探究大坝安全监测中光纤传感技术的应用

探究大坝安全监测中光纤传感技术的应用
摘要：基于光纤传感器的基本原理，分别介绍了其在坝体温度及渗漏、坝体裂
缝及边坡变形、面板挠度及坝体沉降安全监测中的应用技术，并预测了光纤传感
技术的应用前景，研究结果可为大坝建设提供技术参考。

关键词：光纤传感技术；大坝；安全监测；光纤陀螺；原理
1传统安全监测装置的局限性
我国是世界上建坝最多的国家，但由于大坝失事会给人民生命财产带来重大
损失，因此对大坝进行安全监测非常必要。

大坝需要进行安全监测的项目很多，
主要有变形、温度、应力应变、压力、渗流以及环境变量的监测等，不同监测项
目所采用的仪器也各不相同，其中在工程中应用比较广泛的有钢弦式仪器、卡尔
逊式仪器和、步进电机式仪器、差动变压器式仪器、电感式仪器、电容式仪器等，这些仪器虽在工作原理、然测试的内容上有很大差别，但是它们都具有共同的特点，那就是通过传感器将测试的内容转换成电信号，然后将转换后的电信号通过
线缆传输到采集装置上。

但是，实际情况中由于多数的水利工程规模都比较大，因此所需要的安全监
测仪器的种类和数量都比较多，而且用于采集信号的线缆也往往混杂在一起，有
的线缆长度甚至能够达到几千米，这样的线缆在电站和雷电的影响下，很容易会
因为电磁干扰造成测试内容偏差比较大或者是无法工作，甚至还会造成传感器和
测试装置的损坏。

对于那些有测试时间限制的测试内容，传统的监测装置就更无
法满足测试的要求。

此外，随着人们对安全监测内容测试的速度、可靠性、准确
性要求的不断提升，传统的测试装置显得就更加勉为其难了。

2光纤传感器的优点
二十世纪末，随着光通信技术的不断发展，光纤传感器也随之得到了快速的
发展和应用，目前已在航天、土木、石油化工、水利等工程的安全监测中得到广
泛应用。

与传统传感器相比，光纤传感器主要具有如下一些优点：
（1）灵敏度高，频带宽，动态范围大。

（2）结构简单、易于制造，能够满足多种形状和尺寸的要求。

（3）测量的速度快，数据精确度高，便于遥测与控制、自动化监测。

可满足快速测量的需要；
（4）具有耐高温、耐高压、抗电磁干扰、防腐蚀性等优点。

3光纤传感器基本原理
光纤中传输的光波可描述为：
（１）
式中，Ｅ为强度；Ｅ0为光波的振幅；ｗ为频率；ｔ为时间；为初相角。

式（１）包含５个参数，分别为强度、频率、波长、相位、偏振态，各光纤传感器
即基于解调外界信号对光纤中传输的光波的参数扰动来获得所需的监测信息。

光
纤传感器按调制的光波参数不同可分为强度调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、波长（颜色）调制光纤传感器、相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器。

4光纤传感器在大坝安全监测中的应用
4.1分布式光纤传感监测坝体温度及渗漏
4.1.1温度监测
根据相关研究我们知道光在光纤中传输的过程中能够产生拉曼散射，根据这
一原理，将脉冲光注入光纤中，那么它在光纤中传输的过程中就会一直产生向后
的散射光波，如果光纤沿线中的温度不一样那么光波的状态就会受到温度的影响
而发生改变，最后把散射回的光经过系统处理后，就可以实现光纤对沿线温度的
测试，由光纤中光波的传输速度和入射光与反射光间的时间差可定位光纤沿线所
测信息。

4.1.2渗漏监测
由于渗漏会导致坝内局部温度异常，因此可通过对坝内温度的测量来监测渗漏，其原理与测温相同。

在使用中为使渗漏处监测更明显，也可在光缆中加设加
热装置使温度分布差异凸显，易于观察判断。

4.2分布式光纤传感监测坝体裂缝及边坡变形
4.2.1裂缝监测
通常通过光时域反射仪来获取分布式光纤传感器的信息，其实质是将传感器
调制解调的信号转化成为内测参数在空间上的变化情况。

采用这种技术对大坝的
裂缝进行监测的原理为：在工程中事先埋好光纤，一旦坝体中出现的裂缝经过埋
入其中的光纤，裂缝与光纤形成一定的角度，那么光纤就会在裂缝处受到剪切拉
伸力的作用而发生弯曲，光纤内部局部高光就会发生损耗，通过光时域反射技术
能探知沿程光损耗，从而获得与铺设光缆长度对应的沿程光损，分析光损异常位置，得出结论异常处是否由裂缝引起。

4.2.2边坡变形监测
在高边坡和库区滑坡深部变形的常规监测中常使用钻孔倾斜仪，但其监测信
号为电信号，易受干扰，属点式测量，信息量有限，不利于实现自动化监测。

分
布式光纤传感技术可克服以上缺点，基于光模式微弯损耗的光强度调制机理，当
地下某一部位发生形变时，与滑移面相交的光缆同时变形，产生微弯，光强衰减
增加，从而被检测定位。

边坡变形监测原理同于裂缝监测。

4.3光纤陀螺仪监测面板挠度及坝体沉降
4.3.1面板挠度监测
光纤陀螺为一种敏感角速率的光纤传感器，其实际为一基于萨格纳克效应的
环形干涉仪。

应用光纤陀螺仪测量混凝土面板堆石坝挠度的理论依据为：混凝土
面板铺设后在理想情况下为一斜平面，光纤陀螺从坝顶匀速运动至坝底，只有平动，无转动；由于水库蓄水产生巨大水压力加之面板堆石坝结构，混凝土面板沉
降变形引起自身挠度变化，此时当光纤陀螺在管道内匀速运动时（转轴方向平行
于管道而与运动方向垂直），面板挠度影响运动中的光纤陀螺，使其产生一转动
分量，转动大小与陀螺匀速运动速度和挠度量成正比。

基于此，光纤陀螺在管道
中匀速运动的过程可记录面板的挠度变化，利用一定的数学模型即可计算出挠度值。

图1为面板挠度监测原理示意图。

光纤陀螺系统监测面板挠度基于以下假设：①监测过程中，牵引系统牵引测量小车保持匀速运动，小车匀速与所测应变的相对量值有关；②测量小车在行进过程中，每一微小移动轨迹均假设为一微小圆弧，行进轨迹为全部微小圆弧的积分；③光纤陀螺为小动态系统。

式中，Ｖ为水平运行速度。

应变形成的轨迹曲线为：
4.3.2坝体沉降监测
在长江支流清江上的水布垭面板堆石坝沉降监测中，使用传统水管式沉降仪
管长将大幅增加，观测精度和速度等将会受到很大限制，可靠性亦将受到严峻考验。

可在坝中特定高程安装光纤陀螺仪运行轨道，小车在轨道内匀速运行时监测
记录轨道随坝体的沉降变形。

光纤陀螺仪监测坝体沉降原理及工艺与监测面板挠
度基本一致。

5结束语
综上所述，光纤传感技术监测范围广、距离远、信息量大。

通过探讨光纤传感技术在大坝安全监测中的应用方法，可以得出光纤传感器可以对坝体的温度、变形、裂缝、挠度、渗透等信息进行测量，能够很好的满足大坝建设和监测的要求。

相信随着光纤传感技术的不断发展及光纤采集装置成本的不断下降，光纤传感技术在大坝安全监测中必将广泛的应用。

参考文献
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