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(kù)壩體穩(wěn)定性研究的可行性分析

1、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(kù)壩體穩(wěn)定性研究的可行性分析 結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是指應(yīng)用無(wú)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(píng)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(cè)系統(tǒng)的重要組成部分, 對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(cè)、安全評(píng)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(cè)領(lǐng)域。 光纖光柵傳感技術(shù)在我國(guó)發(fā)展很快,

2、 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(cè)試精度高, 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好, 信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn), 為水下結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了一種可靠有效的手段。 近年來(lái), 光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展很快。在我國(guó), 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:

3、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(wú)法滿足對(duì)水下工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(cè)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(zhǎng)位移, 通過監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)位移情況, 即可獲得待測(cè)物理量的變化情況. FBG 傳感原理 二、國(guó)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(cè)中的應(yīng)用 1989年, 美國(guó)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(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù), 此后, 美國(guó)、加拿

4、大、英國(guó)、德國(guó)、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(duì)鋼筋混凝土內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的監(jiān)測(cè), 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(cè)成為光纖傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)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), Toron

5、to 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(cè)量?jī)?nèi)部應(yīng)變, 并利用光柵測(cè)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(guó)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(cè), 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(cè)到的資料可以確定交通車輛的數(shù)量和相對(duì)重量, 同時(shí)還能確定整個(gè)大橋的頻率響應(yīng)料對(duì)大橋進(jìn)行維修和補(bǔ)強(qiáng)的可行性以及復(fù)合材料長(zhǎng)期的工作性能。 進(jìn)入二十世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)先后有四川大學(xué)、河海大學(xué)，長(zhǎng)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(duì)光柵傳感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入

6、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(cè)系統(tǒng)、深圳市茜坑水庫(kù)土壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)、四川省冶勒大壩心墻基座裂縫監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)待測(cè)鋼筋表面進(jìn)行拋光, 然后用砂紙打磨, 使待測(cè)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(duì)FBG 傳感器基底粘接面清洗, 避免粉塵、油污對(duì)表面的污染; c 粘貼. 傳感器沿著待測(cè)應(yīng)變方向縱向布置,采用相應(yīng)的粘合劑將

7、傳感器與待測(cè)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(duì)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(duì)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(wú)須保護(hù). f. 傳感器光纜的鋪設(shè), 為了提高檢測(cè)的效率,最終

8、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量和橋梁的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè), 充分發(fā)揮光纖光柵分布傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì), 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(cè)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(lái)說(shuō)，布設(shè)的FBG 傳感器應(yīng)能夠全部存活, 說(shuō)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(kù)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(kù)除險(xiǎn)加固工作已經(jīng)完成。

9、在處理水庫(kù)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(wàn)方砂石料。觀測(cè)項(xiàng)目包括：垂直位移、水平位移、壩體浸潤(rùn)線、壩基滲壓、繞壩滲流、滲流量、揚(yáng)壓力。水庫(kù)大壩共設(shè)有139個(gè)垂直位移觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，測(cè)量?jī)x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(cè)。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(cè)。測(cè)壓管180孔，其中主壩采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，設(shè)有29個(gè)滲壓計(jì)，副壩采用自制電測(cè)水位器法。 隨著現(xiàn)代水利水電技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)越來(lái)越重視，大壩安全監(jiān)測(cè)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(cè)儀器自身有著一些無(wú)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)误w結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行自動(dòng)診斷、監(jiān)測(cè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已迫在眉捷。以光纖和光纖光