土工膜防渗土石坝变形监测的光纤传感技术与系统技术方案

公开一种分布式光纤传感系统和技术方案，能够实坝土工膜防渗土石坝的土工膜双向应变及其接缝断裂开度的网络化、一体化在线遥测和大范围‑多参量的时空全覆盖，显著提升土工膜防渗土石坝安全监测的科技含量和效能。提供独特的由SM紧套光纤、碳涂覆SM光纤和氟化塑料光纤构成的大量程组合传感光纤、及配套的BOTDA型与OTDR型光信号解调仪。其应变量程达40%，尤其能同时监测土工膜接缝断裂的发生、部位及开度;从而实现土工膜的常规点式电测应变计的升级换代、尤其突破接缝断裂监测的空白和难题。提出正交传感网的布置方式以及光纤敷设定位固结工艺和光纤网初始场建立方法，具有工程实用性。

【技术实现步骤摘要】
土工膜防渗土石坝变形监测的光纤传感技术与系统DistributedOptic-FiberSensingTechnologyandSystemforMonitoringofDeformationofGeomembraneAnti-seepageEarth-RockfillDam
本专利技术涉及一种土工膜防渗土石坝的土工膜应变和接缝断裂的分布式光纤传感监测系统和技术方案，可实现土工膜防渗型土石坝的土工膜双向应变和焊缝断裂开度的分布式光纤传感的大范围-多功能的在线遥测，获得可靠的观测成果，实现定量-定位、及时预警。
技术介绍
（一）土工膜防渗型土石坝的进展大坝工程中土石坝应用最广，迄今以土质防渗坝型和砼靣板坝型为主。近年来，随着高分子材料的发展、尤其土工膜防渗在大坝防渗应用和实践经验的积累，显示出土工膜防渗性能强而耐久、造价低、施工快捷，社会经济价值潜力大，出现了异军突起的快速发展。国际上，土工膜防渗土石坝最高的是西班牙1948年建成的PozadeLosRamos坝，高97m,运行60余年后现已加高到134m;该种坝型的160m高坝也将兴建。我国于1998、2014年先后颁布实行的国家行业规范《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T231-98）、《水电工程土工膜防渗技术规范》（NB/T35027-2014）,表明了业界对于该种坝型的信心大增，据信该坝型可望逐步成为主流坝型之一。（二）土工膜防渗体系变形的安全监测正由于土工膜防渗是当代异军突起的新兴土石坝型，其实践经验积累尚少（尤其高坝工程），因而，该坝型的安全监测显得特别重要，以便及时可靠地掌握大坝的实际工作状态、釆取对策，确保大坝安全，並为该坝型的发展，提供最有价值的资料和依据。易见，在该坝型里，土工膜防渗体系中强度和防渗性能的最簿弱环节，是土工膜的接缝。浙江里墩水库土工膜土石坝漏水，放空检查发现，就是接缝局部开裂漏水［李星，土石坝复合土工膜防渗斜墙的设计施工.土石坝技术－2005年论文集，北京：中国电力出版社］。在高坝工程中，其土工膜材料常用PE（聚乙烯(包括HDPE（高密度聚乙烯）)，其拼接缝均用焊接缝。故PE焊缝断裂以及土工膜缺陷修补的断裂，正是坝体的防渗破坏和渗漏险情的关键所在;而土工膜的拉伸应变量则是其工作状态的表征性指标。拉应变值不仅关系到土工膜的工作寿命，而且与土工膜损伤断裂的识别-珍断-预警，息息相关。土工膜应变监测的常规仪器，迄今釆用土工膜应变计。这是一种大应变量程（例如特制康铜）的电阻式应变计，具有点式电测传感仪器的诸多局限性，其监测范围小，导致数据的空间离散性，高压水的淹没明显影响其耐久性，无故障工作时间差强人意。对于土工膜接缝和缺陷修复断裂开度的监测，迄今尚属空白。分布式光纤传感尚无用于PE土工膜应变监测的先例，而有用土工织物应变检测的成果［LiehrS.etal.PolymerOpticlFibreSensorforDistributedStrainMeasurementandApplicationinStructuralHealthMonitoring,IEEDSensorsJ.,9（11）,1330-1338（2009）］。采用POF（塑料光纤），以适应土工织物变形大的特点，並在土工织物制造中将光纤编入，织成一体。其光学测量则采用基于瑞利散射光反射原理的OTDR（光时域反射仪）。POF的沿程损耗与其拉应变值成正相关。现阶段，分布式光纤传感技术系统尚无用于土工膜应变和接缝断裂开度的成果和实例。惟在砼工程结构领域里，国内外都已有基于BOTDA（布里渊光时域分析技术），实施砼应变和裂缝监测的分布式光纤传感技术和系统及工程实例。在砼裂缝及其邻城部位，拉伸应变的分布呈明显的驼峰型，可藉以确定开裂出现时间、部位和裂缝宽度。鉴于此，针对土工膜防渗土石坝工程的土工膜应变和接缝断裂开度监测的特定需求，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，提供一种适用土工膜防渗土石坝的土工膜应变和接缝断裂开度监测的多功能（土工膜应变-接缝与缺陷修复断裂开度）分布式光纤传感监测系统和技术方案。
技术实现思路
（一）技术方案依据的科学原理（1）光学原理：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。该两种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应变和温度分布。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、测量精度达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。瑞利散射的后向散射光强，则是光纤光波导沿程损耗和光强衰减的信息载体，其光信号解调仪为OTDR（光时域反射仪）。对于POF（聚合物光纤），该损耗测值与光纤拉应变呈正相关，而且敏感。从而，藉助对于传感光纤沿程衰减的OTDR检测，可测定传感光纤拉应变量的沿程分布。综上可见，在被测场中布设1路传感光纤，可測得光纤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。（2）力学理论：防渗土工膜在坝体中的受力状态一般属于双向拉伸。土工膜的特征应变量、变形模量等等，都与双向应变量相关。故常需监测土工膜的双向应变――顺坡向应变和跨河向应变。为此，釆用两组光纤正交的传感网络，进行双向应变监测。当接缝、缺陷修补出现断裂时，该处的应变分布发生畸变，应变量明显增大、呈鸵峰形分布。通过对应变的数值积分，可得出断裂开度，並藉以评估土工膜断裂亊故的发展过程和趋势。（二）技术方案（1）光纤变形监测系统的组成光纤变形监测系统的组成，主要包括：光信号解调仪—传输光缆—传感光纤，见图1（在图中UPS、主控计算机、光开关、集线盒等配件未示出）。图中，1为光信号解调仪，2为传输光缆，3为组合传感光纤、4为SM（单模）紧套光纤，5为炭涂覆SM光纤，6为氟化POF（聚合物光纤）。新型的光信号解调仪PPP-BOTDA（预脉冲布里渊光时域解调仪），其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm，应变精度7.5με，应变重复性5με，温度精度达0.35ºC，测量时间5s，距离范围50m~10km，适用SM光纤。为在工程现场条件下验证PPP-BOTDA型光纤传感系统的性能，2011年在西安釆用PHC桩的现场静载实验和应变实测，进行了国内首次技术验证，采用知名的瑞士滑动测微计进行校核。PHC桩直径500mm，桩长30m，在桩体内埋入两路传感光纤，並一起埋入滑动测微计，试桩静载693~1464kN。结果两种手段的应变测值基本相符。光纤光学领域的一项重要最新进展，是BOTDA（布里渊本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土工膜防渗土石坝的土工膜变形的分布式光纤传感监测技术方案和系统，其特征是：采用三种光纤，组成大量程的应变传感与接缝断裂开度监测一体化的分布式传感光纤，並构成正交光纤网络，在线测定土工膜防渗体系的双向应变和接缝断裂开度的时空分布发展过程；光纤传感信号的解调，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或BOTDA以及光时域反射仪OTDR。

【技术特征摘要】
1.一种土工膜防渗土石坝的土工膜变形的分布式光纤传感监测技术方案和系统，其特征是：采用三种光纤，组成大量程的应变传感与接缝断裂开度监测一体化的分布式传感光纤，並构成正交光纤网络，在线测定土工膜防渗体系的双向应变和接缝断裂开度的时空分布发展过程；光纤传感信号的解调，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或BOTDA以及光时域反射仪OTDR。2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：提出大量程组合式传感光纤，由SM紧套光纤、碳涂覆SM光纤和氟化POF（塑料光纤）组成，三者均采用2~3芯带纤，并联构成1条传感光路。在光纤应变≤1.5~5%的中小应变阶段，釆用前两种传感光纤和BOTDA型光信号解调仪施测;对光纤应变≥5.0%的大应变阶段，釆用后一种传感光纤和OTDR施测。当...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江，刘浩吾，张元泽，孙曼，王琛，唐天国，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51