基于光纖光柵傳感 (FBG)原理的壩體安全傳感系統(tǒng)
在崗南水庫壩體穩(wěn)定性研究的可行性分析
吳廣聚
結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是指應(yīng)用無損傳感技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)的損傷和退化等信息, 并在此基礎(chǔ)上確定損傷的位置, 評估損傷的程度, 進(jìn)而預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的剩余壽命。傳感器網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分, 對于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng), 傳感器不僅應(yīng)能適應(yīng)建筑施工粗放性特點(diǎn), 還應(yīng)能夠長期穩(wěn)定可靠地工作。隨著智能復(fù)合材料研究工作的深入開展, 光纖傳感器顯示出的小巧、柔軟、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)以及在結(jié)構(gòu)服役期工作狀態(tài)監(jiān)測、安全評估等方面的潛力, 使其研究和應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
光纖光柵傳感技術(shù)在我國發(fā)展很快, 已經(jīng)在橋梁、土建等多個(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用, 但在水工領(lǐng)域的應(yīng)用還很少。很有必要探索該項(xiàng)技術(shù)在水工領(lǐng)域應(yīng)用的可行性， 開展光纖光柵應(yīng)變、溫度傳感器在水下工程領(lǐng)域中較大規(guī)模的應(yīng)用研究。參考已有的相關(guān)研究結(jié)果表明: FBG(光纖光柵) 傳感器具有很好的防水性能, 測試精度高, 長期穩(wěn)定性好, 信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn), 為水下結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測提供了一種可靠有效的手段。
近年來, 光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展很快。在我國, 從2000年開始, 陸續(xù)見到光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用的報(bào)道. 目前主要用在橋梁、結(jié)構(gòu)加固、預(yù)應(yīng)力錨固等工程領(lǐng)域。由于它的諸多優(yōu)點(diǎn), 隨著技術(shù)的日益成熟和成本下降, 已經(jīng)開始在更多的領(lǐng)域推廣應(yīng)用. 例如: 在水工領(lǐng)域, 由于FBG 傳感器具有很好的防水性能, 它優(yōu)良的傳感性能在水下不受影響。而傳統(tǒng)的電類信號(hào)傳感器無法滿足對水下工程結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的需要。
一、FBG 傳感原理
FBG 傳感的基本原理是: 當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時(shí), 將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化, 從而產(chǎn)生光柵FBG 信號(hào)的波長位移, 通過監(jiān)測波長位移情況, 即可獲得待測物理量的變化情況.

FBG 傳感原理

二、國內(nèi)外光纖光柵傳感技術(shù)在橋梁以及水利工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用
1989年, 美國布朗大學(xué)的Mendez 等人首次提出將光纖傳感器埋入橋梁鋼筋混凝土中監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù), 此后, 美國、加拿大、英國、德國、日本的眾多學(xué)者也將目光投向這一領(lǐng)域, 并開展了廣泛而深入地研究。鋼筋混凝土是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料, 通過對鋼筋混凝土內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的監(jiān)測, 能夠獲得構(gòu)件的強(qiáng)度儲(chǔ)備信息以及構(gòu)件所受實(shí)際載荷狀況, 所以應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測成為光纖傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中最主要的應(yīng)用。
1992 年Rutger 大學(xué)的Prohaska 等人首次將光纖光柵埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中測量應(yīng)變, 將最初應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的光纖光柵傳感技術(shù)實(shí)際引入到橋梁工程中, 這之后相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究很快就拓展到實(shí)際的各種大型工程結(jié)構(gòu)。
1993 年, 加拿大科學(xué)家也將光纖布拉格光柵傳感器應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu), Toronto 大學(xué)的學(xué)者們把光纖光柵埋入了分別由復(fù)合材料、鋼筋加強(qiáng)的大梁內(nèi)測量內(nèi)部應(yīng)變, 并利用光柵測得的數(shù)據(jù)比較新材料( 碳纖維復(fù)合材料) 同傳統(tǒng)材料( 鋼材) 的工作性能。Davi、.M等人在美國新墨西哥州一座州際大橋上應(yīng)用布拉格光柵傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測, 確定大橋受交通荷載作用時(shí)的應(yīng)變水平和頻率響應(yīng), 系統(tǒng)通過分析傳感器探測到的資料可以確定交通車輛的數(shù)量和相對重量, 同時(shí)還能確定整個(gè)大橋的頻率響應(yīng)料對大橋進(jìn)行維修和補(bǔ)強(qiáng)的可行性以及復(fù)合材料長期的工作性能。
進(jìn)入二十世紀(jì)后，國內(nèi)先后有四川大學(xué)、河海大學(xué)，長江水利委員設(shè)計(jì)院、黃三峽建設(shè)總公司等科研院所和建設(shè)單位對光柵傳感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，其研究成果已經(jīng)在三峽大壩建設(shè)、黃河大壩可視化安全監(jiān)測系統(tǒng)、深圳市茜坑水庫土壩滲流自動(dòng)監(jiān)測、四川省冶勒大壩心墻基座裂縫監(jiān)測中進(jìn)行了不同范圍、不同目的的應(yīng)用，均取得了良好的效果。
三、安裝及工藝工程
其主要過程如下:
a. 打磨. 為了保證傳感器與被測結(jié)構(gòu)(如鋼筋) 充分接觸, 避免因FBG 傳感器基底彎曲導(dǎo)致傳感誤差, 應(yīng)首先用打磨機(jī)對待測鋼筋表面進(jìn)行拋光, 然后用砂紙打磨, 使待測表面平整而又有一定的粗糙度;
b. 清洗. 用脫脂棉球沾丙酮將打磨處擦洗干凈, 同時(shí)對FBG 傳感器基底粘接面清洗, 避免粉塵、油污對表面的污染;
c 粘貼. 傳感器沿著待測應(yīng)變方向縱向布置,采用相應(yīng)的粘合劑將傳感器與待測結(jié)構(gòu)平整粘貼, 然后用電容放電式脈沖點(diǎn)焊機(jī)在傳感器的焊接端進(jìn)行點(diǎn)焊.
d. 用704膠進(jìn)行密封保護(hù), 固化后, 再用防水瀝青保護(hù); 對于混凝土計(jì), 只需用小扎絲在傳感器兩端將其固定在鋼筋計(jì)的附近鋼筋上;
e. 光纖B ragg 光柵傳感器保護(hù). 鋼筋混凝土的施工過程屬于粗放式作業(yè), 保護(hù)好傳感器, 以免澆注、振搗和壓模等過程導(dǎo)致的沖擊損壞, 是光纖光柵傳感器成功應(yīng)用的關(guān)鍵. 對于粘貼式FBG 傳感器, 在安裝后, 采用硅膠704、防水瀝青密封、紗布包裹等進(jìn)行防水緩沖保護(hù); 光纖光柵混凝土內(nèi)部應(yīng)變傳感器直接綁扎在鋼筋上, 無須保護(hù).
f. 傳感器光纜的鋪設(shè), 為了提高檢測的效率,最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量和橋梁的長期健康監(jiān)測, 充分發(fā)揮光纖光柵分布傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢, 將多個(gè)應(yīng)變傳感器、溫度傳感器串接, 形成傳感網(wǎng)絡(luò), 構(gòu)成光纖光柵橋梁監(jiān)測系統(tǒng), 因此, 傳感器光纜的鋪設(shè)是十分重要, 通過上述的布設(shè)工藝, 將傳感器光纜沿著鋼筋的走向布置, 保證光纜鋪設(shè)不受澆注、振搗和壓模等過程的直接沖擊.
采用上述的布設(shè)工藝, 施工結(jié)束后, 檢查傳感器的存活情況, 一般來說，布設(shè)的FBG 傳感器應(yīng)能夠全部存活, 說明上述安裝保護(hù)工藝合理, FBG傳感器在這種惡劣的環(huán)境下成活率可以滿足工程要求.
四、崗南水庫利用FBG(光纖光柵傳感)原理的壩體安全傳感系統(tǒng)的可行性
目前，崗南水庫除險(xiǎn)加固工作已經(jīng)完成。在處理水庫大壩的病險(xiǎn)工程中，累計(jì)在原壩基及壩體上又填筑了110萬方砂石料。觀測項(xiàng)目包括：垂直位移、水平位移、壩體浸潤線、壩基滲壓、繞壩滲流、滲流量、揚(yáng)壓力。水庫大壩共設(shè)有139個(gè)垂直位移觀測標(biāo)點(diǎn)，測量儀器采用蔡司002水準(zhǔn)儀及銦鋼尺進(jìn)行。主壩設(shè)有22個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)，新副壩設(shè)有4個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)，均采用GPS進(jìn)行觀測。新增溢洪道設(shè)有9個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)，采用T3經(jīng)緯儀用視準(zhǔn)線法進(jìn)行觀測。測壓管180孔，其中主壩采用自動(dòng)化監(jiān)測，設(shè)有29個(gè)滲壓計(jì)，副壩采用自制電測水位器法。
隨著現(xiàn)代水利水電技術(shù)的發(fā)展，人們對大壩安全監(jiān)測越來越重視，大壩安全監(jiān)測的項(xiàng)目有很多，主要有滲流、變形、應(yīng)力、應(yīng)變及溫度、壓力等，傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器自身有著一些無法克服的弱點(diǎn)，如抗電磁干擾能力較差，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境里或雷電發(fā)生的時(shí)候易受電磁干擾而不能正常工作等等。因此，引進(jìn)能夠?qū)�壩體結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行自動(dòng)診斷、監(jiān)測智能監(jiān)測系統(tǒng)已迫在眉捷。以光纖和光纖光柵為基礎(chǔ)，開展基于光纖光柵傳感技術(shù)壩體安全檢測系統(tǒng)的可行性研究，并對光纖光柵傳感的解調(diào)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的研究，利用包括耦合模理論和傳輸矩陣等光纖光柵的基本分析方法，設(shè)計(jì)光纖光柵傳感器，并結(jié)合工程化實(shí)際應(yīng)用的需要，實(shí)現(xiàn)多種光纖光柵傳感器并進(jìn)行相關(guān)壩體安全健康監(jiān)測也必將成為一種必然。

以上屬于水利工程安全類論文。

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