高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统的利记博彩app
【专利摘要】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。
【专利说明】
高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统
[0001] Distributed Fiber Optic Sensing Technology and System for Monitoring of Deformation of High Arch Dam
技术领域
[0002] 本发明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。
【背景技术】
[0003] 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。
[0004] 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，一据文献 [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]。
[0005] 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、粧工、地基 工程、管道、砼坝模型实验等等变形检测的实例。
[0006] 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Φ15~400mm、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]。
[0007] 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]。
[0008] 香港新界滑坡中，在长15m的φ 75mm测斜管4条对称凹槽中，各安装10只FBG，用 φ 120mm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]。
[0009] 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]。
[0010] 山西某矸石发电厂对直径800mm、长31m、35m灌注粧，釆用布里渊型传感光纤，在静 载试验中检测粧身挠度、应变。传感光纤2路沿粧身两侧对称布置，获翔实成果。
[0011] 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]。
[0012] 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，φ IOOmm,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]。
[0013] 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)?。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。
[0014] 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;还要相应的鮮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。
[0015] 本发明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。
[0016] 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 distributed sensor 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 tunnel settlement using FBG-PVC sensor method[C],Proc. of 3rd Int.Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoringin Geo-engineering，Sept·29-30，2010，Suzhou China.[4] H.H.Zhu et al. An optical fibre monitoring system for evaluating the performance of a soil nailed slope,Proc.of 4th Int.Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoringin Geo-engineering，0ct· 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 in Ge〇-engineering， Oct.18-19,2007, Nanjing , China .[7]H.H.Zhu et al. Fiber optic displacement monitoring in laboratory physical model testing.Proc.3th Int.Forum on Optoelectronic Sensor-based Monitoring in Geo_engineering[C]，Sept·29-30，2010， Suzhou China.[8]X.Bao et al.Distributed Fiber-optic Sensors Based on Light Scattering in Optical Fibers[M].Handbook of Optical Sensors(Ed.Jose Luis Santos),CRC Press?London New York,2015.
【发明内容】
[0017] (一)技术方案所依据的科学原理
[0018] 本专利属于水利工程和作为高科技的光纤传感两个技术领域的大跨度交叉融合， 其科学原理包括两个学术领域:光纤光学和弹性力学。
[0019] (1)光纤光学理论
[0020] 据光纤光学领域的最新进展，光纤光波导的两种本征散射一布里渊散射、瑞利散 射，都对应变和温度两种力学量敏感[9^ 11]。两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：
[0021] 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：
[0022] Δ Vb = CnA e+Ci2 AT (1)
[0023] 式中，Δ Vb为布里渊增益谱频移，Δ ε为应变增量，Δ T为温度增量，Cn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温度分布。新型的预脉冲(Pulse-Pre-Pump)布里渊光时域分析仪 PPP-B0TDA，其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm、测量精度7.5με/〇. 35°C。
[0024] 2)瑞利(Rayleigh)散射光一一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
[0025] Avr = C2I A e+C22 AT (2)
[0026] 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。布里渊-瑞利合成系统（Hybrid Brillioun-Rayleigh system)近期业已产品化-TW-COTDR(谐调波长相干光时域反射仪），工作性能与上述PPP-B0TDA相当，且可实现温度-应变 的自动解耦。这些为提高系统的信噪比、增强观测数据的可靠性提供了亟有利条件。
[0027] (2)力学理论
[0028] 1)直梁一一弹性理论中，针对等截面直梁的欧拉-伯努利三维弹性梁理论模型的 基本假定为：梁体为均质线弹性材料;挠度相对于跨度属小变形;截面在变形后保持为平 面;剪切变形忽略不计;轴向力的附加弯矩忽略不计;梁体不受扭矩。梁的拉压侧应变分布 与其挠度变形一一对应，经应变的重积分，可求得挠度;对应变平均值的重积分，得到梁的 纵向变形。
[0029] 2)平面曲梁--平面弧形曲梁的纯弯曲的环向应力σθ表达式为[12]
[0030]
(3)
[0031] 式中，a为曲梁内半径，b为曲梁外半径，r为极坐标矢径，Θ为辐角，M为力矩，
[0032]显然，切向应力沿截面高度呈现对数分布，明显偏离直梁情况下的截面应力的线 性分布，出现非线性影响和误差。
[0033] 3)平面弯梁一一平面弯梁的常见实例，如公路弯桥中用到的弯梁;在拱坝监测中， 坝内廊道中的竖立的监测板(附图2之（13))就属于该种结构型式。其力学特点是:梁体承受 的竖向荷载在产生纵向弯矩的同时，还伴生有横向的扭矩。这种弯曲-扭转耦合，导致梁体 应力-变形的畸变，导致非线性，扭矩会产生附加的挠度[13 ]。
[0034]主要文献：[9]方祖捷等.光纤传感器基础[M].北京：科学出版社，2012 ;[ 10] K.Kishida et al.Study of optical fiber strain-temperature sensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system,Photonic Sensors,DOI:10.1007/s 13320-013-0136-1；[ll]Sylvie Delepine-Lesille et al.Validation of Cff-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing，Proc.of SPIE Vol .8794 8743-1; [12]程昌 钧，王颍坚等.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，1999; [13]贺栓海，桥梁结构理论与计 算方法[M].北京:人民交通出版社，2003.
[0035](二)技术方案
[0036] (1)变形传感光纤封装结构的基本形式
[0037]封装结构的形状与构造的精巧实用，对于光纤变形监测的工程应用的成败，具有 决定性作用。前述现有的变形监测的光纤封装结构，计有圆管、圆杆两种形式，均为圆形截 面。高拱坝工程规模大、刚度大。如果光纤的封装釆用这种圆形截面梁，为提供必要的传感 灵敏度，其直径约1~2m(受弯梁体的主边界应变值与梁高成正比），占用空间大，难以利用 常规的坝内廊道，进行布置安装。
[0038] 为此，针对双曲拱坝的应用场合，本专利遵循降维（Dimension reduction)的构 思，提供一种传感光纤的簿板型封装结构一狭矩形截面梁，即光纤监测板形梁，如图1，其中 1为传感光纤，2为传输光缆，3为光信号解调仪，4为封装板，5为封装板的固端，6为微管。在 封装板长边两侧各设1条微管(直径约15_)，以敷设传感光纤组(两侧微管内光纤的路由为 U型(U型细部在图中未示出）），作为板形欧拉梁体在弯曲时的拉压侧，即可形成光纤变形监 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。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光纤加上2条 松套光纤(用于温度补偿）；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。
[0039 ]各微管中的传感光纤，可測得沿程的一维空间的应变(及温度)连续函数。当监测 板竖直布置而其端部固定时，即成为狭长矩形断面的二维悬臂弹性梁，可同时观测2个变形 分量:板形梁的挠度及其纵向变形。当监测板水平布置-端部固定时，其挠度出现在水平面 内。易见，沿一条测线将两监测板正交敷设，则可观测板形梁沿线的变形3分量（即垂直位 移、径向水平位移、切向水平位移）。
[0040] (2)弯曲封装板形梁的线性化构型及其分析的技术方案
[0041] 弯曲形封装板形梁方案的可行性-实用性的关键，在于其线性度。线性传感器是理 想的传感器，而平面曲梁和弯梁都存在力学上的非线性。非线性不仅增大传感器的误差，而 且使观测数据分析复杂化、费时费事。为解决这一核心问题，现提供相应的量化分析和误差 估计，进而提出其线性化(1^11631^231：；[011)构型的技术方案。所谓线性化构型，就是构建精 巧的微弯曲封装件，既适应双曲坝型的安装场合、又能消除非线性误差的影响，使之转化成 为线性传感器，而又能保持足够的精确度。
[0042] 1)直梁:直梁的非线性因素通常主要是横力弯曲中的剪力，诱使梁截面翘曲。以均 布荷载矩形截面简支梁作为典型例，直梁正应力σ分布的解析解表达式为[12]
[0043]
C4)
[0044]式中，b为梁宽，h为梁高，L为跨度，y为应力点至中和轴距离(x-y坐标原点在梁轴 线的跨中点），q为均布荷载强度;Om为弯矩产生的正应力，即式(4)中的前一项，％为剪力产 生的正应力，即式⑷中的后一项。根据式⑷，不难导出跨中截面的％与咖之比ζ为
[0045]
(5)
[0046] 不同跨高比的简支弹性梁的剪力因素产生的非线性误差，如表1。
[0047] 弄 1
[0049] 结果表明：只要封装件足够细长、跨高比多5~10,剪力产生的非线性误差很小，梁 截面应力保持线性分布，即细长直梁作为敏感弹性元件，其线性极佳。
[0050] 2)平面曲梁：曲梁有别于直梁的力学特征是，欧拉-伯努利截平面假定一般不成 立[12]，即在直梁的应力线性分布，在曲梁则改变为非线性(对数)分布，如式(3)，凹边缘应 力畸形强化，绝对值超过凸边缘应力值。鉴于此，为量化分析计，以凹凸边缘应力之比，表征 曲梁应力分布的非线性化程度。
[0051] 设凹边缘应力为，凸边缘应力为，二者绝对值的比值 在直 梁的线性分布情况，显然有:a = b，且ξ = 1。截面应力的对数分布状态引起的非线性误差δ可 表示为
[0052]
(6)
[0053] 在曲梁，设b = Aa，易知λ= Ι+h/a，即λ蕴含着梁高h比之于内半径a的相对梁高。
[0054] 依据式(3)，经推导得出
[0055]
(T)
[0056] 平面曲梁的不同相对梁高的非线性误差分析结果，如表2。
[0057] 表 2
[0059]结果表明：只要把曲线监测板形梁的梁高，控制在内半径值的2~3%以内，则其曲 梁形状引起的非线性误差小于1%~3%，滿足工程精度要求，亦即非线性误差可忽略不计， 而直接采用欧拉直梁力学模型和挠度变形算法。
[0060] 3)平面弯梁:研究成果表明，当平面弯梁的中心角<30~50°时，可略去扭转附加 挠度、简化为直梁纵向弯曲问题而足够准确 [13]，大量的公路弯桥的工程实践也证实了此 点。
[0061] 综合以上误差分析结果和有关成果，提供了曲梁控高-弯梁分段的构造方式，如图 2所示，图中7为拱圈，8为廊道，9为坝肩平硐，10为廊道上游壁，11为廊道顶拱，12为水平监 测板，13为竖直监测板，14为监测板固端。图2a为廊道横截面，图2b为图2a的A-A剖面，显示 在廊道顶拱处敷设的曲梁型监测板12的上视平面图；图2c为图2a的B-B剖面，显示紧贴廊道 上游壁敷设的弯梁型监测板13的上视平面图。从而，构建成为以下两种弱弯曲的线性化的 弹性梁敏感元件：
[0062] a)弱曲梁(Weakly curved beam) -高拱坝的曲率半径常约100~500m，梁高选用 0.5~2.5m(这种梁高也便于在廊道、平硐、竖井中的布置安装），就可以将梁高控制在曲梁 半径的1~2 %以内（λ< 1~2% )，非线性误差仅约1 %，略而不计，从而在力学模式上成为欧 拉型直梁。
[0063] b)微弯梁一我国建成和设计的高拱坝的最大中心角大都未超过100°[9]。为此，对 于中心角大的拱圈的弯梁封装件，釆用分段的构型，将跨越全拱圈的弯梁，在拱中心线处断 开，形成左右两个单固端悬臂弯梁，其各自的中心角仅为拱圈半中心角，能够滿足线性弯梁 的力学条件（中心角<30~50°)，可忽略扭矩的非线性影响 [13]，在力学模式上也成为欧拉 型直梁。
[0064]竖井中的监测板形梁与此类同，也包含线性化的弱曲梁一顺河向监测板（图4b中 之（18))和线性化的微弯梁一横河向监测板（图4b中之（19))。拱坝的梁向中心角一般都较 小，竖井中的微弯梁容易满足中心角<30~50°的条件。
[0065] (3)高拱坝光纤变形监测的布置的技术方案
[0066] 1)廊道光纤监测板的布置
[0067]高拱坝坝体中常设置有多层纵向曲线形廊道，优选作为全坝光纤监测板的首要布 置场合。将监测板布置在不同高程的纵向廊道中，以监测全拱坝在各相应高程的水平位移 和垂直位移。具体部位为：（1)竖直监测平贴于廊道上游壁（图4(a)中之（10))，将其顶部沿 程固定在砼壁上（如用膨胀螺栓(或预埋件）），用以监测沿线坝体的垂直位移和切向水平位 移；（2)水平监测板敷设于廊道拱顶部，将其上游侧沿程固定，用以观测各该高程的坝体径 向、横向水平位移。这两种监测板的端部，通过适当长度的平硐，深入坝肩基岩一定深度处， 并做成固端，作为监测板的基准点（图2中之(14))。
[0068] 2)竖井光纤监测板的布置
[0069]在典型坝段的靠近上游坝靣的竖井中，将双向正交的监测板竖向布置，如图4(b)。 其底面用钻孔或开挖，向下延伸、深入基岩适当深度处，底部做成固端基准点。与常规监测 用的垂线的多次分段不同，在这里，竖井和监测板都是沿着平滑曲线，从基岩深部基准点， 向上连续延伸，直至坝顶。径向监测板沿程固定在竖井的上游侧井壁上;切向监测板在拱冠 以左的坝段中，将其左侧固定在井壁上;在拱冠以右的坝段中，则将其右侧固定在井壁上， 旨在形成欧拉弹性梁的顶靣加载条件。在监测坝体水平位移、挠度和垂直位移的同时，还可 观测到坝基沉降、沿程坝体上游面混凝土垂向应分布及其时空变化。
[0070] 3)坝肩坝基岩体的内部变形监测
[0071] 首先是利用两岸灌浆廊道，监测板布置方式类似坝体廊道，必要时可开挖岩硐(或 钻孔），敷设单向的或双向正交的监测板。在监测岩体三向变形的同时，还可监测穿越的各 构造靣、构造带的变形和错动。
[0072] 4)光纤变形监测系统组成的技术方案
[0073] 光纤变形监测系统的组成，见附图3,主要包括:传感光纤1-传输光缆2-光信号解 调仪3 (主控计算机、UPS等等配件未示出）。
[0074]其中，光信号解调仪优选新型的PPP_B0TDA(预脉冲布里渊光时域解调仪），其脉冲 最小宽度达〇 . 2ns，空间分变率达2~IOcm，应变精度7.5με，应变重复性5με，温度精度达 〇. 35°C，测量时间5s，距离范围50m~IOkm，适用SM光纤。布里渊-瑞利合成系统的解解仪TW-COTDR也达到类同的性能，且应变-温度两参量可自行解耦。
[0075]为在工程现场条件下验证PPP-B0TDA型光纤传感系统的性能，2011年在西安釆用 PHC粧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粧直径500mm，粧长30m，在粧体内埋入两路应变传感光纤，並一起埋入滑动测 微计，试粧静载693~1464kN。结果两种手段的应变测值基本相符[江宏.PPP-B0TDA分布式 光纤传感技术及其在试粧中应用[J].岩土力学，2011，32(10) :3190-3195]。
[0076] (4)技术方案的有益效果
[0077] 1)拱坝内部变形监测的常规设备的原理/性能各异的多种系统，得以简化为单一 的光纤传感系统;监测系统高度简化、极为精炼，消除了可动部件，大幅度减省维修工作量， 显著提高系统的信噪比、切实保证观测数据的长期可靠稳定性，使之成为具有实用价值的 先进适用的高技术手段。在光纤传感应用的初期，与常规监测手段相辅相成，相互印证，当 能够显著提高大坝安全监控体系的有效性和科技水平，可望成为高拱坝安全监测领域的高 技术手段之一。
[0078] 2)消除了现场人工测点、手工操作，便于实现实时在线遥测。
[0079] 3)把高坝内部变形监测提升到网络化/ 一体化水平，利于实现全坝变形观测的时 空全覆盖(常规设备中的垂线法只能布置在少数坝段，难以兼顾全面）。在监测时间全过程 上，光纤传感系统即埋即测(特别是廊道-岩洞中的监测板），施工期数据不致缺失，建立符 合实际的位移初始场;施工期监测系统可快捷接入后期自动化系统，不致数据中断。
[0080] 4)光纤传感系统耐腐蚀、防雷击、无电磁干扰、无磨损，几乎无零飘，稳定工作数十 年，维修工作量极小;长寿命-高可靠。光纤传感系统相关材料设备降价快、性能提高快，发 展潜力大。
[0081] 5)光信号解调仪具有分布式温度传感功能，可实现与砼温度-库水温度以及坝 (厂)前淤沙位、水库淤积等其他光纤监测项目的一机多用，促进安全监测系统的换代升级， 有效改善光纤监测系统的费效比。
【附图说明】
[0082] 图1为变形监测光纤封装板(监测板)示意简图
[0083] 图2为拱坝廊道的线性化弱曲梁型和微弯梁型光纤变形监测板的构造-形状和布 置方式示意图（图2a为弱曲梁型监测板、图2b为微弯梁型监测板）
[0084] 图3为光纤变形传感监测系统组成示意图
[0085] 图4为拱坝廊道和竖井的光纤变形监测板布置的技术方案示意简图（图4a为廊道 的变形监测板布置、图4b为竖井的变形监测板布置）
【具体实施方式】
[0086] ( - )光纤监测板在廊道和竖井中的敷设安装:双曲拱坝中光纤监测板在廊道和竖 井中安装的技术方案如图4,图中15为固定螺栓，16为平托钢板条，17为监测竖井，18为径向 监测板，19为切向监测板，20为安装操作空间。在廊道中，如图4(a)中之（13)，竖向监测板 (用以观测沿程拱坝垂向位移和切向水平位移)紧贴廊道上游壁布设安装，顶部用膨胀螺栓 (或预埋件）固定，固定螺栓间距大约0.5~2m。水平监测板（图4a中之（12)、观测沿程拱坝的 径向和切向水平位移）安装在廊道顶拱的底部，其上游侧用膨胀螺栓（间距约0.5~2m)固 定，下游侧用钢板条平托，形成简支座。安装作业用全站仪进行控制测量，保障准确定位调 平，保证立置板顶部和平置板的水平度;板段之间的接头的安装需牢固審封，微管对准，用 光纤气吹作业，检验监测板微管的通畅和气密性。
[0087] 在竖井中，如附图4(b)，在布设光纤监测的典型坝段的圆形竖井中，径向监测板 (图4b中之18)的上游侧用膨胀螺栓（间距大约0.5~2m)固定，用以监测坝体和坝基的垂直 位移和径向水平位移。切向监测板(图4中之19)在靠左岸的坝段中固定其左侧，靠右岸坝段 中则固定其右侧，用以监测坝体和坝基的垂直位移和切向水平位移。二者正交布设，其底部 用基岩竖井下伸适当深度，监测板的底端用砼嵌固，形成固端，作为基准点。同前，安装作业 中要保证定位准确、固定罕靠，各板段之间接头要微管对准，通畅且密封。
[0088] (二)坝肩岩体、高边坡、滑坡体等位移的监测，可参考上述在廊道、竖井中的布置 及实施方式，在坝肩平硐、灌浆廊道、竖(斜)井或钻孔中，敷设双向或单监测板，以观测水平 位移、垂直位移以及地质软弱-构造带的变形等。
[0089] (三)传感光纤的敷设定位:在一路封装件全线安装定位后，在其微管内用气吹法 敷设传感光纤组。光纤的前端系上伞形帽，在压气吹动下，伞形帽拖动光纤从一端布向另一 端(该工艺是电信行业成熟工艺的移植）；光纤在微管中的固结定位，采用真空高压法，进行 改性水泥沙浆灌注(光纤在小直径导管中的气吹敷设和灌浆工艺，均已在高速公路隧道砼 衬砌的光纤敷设中得到验证）。
【主权项】
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一狭矩形截面梁，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，其跨高比彡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化程度量化表达式各为 δ = ξ-1 (6)(7) 实施方式是，把曲梁高度控制在该曲梁的曲率半径的1~2%以内、构成为弱曲梁，则该 光纤变形监测板即成为线性传感器;把平面弯梁的监测板分段，使各段弯梁中心角<30°~ 50°，即成为微弯梁，同样转化成为线性传感器;弱曲梁和微弯曲封装的光纤变形监测板，在 力学上归结为欧拉弹性梁，而具有足够的精确度，具备工程实用性;封装板(梁)按一端或两 端为固端，安装在坝中，按欧拉弹性梁算法，监测沿线变形两分量一封装件的中平面内的 挠度及其纵向变形;釆用两光纤监测板正交布设，则监测其沿线变形三分量。4. 根据权利要求1或3所述的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:在高拱坝工程中，在不同高程的纵向廊道的上游壁和顶拱处，各布置垂直向和水平 向的光纤监测板，在坝肩处采用水平岩硐深入基岩，做成固端，作为变形监测的基准点，以 监测沿程坝体和坝肩的径向-切向的双向水平位移及垂直位移;在典型坝段的竖井及其下 延的岩基竖井中，垂向敷设正交的光纤监测板，以底部为固端基准点，监测径向-切向坝体-坝基的双向水平位移、垂直位移。坝肩坝基中，在灌浆廊道、竖井、平硐或钻孔中敷设单向或 双向光纤监测板，以观测水平位移、垂直位移以及地质软弱-构造带的错动等变形;每一路 光纤监测板敷设贯通就位后，各微管的传感光纤用气吹法敷设，用真空高压法灌注改性水 泥沙浆，进行固结定位。
【文档编号】G01D21/02GK105890537SQ201610505697
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】刘浩吾, 陈江, 孙曼, 唐天国, 王琛
【申请人】四川大学