分布式光纤传感技术在土坝形变监测中的应用研究

摘要

堤防工程是重要的防洪工程之一，堤防的稳固是人民生命财产安全的重要保障。而形变是堤防破坏的明显先兆，因此，堤防形变的实时监测对于及时发现险情、指导抢险具有重要意义。有别于以往的点式和阵列式监测模式，分布式光纤传感系统是近年来发达国家竞相研发的一项尖端技术，它具有抗电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、具有大功率信号传输带宽、实时、动态和分布广等诸多优点，从而弥补了堤防点式监测盲区的数据空缺，提高了堤防形变监测的精度。
　　基于分布式光纤传感技术，以河南黄河某堤防段的丁坝为研究对象，对丁坝的形变监测进行研究。论文主要内容包括:
　　1.综合分析了国内外相关研究文献，介绍了黄河堤坝的内部结构，探讨了丁坝形变的成因及机理。
　　2.介绍了分布式光纤传感的应变监测原理;构建了基于瑞士Omnisens公司的DiTeSt光纤传感分析仪的丁坝形变监测系统;分析了监测系统中的数据流程，设计了软件系统的主要功能模块。
　　3.研究了传感器的铺设方案，提出了不同的方案并进行了比较和结构设计;重点研究了基于分布式光纤传感的形变探测管，推导了光纤应变与探测管沉降量的关系，对结构进行了选型设计。
　　4.对光纤的纵向拉伸进行了实验研究，测定了用于试验的传感光纤的弹性系数，由此确定了用于光纤探测管的传感部分的长度。
　　5.基于提出的传感光缆铺设方案，搭建了丁坝试验模型，开展了丁坝形变的模拟试验研究;分析和讨论了实验结果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 黄河丁坝的概况

1．2．1 黄河丁坝的结构及尺寸

1．2．2 丁坝险情的主要形式及机理

1．3 国内外研究现状

1．3．1 丁坝坝头局部冲深的计算研究

1．3．2 溢流丁坝附近自由水面的研究和数值模拟

1．3．3 丁坝群近体流动结构的可视化实验研究

1．3．4 根石的防护研究

1．3．5 根石探测装置及系统的研究

1．3．6 丁坝的安全监测研究

1．4 分布式光纤应变传感原理

1．5 本文的主要工作

第二章 堤坝形变监测系统设计

2．1 堤坝的物理模型

2．2 堤坝监测系统的组成和功能

2．2．1 堤坝监测系统的组成

2．2．2 堤坝监测系统的各部分功能

2．3 监测系统的硬件系统

2．3．1 传感光缆的技术特性及选型

2．3．2 DiTeSt仪器及性能参数

2．4 监测系统的数据管理

2．4．1 DiTeSt仪器的数据获取

2．4．2 监测系统数据流程

2．5 监测系统软件组成

2．6 本章小结

第三章 传感器布设方案研究

3．1 “T’’形布设方案及结构设计

3．2 近似多边形布设方案及结构设计

3．3 网格式布设方案及结构设计

3．3．1 传感器装夹结构设计

3．3．2 施压装置的工作原理

3．3．3 施压装置的结构设计

3．4 悬臂式布设方案及结构设计

3．4．1 分布式光纤形变探测管工作原理

3．4．2 分布式光纤形变探测管的结构设计

3．5 传感器布设方案比较

3．6 本章小结

第四章 堤坝形变监测试验研究

4．1 光纤的拉伸试验

4．2 分布式光纤形变探测管性能研究

4．3 分布式光纤形变探测管性能测试

4．3．1 试验目的和设备

4．3．2 试验操作方法和步骤

4．3．3 试验结果与分析

4．4 基于分布式光纤传感的堤坝形变监测的试验研究

4．4．1 试验目的和设备

4．4．2 试验方法和步骤

4．4．3 试验结果与分析

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间发表的学术论文

附录B：攻读学位期间取得的科研成果