分布式光纤传感器监测堤坝隐患试验研究

引　言

堤坝在运行过程中，受人为、自然、生物等因素的破坏导致出现渗漏、裂缝和洞穴等隐患。基于布里渊散射（BrillouinScattering）的分布式光纤传感器不但具有长距离、耐腐蚀、抗电磁干扰、远程监控的特点[1～2]，且具有大信号传输带宽、实时、动态和分布广的诸多优点，为堤坝内部应力场和温度场的监测提供了新的手段[3]，使分布式光纤传感器监测堤坝隐患成为可能[4～7]。针对分布式光纤传感器在实际工程应用中的关键问题之一，现场传感器的优化布设，在堤坝模型上开展试验研究，寻求最佳的分布式光纤传感器布设模式。

1　试验原理

1.1　BOTDR技术

在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。基于布里渊散射（Brillouin Scattering）的分布式光纤传感技术，其布里渊散射光的频率随外界应变和温度的变化将发生漂移，频率的漂移量与光纤所受的轴向应变和温度的变化存在如下线性关系[8～9]：

式中ε——光纤应变；

CS——布里渊频移应变系数；

T——光纤温度；

CT——布里渊频移温度系数；

vB——光纤的布里渊频移；

vB0，ε0，T0——初始状态的光纤布里渊频移量、应变和温度。

当光纤埋入到被监测的堤坝坝体工作时，联接在光纤解调仪的光纤接收来自解调仪内部光源注入脉冲光，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生作用后产生布里渊散射，其中背向布里渊散射光沿着光纤返回到脉冲光的入射端。当某堤坝内部某处发生渗漏和形变时，光纤上该点处返回的布里渊散射光到BOTDR解调仪的距离s为：

式中c——光在真空中的传播速度；

t——从BOTDR解调仪发出脉冲光至接收到布里渊散射光的时间；

n——光纤材料的折射率。

采用分布式光纤传感技术，不仅能通过式（1）和式（2）得到光纤的应变和温差的大小，在实际施工后根据式（3）并结合光纤传感器的施工详图，则可对堤坝隐患发生的位置进行准确定位。

1.2　堤坝隐患监测原理

典型的堤防工程一般由堤基、堤身、堤坡和堤顶组成。堤防隐患指可能造成堤防破坏但尚未明显外在表现的地质缺陷、质量缺陷及破坏。堤坝发生形变是堤防破坏的先兆，堤坝渗漏则往往出现在堤坝裂缝和空洞等处。本文主要以监测堤坝下沉、坍塌和渗漏为主，堤坝发生沉降和塌陷的示意图如图1所示。

图1　堤坝坝体沉降和塌陷示意图

堤坝沉降隐患的监测，通过光缆的变形监测和垂直方向的位移来进行判定。堤防局部坍塌险情的监测，通过光缆的变形监测和垂直、水平方向的位移来进行判定。下沉是坍塌的前期征兆，坍塌比下沉更加险峻。下沉和坍塌导致堤防出险，出现大型的渗漏等险情。小的渗漏又会导致下沉、坍塌等险情。因此下沉、坍塌、渗漏监测是堤防险情监测的重要工作。

2　试验测试

2.1　光纤传感器性能试验

在光纤的实际应用中，光纤的性能直接关系到光纤传感器的布设方案。尤其在松散介质的堤坝监测中，由于必须采用经过特殊工艺处理过具有铠装保护层的传感光缆，光缆的应变、温度传感特性及弯曲半径对传感特性的影响，必须在施工前通过试验测试分别进行标定。

（1）传感光缆应变测试。图2为埋设的某型号传感光缆样本的静态应变和拉伸应变的测试曲线。光缆的静态应变测试曲线整体幅度平稳。光缆拉伸应变测试曲线局部幅值突变，整体波动比较大，反映出光缆各处受力的情况，并呈现中间高两边低的情况，这是由于拉伸受力主要在中间光缆段。

图2　传感光缆应变曲线

（2）传感光缆温度测试。图3为光缆的恒温和变温的测试曲线。光缆在恒温条件下，测试曲线整体幅度平稳，与实际温度接近。光缆在变温条件下，测试曲线能够较好的反映出温度变化的梯度。

2.2　试验堤工程传感光缆布设

为了得到真实的现场测试效果，考察传感光缆在实际堤坝内部的受力及温度场变化情况，在黄河某河段建立了试验堤。用于应变监测的传感光缆采用层状布设。两层的光缆均布设在大堤上，两端采用打桩固定，并拉直光缆。采用这种层状的光缆用来监测堤坝的变形量及变形情况。温度监测的光纤进行竖直方向的绕曲布设方式和水平方向的平铺布设方式。绕曲布设的光缆是用来监测堤坝每层的温度场情况，平铺的光缆是用来监测堤坝的横向温度场。光缆布设现场如图4所示。

图3　光缆温度曲线

图4　传感光缆在试验堤上的布设

3　试验结果及分析

对建立的试验堤坝内部布设的光缆，通过DiTeSt-STA202分析仪对层状布设的光缆进行了应变测试，对竖向缠绕方式和水平平铺方式的光缆进行了温度测试，本试验采用多次测量，然后对测量的数据进行均值处理。见图 5～图 8。

图5　堤坝层1处光缆的应变曲线及均值曲线

应变测试曲线中存在一些野值和跳点，进行均值处理后，曲线变得较为平滑。测试曲线的应变值和幅值波动情况反映了堤坝不同层下的光缆所受应变量及情况是不相同的，这与堤坝内部复杂的变形情况相吻合。

温度光缆的测试曲线，整体较好地反映出了堤坝内部温度场的空间分布情况。当时环境温度比堤坝内部高，温度曲线反映出了堤坝内部温度场的情况。平铺光缆和绕屈光缆的温度曲线可以看出，两者的曲线变化趋势及幅值波动有着明显不同，符合实际的情况。

图6　堤坝层2处光缆的应变曲线及均值曲线

图7　绕屈方式的光缆温度曲线及均值曲线

图8　平铺方式的光缆温度曲线及均值曲线

4　结语

结果表明，采用基于布里渊光时域反射的分布式光纤传感在实验堤坝的形变、温度监测是行之有效的，通过监测的数据曲线可以看出，光缆能够基本反映出堤坝的内部形变及温度场情况，探测出堤防的变形、温度情况，通过光缆测试应变量和堤坝变形方向位移来进一步判定堤防的险情，通过光缆测试温度场的分布和异常变化来分析堤坝的隐患监测如渗漏、裂缝等分布，对提供预警判据具有指导意义。