公开一种高拱坝变形监测的分布式光纤传感技术方案和系统，涉及大坝安全监测技术和光纤传感技术的交叉领域，用以克服高拱坝变形监测的常规手段的缺陷以及分布式光纤传感用于双曲拱坝变形监测的空白。针对双曲拱坝的特点和难点，提供两种独特的曲线形的光纤封装结构：弱曲梁和微弯梁型的光纤监测板。基于误差分析和曲梁控高‑弯梁分段的构型，确保光纤变形监测的优异性能、高可靠‑长寿命、方便实用。提供在拱坝及坝基的廊道、竖井及平硐内便捷实用的布设安装方式，用以实现拱坝‑坝基坝肩的内部变形3分量（径向‑切向水平位移、垂直位移）的多维度‑大范围的时空广覆盖的在线遥测。光学解调仪可一机多用，可兼测砼温度‑库水温‑坝前淤沙位‑水库淤积等。
【技术实现步骤摘要】
Distributed Fiber Optic Sensing Technology and Systemfor Monitoring of Deformation of High Arch Dam
本专利技术属于大坝安全监测技术与光纤传感技术的交叉领域，特别涉及一种高拱坝变形的分布式光纤传感监测的技术方案及系统，可实现双曲拱坝的坝体和坝肩坝基内部变形的分布式光纤传感的多维度-时空广覆盖的在线监测。
技术介绍
拱坝水平位移监测的常规方法以垂线法为主，在坝体中设在典型坝段中，单段线长约50m；垂直位移监测多用静力水准。坝基坝肩变形监测多用倒垂线、引张线、测斜仪、多点位移计、铟钢丝位移计等。其中，应用最广的正垂线，只能测水平位移、功能单一，施工期难以形成观测系统；多数设备需釆用坐标仪等电测设备进行观测，其耐久性、长期稳定性和无故障工作时间都差强人意，校正、更换、维修工作量大；通常布置在典型坝段，无法兼顾全坝，信息量少，存在局部性和局限性；部分设备需要人工现场操作，如活动测斜仪等，难以实现在线遥测。这些难题随着坝高的增加，其挑战性愈加突出。高拱坝常用双曲坝型，如二滩、小湾、锦屏、溪洛渡坝等。对于拱坝内部变形监测而言，双曲坝型既是特点，更是难点。“双曲”限制了引张线、激光准直等手段的应用。对此，业界近期的创新努力，是白山、小湾等坝使用折线形真空激光三维变形监测的案例，─据文献[1]－“但其测量精度还不理想，不能很好的解决通用性监测问题”[1]。迄今，分布式光纤传感技术和系统尚无用于拱坝变形监测的实例和技术方案，惟有将分布式光纤传感/准分布式光纤传感FBG(光纤布拉格光栅)用于地下工程、桩工、地基工程、管道、砼坝模型实验等等变形检测的实例。埃及开罗地铁3#线穿越软土地层，开挖时采用了BOTDA(布里渊光时域分析)型光纤变形监测管，进行土层沉陷观测。观测管釆用光面圆塑料管长12～20m，管外表面敷设3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[2]。上海地铁线路中，光纤的封装结构采用通常的测斜管，长84m。管顶管底各开一凹槽，粘入FBG。沉降的光纤测值与对比测值基本相符[3]。香港新界滑坡中，在长15m的测斜管4条对称凹槽中，各安装10只FBG，用钻孔埋入地层、水泥沙浆嵌固。其水平变形的480天观测数据，与常规测斜管结果基本相符[4]。南京一深基坑，将传感光纤粘贴在PVC管的对称两侧的凹槽内，其一侧朝向基坑壁，用钻孔竖直埋入坑旁土层，深32m。开挖中釆用BOTDR(布里渊光时域反射)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[5]。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、应变。传感光纤2路沿桩身两侧对称布置，获翔实成果。意大利Rimini附近输气管道长约500m，釆用BOTDA布里渊分布式光纤传感监测钢管沿程的应变和变形，应用表明了该技术的量测稳定性、长期可靠性和分布式远程检测能力[6]。四川武都砼重力坝模型试验中，将FBG应变计，粘结在塑料圆杆表面的X-Y向对称线上，构成FBG传感杆，杆长50cm。在坝体-坝基中各埋一杆，按欧拉弹性梁理论，由圆杆弯曲挠度检测模型的纵横向水平位移，与位移计相校验，测值符合良好[7]。可见，分布式光纤传感监测变形，已经在国内外一些相近工程领域里，得到初步应用，显示了有效实用性。该领域的业界共识是：分布式光纤变形传感的核心和难点，在于光纤与被测结构之间的界面(Interface)[8]。如上所述通常采用细长梁型的封装结构作为界面。封装件在其把光纤封装保护起来、免除损坏的同时，尤其起着敏感元件(预变换器)的作用，把被测工程的变形，转化为封装梁体的应变，以便光纤感知。即光纤用细长直杆/直管封装，测得拉压侧应变分布，按欧拉梁理论确定其挠度变形和纵向变形。当把现有的工程应用的光纤变形监测技术，移植到拱坝工程时，关键问题是：直线形的光纤封装结构(直梁)，难以适应双曲坝形；必需提出适于双曲拱坝的实用的曲线形封装结构的形状、构造以及精度分析的新的技术方案；还要相应的觧
决光纤传感系统在高拱坝中的布置问题；並优化光纤变形监测系统的解调仪选型。本专利技术所要解决的技术问题是，克服高拱坝变形监测的常规设备的缺陷和分布式光纤传感用于双曲拱坝变形监测的空白，提供一种能适应双曲拱坝特定需求的、具有工程实用性的高拱坝变形在线遥测的技术方案和系统。主要文献：[1]黄会宝，江华贵，张泽彬，文豪.真空激光淮直在瀑布沟水电站大位移量监测中的应用.第三届堆石坝国际研讨会论文集，2013年10月25日，中国昆明，pp：891-895.[2]V.Dewynter et al.Brillouin optical fiber distributedsensor for settlement monitoring while tunneling the metro line 3 in Cairo,Egypt,Proc.of SPIE[J]，Vol.7503,75035M.[3]F.Wang et al.Monitoring shield tunnelsettlement using FBG-PVC sensor method[C],Proc.of 3rd Int.Forum onOpto-electronic Sensor-based Monitoringin Geo-engineering,Sept.29-30,2010,Suzhou China.[4]H.H.Zhu et al.An optical fibre monitoring systemfor evaluating the performance of a soil nailed slope,Proc.of 4th Int.Forum onOpto-electronic Sensor-based Monitoringin Geo-engineering,Oct.11-13,2012.[5]刘杰，施斌等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J].岩土力学，2006，27(7).[6]D.Inaudi.Field application of strain and temperature fiber optic sensors[C]，Proc.of 2nd Int.Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoring inGeo-engineering,Oct.18-19,2007,Nanjing,China.[7]H.H.Zhu et al.Fiber opticdisplacement monitoring in laboratory physical model testing.Proc.3th Int.Forum onOpto-electronic Sensor-based Monitoring in Geo-engineering[C]，Sept.29-30,2010,Suzhou China.[8]X.Bao et al.Distributed Fiber-opt本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统，其特征在于：提供一种传感光纤的簿板形的封装结构，即光纤监测板形梁(光纤监测板)；特别是该光纤监测板采用为曲线形的构型，包括弱曲梁、微弯梁两种型式；将二者正交布设在拱坝的纵向廊道和竖井以及坝基坝肩的平硐、竖井中，构成三维欧拉弹性梁的敏感元件，可实现在线监测坝体‑坝基坝肩的径向‑切向水平位移和垂直位移的时空分布状态与过程；光纤传感信号解调仪优选高精度布里渊光时域分析系统或布里渊‑瑞利合成系统。
【技术特征摘要】
1.一种高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统，其特征在于：提供一种传感光纤的簿板形的封装结构，即光纤监测板形梁(光纤监测板)；特别是该光纤监测板采用为曲线形的构型，包括弱曲梁、微弯梁两种型式；将二者正交布设在拱坝的纵向廊道和竖井以及坝基坝肩的平硐、竖井中，构成三维欧拉弹性梁的敏感元件，可实现在线监测坝体-坝基坝肩的径向-切向水平位移和垂直位移的时空分布状态与过程；光纤传感信号解调仪优选高精度布里渊光时域分析系统或布里渊-瑞利合成系统。2.根据权利要求1所述高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统，其特征是：传感光纤的封装釆用簿板型结构─狭矩形截面梁，在其长边两侧各设1条微管(直径约15mm)，以敷设传感光纤组，作为板形欧拉梁体在弯曲时的拉压侧，形成光纤变形监测板形梁，简称为光纤监测板或监测板；光纤监测板形梁的高度约为0.5～2m，其跨高比≥5～10；每条微管内的传感光纤组的构成是，当光信号解调仪选用BOTDA型时，釆用3～4条紧套SM光纤加2条松套光纤；当光信号解调仪选用布里渊-瑞利合成系统时，则采用3～5条紧套SM光纤。3.根据权利要求1或2所述高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统，其特征是：采用曲线形的光纤封装结构，以适应高拱坝的双曲坝型对于光纤传感系统布设场合的特定需要；釆取曲梁控高与弯梁分段的构造，实现曲线形封装结构的力学性能的线性化，包括线性化方法的理论分析和实施方案及其造型；基于弹性力学关于平面曲梁正应力的解析解，曲梁弯曲应力的非线性误差表达式和非线性...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩吾，陈江，孙曼，唐天国，王琛，
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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