基于OTDR的混凝土面板堆石坝面板接缝变形监测方法研究

摘要

混凝土面板堆石坝作为一种现代坝型，具有取材便捷、造价低、工期短、工艺简单、安全可靠、适应性强等优点，经过多年的科学研究和施工实践其技术已经日趋成熟，呈现活跃、迅速的发展态势。近些年，一批混凝土面板堆石坝在雅鲁藏布江、大渡河、雅砻江、金沙江等西南地区的河流上的相继开发。随之而来的混凝土面板堆石坝的安全稳定问题也日益突出。由于混凝土面板堆石坝面板出现严重裂缝、面板间接缝位移过大等问题引发的安全事故时有发生。因此，针对混凝土面板堆石坝特点，通过实验，研究光纤-裂缝位移以及光纤-脱空位移的传感机理，探索面板坝接缝位移和面板脱空位移的监测技术，对及时掌握面板坝安全性态，确保面板坝安全具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文在分析传统的光纤弯曲损耗传感原理的基础上，通过对光纤传感技术的结构设计、理论推导并结合实验等手段，对基于光时域反射仪(OTDR)的混凝土面板堆石坝接缝变形监测方法进行了研究，主要研究内容： (1)阐述了单模光纤(G652D)的结构特性、传统光纤弯曲损耗位移传感机理；提出了一种线性大量程的光纤弯曲损耗位移传感原理，从理论上证明了该原理的可行性并进行了实验验证；通过实验数据拟合了G652D单模光纤在光源工作波长为1310nm以及1550nm下光纤弯曲半径与单位长度光纤弯曲损耗的经验公式，提高了该传感原理的实用性。(2)基于线性大量程光纤弯曲损耗原理设计了两种接缝变形监测的传感器，通过理论推导得出了传感器的位移计算公式，并与实验室标定出的传感器位移计算公式进行了对比验证；通过有机玻璃板模拟面板接缝位移的方法对传感器各项性能指标进行了测试分析，并与常规位移传感器的性能进行了对比，证明了该两种传感器的可行性。(3)阐述了传统的基于OTDR原理的分布式光纤监测方法，分析了基于传统OTDR分布式监测方法中的不足的原因，提出了研究了基于OTDR的面板接缝变形准分布式监测方法，通过采用本文研制的两种传感器进行实验验证了该方法的可行性；研究了准分布式监测系统中过渡光纤对传感器监测精度的影响，得出了满足测量要求的过渡光纤的最小长度；通过理论分析得出了该监测方法中传感器最大布置数量，并通过串联光纤弯曲损耗环的实验进行了验证。

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