公开一种分布式光纤传感系统和技术方案，能够实现心墙土石坝和砼面板坝的全部散粒坝料区域（包括心墙坝的上游堆石体）的内部变形3分量，以及面板坝周边缝‑垂直缝变形、面板的挠度‑脱空缝和砼面板双向应变的一体化在线遥测；实坝大范围的时空全覆盖。提供独特造型的三种光纤封装结构，构成3维欧拉弹性梁，实现光纤的力‑光直接转换；提出传感系统的水平向、垂直向、坝坡向三种布置型式和综合用法及光纤敷设工艺，达成光纤监测的多功能一体化，便于施工、保证光纤存活率，具有工程应用价值。光解调仪采用高精度PPP‑BOTDA或布里渊‑瑞利合成系统，可实现坝与渗漏等其他监测项目的一机多用，促进安全监测系统的换代升级。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种土石坝的坝体变形的分布式光纤传感监测系统和技术方案，可实现心墙型和面板型高土石坝内部变形和砼面板的双向应变状态及接缝变形的分布式光纤传感大范围-多维度的在线遥测，获得可靠可用的观测成果。
技术介绍
土石坝安全监测国家规范SL60-94规定的施工期-初蓄期-运行期的观测频次，内部变形、砼面板变形-应变、接缝变形三项，是20余监测项目中的最高一档，由此可见其关键性意义。其中，面板坝的钢筋砼-堆石两种材料的刚度悬殊大，变形问题突出，面板坝的各种安全事故如漏水、止水失效、面板开裂、挤压破坏、挠曲断裂、脱空等等，都与变形的异常密切相关。土石坝内部变形监测使用的常规仪噐，如测斜仪、沉降仪、水管沉降仪、引张线位移计、铟钢丝位移计、应变计、测缝计等，作为单点式传感器，其时空覆盖能力弱（时空不连续），测点少、大坝整体信息偏弱；可靠性耐久性较差，仪器设备故障率偏高（如电磁沉降仪有效工作期仅约5年；又如小浪底坝内观仪器建成仅两年，1/3以上已失效；前苏联317m努列克心墙堆石坝，坝体埋设观测仪器达800余只、测斜管16只，总長达3km之多，但迄今无任何观测成果报导）；常规仪器自动化水平低、人工操作多、时效差。另一重要问题是，常规仪器设备怕水浸，上游坝壳堆石体变形在国内外通常成为监测空白区。这些难题随着坝高的增加，如二三百米级高坝，其挑战性愈加突出。2005年光纤陀螺仪曾用于水布垭面板坝的面板挠度监测，该仪器可动部件多（小车滚轮8个（橡胶轮箍）），每次测量时陀螺仪小车在圆形钢管通道中上下拖动800余米（小车轨道缺乏唯一性），对测量精度的重复性-稳定性的不利影响因素较多。现阶段，分布式光纤传感技术系统尚无用于土石坝内部变形监测的实例，惟有用于地下工程、土体沉降、水平位移等变形检测的实例。例如，埃及开罗地铁3#线穿越软土地层，开挖时，采用了 BOTDA型光纤变形监测管进行土体沉陷观测。观测管釆用光面圆塑料管，管外表面敷设三条传感光纤，按欧拉-伯努利弹性梁理论，得出土层沿测管纵向的沉降分布，效果良好［V. Dewynter et al. Brillouin optical fiber distributed sensor for settlement monitoring while tunneling the metro line 3 in Cairo, Egypt, Proc. of SPIE Vol. 7503,75035M ］。上海地铁线路中，光纤的封装结构采用圆塑管，外径70mm，长84m。管顶点底点对称各开一凹槽，光纤粘入槽内。沉降光纤测值与对比测值基本相符。又如南京一深基坑，将光纤粘贴在PVC管的对称两侧的凹槽内，其一侧朝向基坑壁，用钻孔竖直埋入土层，开挖中测得该管挠度变形，即土体水平位移，与全站仪测值符合良好。山西某矸石发电厂对直径800mm、长31m、35m灌注桩，釆用布里渊型传感光纤，在静载试验中检测桩身挠度、混凝土应变。光纤2路沿桩身两侧对称布置，获翔实成果。综上易见，在地下工程中应用的分布式光纤变形监测方式，仅能测得封装管的挠度，即一维变形。因而无法应用于土石坝型的内部变形监测，关键问题有二：（1）土石坝变形为空间变形、即三维变形；（2）光面封装圆管只能承受正土压力，侧向易滑动，无法与土料的复杂变形同步，而相容性是光纤传感的基本要求，即光纤与其监测对象的变形场协调相容。鉴于此，针对高坝工程三维变形监测的特定需求，本专利技术综合运用当今分布式光纤传感领域的高端成果，提供一种适用于心墙型和面板型土石坝空间变形的分布式光纤传感监测型式和技术方案。
技术实现思路
技术方案依据的科学原理（1）力学理论：在弹性力学中，欧拉-伯努里三维弹性梁理论（遵循小变形理论）表明，梁体的拉压面应变分布与其挠度变形一一对应，凡获得其两侧面应变的分布，借应变的重积分，即可求得梁的挠度，两侧拉压变形平均值即梁体轴向变形。（2）光学原理：据光纤光学领域的最新进展，光纤光波导的两种本征散射---布里渊散射、瑞利散射，都对温度和应变两种力学量敏感［K.Kishida et al. Study of optical fiber strain-temperature sensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system, Photonic Sensors, DOI:10. 1007/s 13320-013-0136-1; Sylvie Delepine-Lesille et al. Validation of CW-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing, Proc. of SPIE Vol. 8794 879438-1］。两本征散射各自特有的光学参量成为应变与温度的信息载体如下：1）布里渊（Brillouin）散射光—布里渊增益谱峰值的频移与温度及应变增量线性相关，基本关系式为△vb＝C11△ε＋C12△T式中，△vb为布里渊增益谱频移，△ε为应变增量，△T为温度增量，C11为布里渊应变-频率系数， C12为布里渊温度-频率系数。通过测量布里渊频移就可测定光纤应变和温度，经解耦可得光纤沿程的温度分布。新型的预脉冲（Pulse-Pre-Pump）布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA，其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm、测量精度7.5με/0.35℃。2）瑞利（Rayleigh）散射光—光纤纤芯在拉制过程中生成的残留应变所产生的瑞利后向散射光，其频移与温度和应变增量线性相关，基本关系式为△vＲ＝C２1△ε＋C２2△T式中，△vR为瑞利散射光频移，C21为瑞利应变-频率系数 ，C22为瑞利温度-频率系数。布里渊-瑞利合成系统（Hybrid Brillioun-Rayleigh system）近期业已产品化—TW—COTDR（谐调波长相干光时域反射仪），工作性能与上述PPP-BOTDA相当，且可实现温度-应变的自动解耦。这些为提高系统的信噪比、增强观测数据的可靠性提供了亟有利条件。综上可见，被测场布设1路光纤，可測得沿程的一维空间的应变（及温度）连续函数，用数值方法进行重积分得其纵向变形量。如图1，当运用4条组合光路，将其按梁体弯曲构型布设时，则可測得变形3分量（沉降+顺河向-横河向水平位移）。简言之，4路光纤的两两呼应的拉压对应布置，可把坝体变形3分量转化为监测管/监测板的梁弯曲效应（光纤恰出现在梁弯曲的拉、压两侧），而得以将坝体变形3分量一一表达出来；具有对全部坝体（包括上游坝壳）内沿光纤全程的三维变形的时空分布，进行连续、在线、一体化监测的功能。如上所述，这种用分布式光纤传感检测挠度变形的技术型式，已在国内外地下工程、桩工等领域的初步应用中得到了验证。（二）技术方案（1）传感光纤的封装结构上述力-光理论相综合，易知光纤变形监测的技术构架是：将光纤布设在细长弹性件的对称面，即成为光纤封装件，将其埋入观测对象内即可。封装结构的构型的精巧实用，对于光纤变形监测的工程应用的成败，具有决定性作用。针对上述各坝型的监测参量和对象及应用条件，本专利提出如下三种光纤封装结构构型。1）波纹管封装圆本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种土石坝内部变形的分布式光纤传感监测技术方案，其特征是：2~4传感光纤釆用长条形弹性构件加以封装，将其作为二维/三维欧拉弹性梁体埋入坝体，通过光纤沿程应变‑温度的连续观测，获得封装结构弹性梁的挠度和纵向变形，在线测定坝体的空间变形的时空分布过程；光纤传感信号解调釆用高精度布里渊光时域分析仪PPP‑BOTDA或布里渊‑瑞利合成系统TW‑COTDR。
【技术特征摘要】
1.一种土石坝内部变形的分布式光纤传感监测技术方案，其特征是：2~4传感光纤釆用长条形弹性构件加以封装，将其作为二维/三维欧拉弹性梁体埋入坝体，通过光纤沿程应变-温度的连续观测，获得封装结构弹性梁的挠度和纵向变形，在线测定坝体的空间变形的时空分布过程；光纤传感信号解调釆用高精度布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA或布里渊-瑞利合成系统TW-COTDR。2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：提出光纤的封装结三种型式---波纹管、多孔板、光面板；前者沿其外周对称布设4微管，其中敷设4路传感光纤；封装件埋入坝中、一端或两端嵌固，按三维欧拉弹性梁算法，可监测沿线变形3分量。后二者其两侧边各有微管1条，敷设两路传感光纤；封装件埋入坝中、一端或两端嵌固，按欧拉弹性梁算法，监测沿线变形两分量---封装件中平面内的挠度及其纵向变形；釆用两监测板按丁字形正交安装，则可监测沿线变形3分量。前两者的凸凹槽和均布孔保证封装件与散粒坝料间的场相容。3.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：在心墙型和面板型土...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩吾，孙曼，陈江，王琛，唐天国，张元泽，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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