沿程衰減的otdr檢測，可測定傳感光纖拉應(yīng)變量的沿程分布。

綜上可見，在被測場中布設(shè)1路傳感光纖，可測得光纖沿程的一維空間的應(yīng)變（及溫度）連續(xù)函數(shù)，用數(shù)值方法進行重積分得其縱向變形量。

（2）力學理論：

防滲土工膜在壩體中的受力狀態(tài)一般屬于雙向拉伸。土工膜的特征應(yīng)變量、變形模量等等，都與雙向應(yīng)變量相關(guān)。故常需監(jiān)測土工膜的雙向應(yīng)變――順坡向應(yīng)變和跨河向應(yīng)變。為此，釆用兩組光纖正交的傳感網(wǎng)絡(luò)，進行雙向應(yīng)變監(jiān)測。

當接縫、缺陷修補出現(xiàn)斷裂時，該處的應(yīng)變分布發(fā)生畸變，應(yīng)變量明顯增大、呈鴕峰形分布。通過對應(yīng)變的數(shù)值積分，可得出斷裂開度，並藉以評估土工膜斷裂亊故的發(fā)展過程和趨勢。

（二）技術(shù)方案

（1）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，主要包括：光信號解調(diào)儀—傳輸光纜—傳感光纖，見圖1（在圖中ups、主控計算機、光開關(guān)、集線盒等配件未示出）。圖中，1為光信號解調(diào)儀，2為傳輸光纜，3為組合傳感光纖、4為sm（單模）緊套光纖，5為炭涂覆sm光纖，6為氟化pof（聚合物光纖）。

新型的光信號解調(diào)儀ppp-botda（預(yù)脈沖布里淵光時域解調(diào)儀），其脈沖最小寬度達0.2ns，空間分變率達2~10cm，應(yīng)變精度7.5με，應(yīng)變重復(fù)性5με，溫度精度達0.35oc，測量時間5s，距離范圍50m~10km，適用sm光纖。

為在工程現(xiàn)場條件下驗證ppp-botda型光纖傳感系統(tǒng)的性能，2011年在西安釆用phc樁的現(xiàn)場靜載實驗和應(yīng)變實測，進行了國內(nèi)首次技術(shù)驗證，采用知名的瑞士滑動測微計進行校核。phc樁直徑500mm，樁長30m，在樁體內(nèi)埋入兩路傳感光纖，並一起埋入滑動測微計，試樁靜載693~1464kn。結(jié)果兩種手段的應(yīng)變測值基本相符。

光纖光學領(lǐng)域的一項重要最新進展，是botda（布里淵光時域分析技術(shù)）與otdr（瑞利光時域反射技術(shù)）的合成技術(shù)［k.kishidaetal.studyofopticalfiberstrain-temperaturesensitivitiesusinghybridbrillouin-rayleighsystem,photonicsensors,doi:10.1007/s13320-013-0136-1;sylviedelepine-lesilleetal.validationoftw-cotdrmethodfor25kmdistributedopticalfibersensing,proc.ofspievol.8794879438-1］。其商品化光信號解調(diào)儀tw-cotdr（諧調(diào)波長干涉光時域反射儀）性能優(yōu)異，且能實現(xiàn)應(yīng)變-溫度測值的自動解耦，可省去應(yīng)變屏蔽光纖，簡化了傳感光路。

工程應(yīng)用中，光信號解調(diào)儀釆用botdr型和otdr各1臺配套。前者可因地制宜，在botda、ppp-botda、tw-cotdr三者中選取1臺。當檢測sm硅芯光纖時，采用前者;當檢測pof光纖時，采用后者（下詳）

（2）土工膜變形的大量程傳感光纖

場相容和界面耦合是工程領(lǐng)域光纖傳感監(jiān)測應(yīng)用成功的關(guān)鍵和難點所在。光纖傳感用于砼應(yīng)變和裂縫監(jiān)測的實踐，為光纖傳感用于土工膜的監(jiān)測提供了借鑒，但土工膜相對于砼材料，在幾何尺寸和變形模量、拉應(yīng)變極限等等力學性能上，有４～５個數(shù)量級的差異，對土工膜難以直接移植砼應(yīng)變-裂縫監(jiān)測的光纖系統(tǒng)和技術(shù)方案。

針對土工膜應(yīng)變量程特大的基本特點，本專利提供一種大量程組合傳感光纖，由以下3種光纖并聯(lián)組成：

●sm緊套光纖――拉應(yīng)變量程1.5%

●炭涂覆sm光纖――拉應(yīng)變量程5%

●氟化pof――拉應(yīng)變量程40%

三者均用2(~3)芯帶纖，以利光纖敷設(shè)定位便捷，見圖1和圖4。

（3）土工膜應(yīng)變和接縫斷裂開度監(jiān)測的傳感光纖布置方式

土工膜應(yīng)變和接縫斷裂開度監(jiān)測的傳感光纖，正交于接縫布設(shè)，如圖２～圖４。在圖２～圖３中，７為左幅土工膜，８為右幅土工膜，９為接縫，10為焊縫，11為組合傳感光纖，12為光纖固結(jié)點（簡稱結(jié)點），ｓ1為結(jié)點間的小間距（可取為15~25cm），ｓ2為結(jié)點間的大間距（可取為40~150cm）；在圖４中，13為光纖保護ｐｅ帶（寬10~20cm），14為擠出焊料粘結(jié)。

易見，與接縫正交的跨縫傳感光纖，可實現(xiàn)土工膜應(yīng)變與接縫斷裂監(jiān)測的一體化。當接縫完整時，光纖測得土工膜縱向（在高壩常為壩坡向）應(yīng)變。當接縫發(fā)生斷裂時，該處應(yīng)變測值增大，明顯大于接縫兩側(cè)附近區(qū)域的應(yīng)變，而呈現(xiàn)駝峰型分布，則可判定該處接縫發(fā)生斷裂;對接縫兩側(cè)結(jié)點間應(yīng)變的數(shù)值積分，可得接縫斷裂的開度。

對于較大的缺陷修補，宜采用類似的監(jiān)測布置，惟光纖布設(shè)應(yīng)與修補疤的長軸方向正交。

（1）（４）土工膜防滲土石壩變形監(jiān)測的光纖網(wǎng)絡(luò)的布置方式

高壩的土工膜防滲常釆用斜墻式，其土工膜的壩坡向應(yīng)變值，大于其壩軸向（跨河向）的應(yīng)變值，故通常采用土工膜的縱向沿壩坡向展開，在全部接縫中以坡向長縫為主。為此，全壩土工膜防滲體系的變形監(jiān)測的光纖網(wǎng)絡(luò)如圖５所示。圖中，15為跨河向傳感光纖，16為壩坡向傳感光纖，二者組成正交光纖網(wǎng)。前者監(jiān)測土工膜的壩軸向應(yīng)變和坡向長縫的斷裂開度，后者監(jiān)測土工膜的坡向應(yīng)變及其端頭橫縫的斷裂開度。

正交光纖網(wǎng)布置的范圍和分布，以大范圍覆蓋和重點密布相結(jié)合為原則。壩坡向傳感光纖的間距宜為2.5~20.0m，跨河向傳感光纖的間距宜為1.0~10.0m。

傳感光纖的布置宜疏密協(xié)調(diào)有致，其重點密布區(qū)域（參見圖5）為：

●土工膜拉應(yīng)變大-接縫斷裂風險高的區(qū)域：按大壩設(shè)計計算和數(shù)值模擬分析結(jié)果確定；

●地質(zhì)地形條件復(fù)雜區(qū)域；

●地震烈度高的大壩的壩頂區(qū)：其動力反應(yīng)放大效應(yīng)顯著，壩體和土工膜損傷風險高。

（2）

有益效果

（1）實現(xiàn)了土工膜防滲型土石壩變形監(jiān)測的首要監(jiān)測項目――土工膜拉應(yīng)變監(jiān)測，從常規(guī)的點式電測儀器和技術(shù)，升級為在線遙測的分布式光纖傳感系統(tǒng)和技術(shù)。

（2）攻克pe膜接縫斷裂開度監(jiān)測的難題，進而構(gòu)成pe膜應(yīng)變-斷裂開度監(jiān)測的一體化；提供的多量程組合式傳感光纖，恰能適應(yīng)pe土工膜拉應(yīng)變特大、且要同時監(jiān)測接縫斷裂開度的特定需求；成為具有大范圍覆蓋-多參量檢測的實用先進的高科技手段，能夠顯著提升土工膜防滲土石壩安全監(jiān)控體系的有效性和科技水平。在強震、大壩漏水、防洪搶險等關(guān)鍵時刻，為安全管理決策提供最快捷、最可靠的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（3）分布式光纖傳感系統(tǒng)耐腐蝕、防雷擊、抗電磁干擾，無可動部件、無磨損，幾乎無零飄，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)備降價快、性能提高快，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

簡言之，本專利具有攻克當今土工膜防滲土石壩工程的土工膜防滲體系變形監(jiān)測的難題，實現(xiàn)其技術(shù)升級換代，可望成為土工膜防滲土石壩安全監(jiān)測科技中的亮點之一。

附圖說明

圖1為光纖變形傳感監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖；

圖2為土工膜應(yīng)變-接縫斷裂開度監(jiān)測的傳感光纖布置示意圖（光纖上覆保護帶未示出）；

圖3為傳感光纖布置的縱剖面示意圖（圖2a-a剖面）；

圖4為傳感光纖布置的橫剖面示意圖（圖2b-b剖面）;

圖5為土石壩的土工膜防滲體系的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)布置的上游視圖。

具體實施方式

（一）傳感光纖的鋪設(shè)

在pe土工膜焊接作業(yè)完成后，按照土工膜防滲體系光纖傳感網(wǎng)絡(luò)布置設(shè)計圖，在土工膜表面，進行傳感光纖固結(jié)點位的劃線；將每一結(jié)點處的土工膜表面適度打毛；將傳感光纖展開、按劃線鋪設(shè)就位（參見圖２～圖４）。

（二）傳感光纖的固結(jié)定位工藝

釆用能夠定量的拉力噐，將光纖拉直，使之在固結(jié)操作過程中產(chǎn)生並保持一定的初始拉應(yīng)變，三種傳感光纖的初始拉應(yīng)變量宜各為：

●sm緊套光纖――200~600με

●碳涂覆sm光纖――300~800με

●氟化pof光纖――1000~2000με

為此，事先釆用botdr、otdr等光信號解調(diào)儀，對拉直的光纖進行檢測，以標定每一種傳感光纖適用的能產(chǎn)生上述初始拉應(yīng)變所對應(yīng)的拉力值。

在保持該拉應(yīng)變量的條件下，在每一固結(jié)點處，擠出適量的強力快干膠，將光纖固結(jié)定位（參見圖２～圖３）；此刻，初始拉應(yīng)變量需保持不變，直至強力膠達到足夠強度。這一工藝要求，旨在保障傳感光纖在各個結(jié)點之間的每一段，都保持繃直狀態(tài)，避免發(fā)生任何松弛或彎曲，從而，預(yù)防初始應(yīng)變場出現(xiàn)粗大誤差的風險。

（三）傳感光纖的質(zhì)檢和pe保護帶的敷設(shè)及土工膜應(yīng)變初始場的建立

釆用otdr對各路已敷設(shè)的傳感光纖進行存活質(zhì)檢，如發(fā)現(xiàn)光纖斷點，則給出定位，采用自動焊接機，加以修復(fù)。在每一路傳感光纖敷設(shè)、應(yīng)變初始場建立並質(zhì)檢完成后，及時沿線鋪設(shè)光纖上覆的pe保護帶（參見圖４），保護帶的兩側(cè)用擠出膠固定。采用光信號解調(diào)儀，對已敷設(shè)的傳感光纖網(wǎng)，進行數(shù)次應(yīng)變與溫度測量，直至測值符合重復(fù)性要求，以建立光纖網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變初始場。

（四）傳感光纖保護

傳感光纖網(wǎng)在敷設(shè)過程中以及隨后的土工膜保護層／護坡的修筑過程中，在現(xiàn)場務(wù)必有專人負責值守，保護光纖，杜絕滾石、人踩等等一切損傷風險，確保光纖存活率。

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本項發(fā)明創(chuàng)新由國家自然科學基金資助（項目批準號：51279119）。