基于光纤光栅传感(FBG)原理的坝体安全传感系统在岗南水库坝体稳定性研究的可行性分析

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　　结构的健康监测是指应用无损传感技术获取结构的损伤和退化等信息, 并在此基础上确定损伤的位置, 评估损伤的程度, 进而预报结构的剩余寿命。传感器网络是结构健康监测系统的重要组成部分, 对于土木工程结构健康监测系统, 传感器不仅应能适应建筑施工粗放性特点, 还应能够长期稳定可靠地工作。随着智能复合材料研究工作的深入开展, 光纤传感器显示出的小巧、柔软、灵敏度高、抗电磁干扰等优点以及在结构服役期工作状态监测、安全评估等方面的潜力, 使其研究和应用逐渐扩展到土木工程结构健康监测领域。
　　光纤光栅传感技术在我国发展很快, 已经在桥梁、土建等多个领域中得到了应用, 但在水工领域的应用还很少。很有必要探索该项技术在水工领域应用的可行性， 开展光纤光栅应变、温度传感器在水下工程领域中较大规模的应用研究。参考已有的相关研究结果表明: FBG(光纤光栅) 传感器具有很好的防水性能, 测试精度高, 长期稳定性好, 信号传输距离远, 为水下结构的长期监测提供了一种可靠有效的手段。
　　近年来, 光纤光栅传感技术发展很快。在我国, 从2000年开始, 陆续见到光纤光栅传感技术应用的报道. 目前主要用在桥梁、结构加固、预应力锚固等工程领域。由于它的诸多优点, 随着技术的日益成熟和成本下降, 已经开始在更多的领域推广应用. 例如: 在水工领域, 由于FBG 传感器具有很好的防水性能, 它优良的传感性能在水下不受影响。而传统的电类信号传感器无法满足对水下工程结构长期监测的需要。
　　
　　一、FBG 传感原理
　　
　　FBG 传感的基本原理是: 当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时, 将导致光栅周期或纤芯折射率的变化, 从而产生光栅FBG 信号的波长位移, 通过监测波长位移情况, 即可获得待测物理量的变化情况.
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　FBG 传感原理
　　
　　二、国内外光纤光栅传感技术在桥梁以及水利工程结构健康监测中的应用
　　
　　1989年, 美国布朗大学的Mendez 等人首次提出将光纤传感器埋入桥梁钢筋混凝土中监测结构内部的状态参数, 此后, 美国、加拿大、英国、德国、日本的众多学者也将目光投向这一领域, 并开展了广泛而深入地研究。钢筋混凝土是土木工程领域应用最为广泛的材料, 通过对钢筋混凝土内部应力、应变的监测, 能够获得构件的强度储备信息以及构件所受实际载荷状况, 所以应力、应变监测成为光纤传感器在土木工程结构健康监测中最主要的应用。
　　1992 年Rutger 大学的Prohaska 等人首次将光纤光栅埋入到混凝土结构中测量应变, 将最初应用于航空、航天领域的光纤光栅传感技术实际引入到桥梁工程中, 这之后相关实验的实验研究很快就拓展到实际的各种大型工程结构。
　　1993 年, 加拿大科学家也将光纤布拉格光栅传感器应用于桥梁结构, Toronto 大学的学者们把光纤光栅埋入了分别由复合材料、钢筋加强的大梁内测量内部应变, 并利用光栅测得的数据比较新材料( 碳纤维复合材料) 同传统材料( 钢材) 的工作性能。Davi、.M等人在美国新墨西哥州一座州际大桥上应用布拉格光栅传感器进行在线监测, 确定大桥受交通荷载作用时的应变水平和频率响应, 系统通过分析传感器探测到的资料可以确定交通车辆的数量和相对重量, 同时还能确定整个大桥的频率响应料对大桥进行维修和补强的可行性以及复合材料长期的工作性能。
　　进入二十世纪后，国内先后有四川大学、河海大学，长江水利委员设计院、黄三峡建设总公司等科研院所和建设单位对光栅传感技术在水利工程中的应用进行了深入研究，其研究成果已经在三峡大坝建设、黄河大坝可视化安全监测系统、深圳市茜坑水库土坝渗流自动监测、四川省冶勒大坝心墙基座裂缝监测中进行了不同范围、不同目的的应用，均取得了良好的效果。
　　三、安装及工艺工程
　　其主要过程如下:
　　a. 打磨. 为了保证传感器与被测结构(如钢筋) 充分接触, 避免因FBG 传感器基底弯曲导致传感误差, 应首先用打磨机对待测钢筋表面进行抛光, 然后用砂纸打磨, 使待测表面平整而又有一定的粗糙度;
　　b. 清洗. 用脱脂棉球沾丙酮将打磨处擦洗干净, 同时对FBG 传感器基底粘接面清洗, 避免粉尘、油污对表面的污染;
　　c 粘贴. 传感器沿着待测应变方向纵向布置,采用相应的粘合剂将传感器与待测结构平整粘贴, 然后用电容放电式脉冲点焊机在传感器的焊接端进行点焊.
　　d. 用704胶进行密封保护, 固化后, 再用防水沥青保护; 对于混凝土计, 只需用小扎丝在传感器两端将其固定在钢筋计的附近钢筋上;
　　e. 光纤B ragg 光栅传感器保护. 钢筋混凝土的施工过程属于粗放式作业, 保护好传感器, 以免浇注、振捣和压模等过程导致的冲击损坏, 是光纤光栅传感器成功应用的关键. 对于粘贴式FBG 传感器, 在安装后, 采用硅胶704、防水沥青密封、纱布包裹等进行防水缓冲保护; 光纤光栅混凝土内部应变传感器直接绑扎在钢筋上, 无须保护.
　　f. 传感器光缆的铺设, 为了提高检测的效率,最终实现自动化测量和桥梁的长期健康监测, 充分发挥光纤光栅分布传感系统的优势, 将多个应变传感器、温度传感器串接, 形成传感网络, 构成光纤光栅桥梁监测系统, 因此, 传感器光缆的铺设是十分重要, 通过上述的布设工艺, 将传感器光缆沿着钢筋的走向布置, 保证光缆铺设不受浇注、振捣和压模等过程的直接冲击.
　　采用上述的布设工艺, 施工结束后, 检查传感器的存活情况, 一般来说，布设的FBG 传感器应能够全部存活, 说明上述安装保护工艺合理, FBG传感器在这种恶劣的环境下成活率可以满足工程要求.
　　四、岗南水库利用FBG(光纤光栅传感)原理的坝体安全传感系统的可行性
　　目前，岗南水库除险加固工作已经完成。在处理水库大坝的病险工程中，累计在原坝基及坝体上又填筑了110万方砂石料。观测项目包括：垂直位移、水平位移、坝体浸润线、坝基渗压、绕坝渗流、渗流量、扬压力。水库大坝共设有139个垂直位移观测标点，测量仪器采用蔡司002水准仪及铟钢尺进行。主坝设有22个水平位移标点，新副坝设有4个水平位移标点，均采用GPS进行观测。新增溢洪道设有9个水平位移标点，采用T3经纬仪用视准线法进行观测。测压管180孔，其中主坝采用自动化监测，设有29个渗压计，副坝采用自制电测水位器法。
　　随着现代水利水电技术的发展，人们对大坝安全监测越来越重视，大坝安全监测的项目有很多，主要有渗流、变形、应力、应变及温度、压力等，传统的监测仪器自身有着一些无法克服的弱点，如抗电磁干扰能力较差，在强电磁干扰环境里或雷电发生的时候易受电磁干扰而不能正常工作等等。因此，引进能够对坝体结构的健康状况进行自动诊断、监测智能监测系统已迫在眉捷。以光纤和光纤光栅为基础，开展基于光纤光栅传感技术坝体安全检测系统的可行性研究，并对光纤光栅传感的解调技术以及网络技术进行理论和实验的研究，利用包括耦合模理论和传输矩阵等光纤光栅的基本分析方法，设计光纤光栅传感器，并结合工程化实际应用的需要，实现多种光纤光栅传感器并进行相关坝体安全健康监测也必将成为一种必然。

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