土工膜防渗土石坝变形监测的光纤传感技术与系统

摘要

公开一种分布式光纤传感系统和技术方案，能够实坝土工膜防渗土石坝的土工膜双向应变及其接缝断裂开度的网络化、一体化在线遥测和大范围‑多参量的时空全覆盖，显著提升土工膜防渗土石坝安全监测的科技含量和效能。提供独特的由SM紧套光纤、碳涂覆SM光纤和氟化塑料光纤构成的大量程组合传感光纤、及配套的BOTDA型与OTDR型光信号解调仪。其应变量程达40%，尤其能同时监测土工膜接缝断裂的发生、部位及开度;从而实现土工膜的常规点式电测应变计的升级换代、尤其突破接缝断裂监测的空白和难题。提出正交传感网的布置方式以及光纤敷设定位固结工艺和光纤网初始场建立方法，具有工程实用性。

说明书

Distributed Optic-Fiber Sensing Technology and System

for Monitoring of Deformation of GeomembraneAnti-seepage Earth-RockfillDam

技术领域

本发明涉及一种土工膜防渗土石坝的土工膜应变和接缝断裂的分布式光纤传感监测系统和技术方案，可实现土工膜防渗型土石坝的土工膜双向应变和焊缝断裂开度的分布式光纤传感的大范围-多功能的在线遥测，获得可靠的观测成果，实现定量-定位、及时预警。

背景技术

（一）土工膜防渗型土石坝的进展

大坝工程中土石坝应用最广，迄今以土质防渗坝型和砼靣板坝型为主。近年来，随着高分子材料的发展、尤其土工膜防渗在大坝防渗应用和实践经验的积累，显示出土工膜防渗性能强而耐久、造价低、施工快捷，社会经济价值潜力大，出现了异军突起的快速发展。国际上，土工膜防渗土石坝最高的是西班牙1948年建成的Poza de Los Ramos坝，高97m,运行60余年后现已加高到134m;该种坝型的160m高坝也将兴建。我国于1998、2014年先后颁布实行的国家行业规范《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T231-98）、《水电工程土工膜防渗技术规范》（NB/T 35027-2014）,表明了业界对于该种坝型的信心大增，据信该坝型可望逐步成为主流坝型之一。

（二）土工膜防渗体系变形的安全监测

正由于土工膜防渗是当代异军突起的新兴土石坝型，其实践经验积累尚少（尤其高坝工程），因而，该坝型的安全监测显得特别重要，以便及时可靠地掌握大坝的实际工作状态、釆取对策，确保大坝安全，並为该坝型的发展，提供最有价值的资料和依据。

易见，在该坝型里，土工膜防渗体系中强度和防渗性能的最簿弱环节，是土工膜的接缝。浙江里墩水库土工膜土石坝漏水，放空检查发现，就是接缝局部开裂漏水［李星，土石坝复合土工膜防渗斜墙的设计施工.土石坝技术－2005年论文集，北京：中国电力出版社］。在高坝工程中，其土工膜材料常用PE（聚乙烯(包括HDPE（高密度聚乙烯）)，其拼接缝均用焊接缝。故PE焊缝断裂以及土工膜缺陷修补的断裂，正是坝体的防渗破坏和渗漏险情的关键所在;而土工膜的拉伸应变量则是其工作状态的表征性指标。拉应变值不仅关系到土工膜的工作寿命，而且与土工膜损伤断裂的识别-珍断-预警，息息相关。

土工膜应变监测的常规仪器，迄今釆用土工膜应变计。这是一种大应变量程（例如特制康铜）的电阻式应变计，具有点式电测传感仪器的诸多局限性，其监测范围小，导致数据的空间离散性，高压水的淹没明显影响其耐久性，无故障工作时间差强人意。对于土工膜接缝和缺陷修复断裂开度的监测，迄今尚属空白。

分布式光纤传感尚无用于PE土工膜应变监测的先例，而有用土工织物应变检测的成果［Liehr S. et al. Polymer Opticl Fibre Sensor for Distributed StrainMeasurement and Application in Structural Health Monitoring, IEED Sensors J.,9（11）,1330-1338（2009）］。采用POF（塑料光纤），以适应土工织物变形大的特点，並在土工织物制造中将光纤编入，织成一体。其光学测量则采用基于瑞利散射光反射原理的OTDR（光时域反射仪）。POF的沿程损耗与其拉应变值成正相关。

现阶段，分布式光纤传感技术系统尚无用于土工膜应变和接缝断裂开度的成果和实例。惟在砼工程结构领域里，国内外都已有基于BOTDA（布里渊光时域分析技术），实施砼应变和裂缝监测的分布式光纤传感技术和系统及工程实例。在砼裂缝及其邻城部位，拉伸应变的分布呈明显的驼峰型，可藉以确定开裂出现时间、部位和裂缝宽度。

鉴于此，针对土工膜防渗土石坝工程的土工膜应变和接缝断裂开度监测的特定需求，本发明综合运用当今分布式光纤传感领域的高端成果，提供一种适用土工膜防渗土石坝的土工膜应变和接缝断裂开度监测的多功能（土工膜应变-接缝与缺陷修复断裂开度）分布式光纤传感监测系统和技术方案。

发明内容

（一）技术方案依据的科学原理

（1）光学原理：

光纤光波导的两种本征散射－－布里渊散射、瑞利散射，都对温度和应变两种力学量敏感。该两种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：

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

式中，△v_b为布里渊增益谱频移，△ε为应变增量，△T为温度增量，C₁₁为布里渊应变-频率系数，>12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应变和温度分布。新型的预脉冲（Pulse-Pre-Pump）布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA，其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm、测量精度达7.5με/0.35℃。

2）瑞利（Rayleigh）散射光----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

式中，△v_R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。

瑞利散射的后向散射光强，则是光纤光波导沿程损耗和光强衰减的信息载体，其光信号解调仪为OTDR（光时域反射仪）。对于POF（聚合物光纤），该损耗测值与光纤拉应变呈正相关，而且敏感。从而，藉助对于传感光纤沿程衰减的OTDR检测，可测定传感光纤拉应变量的沿程分布。

综上可见，在被测场中布设1路传感光纤，可測得光纤沿程的一维空间的应变（及温度）连续函数，用数值方法进行重积分得其纵向变形量。

（2）力学理论：

防渗土工膜在坝体中的受力状态一般属于双向拉伸。土工膜的特征应变量、变形模量等等，都与双向应变量相关。故常需监测土工膜的双向应变――顺坡向应变和跨河向应变。为此，釆用两组光纤正交的传感网络，进行双向应变监测。

当接缝、缺陷修补出现断裂时，该处的应变分布发生畸变，应变量明显增大、呈鸵峰形分布。通过对应变的数值积分，可得出断裂开度，並藉以评估土工膜断裂亊故的发展过程和趋势。

（二）技术方案

（1）光纤变形监测系统的组成

光纤变形监测系统的组成，主要包括：光信号解调仪—传输光缆—传感光纤，见图1（在图中UPS、主控计算机、光开关、集线盒等配件未示出）。图中，1为光信号解调仪，2为传输光缆，3为组合传感光纤、4为SM（单模）紧套光纤，5为炭涂覆SM光纤，6为氟化POF（聚合物光纤）。

新型的光信号解调仪PPP-BOTDA（预脉冲布里渊光时域解调仪），其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2~10cm，应变精度7.5με，应变重复性 5με，温度精度达0.35ºC，测量时间5s，距离范围 50m~10km，适用SM光纤。

为在工程现场条件下验证PPP-BOTDA型光纤传感系统的性能，2011年在西安釆用PHC桩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桩直径500mm，桩长30m，在桩体内埋入两路传感光纤，並一起埋入滑动测微计，试桩静载693~1464kN。结果两种手段的应变测值基本相符。

光纤光学领域的一项重要最新进展，是BOTDA（布里渊光时域分析技术）与OTDR（瑞利光时域反射技术）的合成技术［K.Kishida et al. Study of optical fiber strain-temperature sensitivities using hybrid Brillouin-Rayleigh system, PhotonicSensors,DOI:10.1007/s13320-013-0136-1;Sylvie Delepine-Lesille et al.Validation of TW-COTDR method for 25km distributed optical fiber sensing,Proc. of SPIE Vol. 8794 879438-1］。其商品化光信号解调仪TW-COTDR（谐调波长干涉光时域反射仪）性能优异，且能实现应变-温度测值的自动解耦，可省去应变屏蔽光纤，简化了传感光路。

工程应用中，光信号解调仪釆用BOTDR型和OTDR各1台配套。前者可因地制宜，在BOTDA、PPP-BOTDA、TW-COTDR三者中选取1台。当检测SM硅芯光纤时，采用前者;当检测POF光纤时，采用后者（下详）

（2）土工膜变形的大量程传感光纤

场相容和界面耦合是工程领域光纤传感监测应用成功的关键和难点所在。光纤传感用于砼应变和裂缝监测的实践，为光纤传感用于土工膜的监测提供了借鉴，但土工膜相对于砼材料，在几何尺寸和变形模量、拉应变极限等等力学性能上，有４～５个数量级的差异，对土工膜难以直接移植砼应变-裂缝监测的光纤系统和技术方案。

针对土工膜应变量程特大的基本特点，本专利提供一种大量程组合传感光纤，由以下3种光纤并联组成：

●SM紧套光纤――拉应变量程1.5%

●炭涂覆SM光纤――拉应变量程5%

●氟化POF――拉应变量程40%

三者均用2(~3)芯带纤，以利光纤敷设定位便捷，见图1和图4。

（3）土工膜应变和接缝断裂开度监测的传感光纤布置方式

土工膜应变和接缝断裂开度监测的传感光纤，正交于接缝布设，如图２～图４。在图２～图３中，７为左幅土工膜，８为右幅土工膜，９为接缝，10为焊缝，11为组合传感光纤，12为光纤固结点（简称结点），ｓ₁为结点间的小间距（可取为15~25cm），ｓ₂为结点间的大间距（可取为40~150cm）；在图４中，13为光纤保护ＰＥ带（宽10~20cm），14为挤出焊料粘结。

易见，与接缝正交的跨缝传感光纤，可实现土工膜应变与接缝断裂监测的一体化。当接缝完整时，光纤测得土工膜纵向（在高坝常为坝坡向）应变。当接缝发生断裂时，该处应变测值增大，明显大于接缝两侧附近区域的应变，而呈现驼峰型分布，则可判定该处接缝发生断裂;对接缝两侧结点间应变的数值积分，可得接缝断裂的开度。

对于较大的缺陷修补，宜采用类似的监测布置，惟光纤布设应与修补疤的长轴方向正交。

（1）（４）土工膜防渗土石坝变形监测的光纤网络的布置方式

高坝的土工膜防渗常釆用斜墙式，其土工膜的坝坡向应变值，大于其坝轴向（跨河向）的应变值，故通常采用土工膜的纵向沿坝坡向展开，在全部接缝中以坡向长缝为主。为此，全坝土工膜防渗体系的变形监测的光纤网络如图５所示。图中，15为跨河向传感光纤，16为坝坡向传感光纤，二者组成正交光纤网。前者监测土工膜的坝轴向应变和坡向长缝的断裂开度，后者监测土工膜的坡向应变及其端头横缝的断裂开度。

正交光纤网布置的范围和分布，以大范围覆盖和重点密布相结合为原则。坝坡向传感光纤的间距宜为2.5~20.0m，跨河向传感光纤的间距宜为1.0~10.0m。

传感光纤的布置宜疏密协调有致，其重点密布区域（参见图5）为：

●土工膜拉应变大-接缝断裂风险高的区域：按大坝设计计算和数值模拟分析结果确定；

●地质地形条件复杂区域；

●地震烈度高的大坝的坝顶区：其动力反应放大效应显著，坝体和土工膜损伤风险高。

（2）

有益效果

（1）实现了土工膜防渗型土石坝变形监测的首要监测项目――土工膜拉应变监测，从常规的点式电测仪器和技术，升级为在线遥测的分布式光纤传感系统和技术。

（2）攻克PE膜接缝断裂开度监测的难题，进而构成PE膜应变-断裂开度监测的一体化；提供的多量程组合式传感光纤，恰能适应PE土工膜拉应变特大、且要同时监测接缝断裂开度的特定需求；成为具有大范围覆盖-多参量检测的实用先进的高科技手段，能够显著提升土工膜防渗土石坝安全监控体系的有效性和科技水平。在强震、大坝漏水、防洪抢险等关键时刻，为安全管理决策提供最快捷、最可靠的关键数据。

（3）分布式光纤传感系统耐腐蚀、防雷击、抗电磁干扰，无可动部件、无磨损，几乎无零飘，稳定工作数十年，维修工作量极小。光纤传感系统相关设备降价快、性能提高快，发展潜力大。

简言之，本专利具有攻克当今土工膜防渗土石坝工程的土工膜防渗体系变形监测的难题，实现其技术升级换代，可望成为土工膜防渗土石坝安全监测科技中的亮点之一。

附图说明

图1为光纤变形传感监测系统组成示意图；

图2为土工膜应变-接缝断裂开度监测的传感光纤布置示意图（光纤上覆保护带未示出）；

图3为传感光纤布置的纵剖面示意图（图2A-A剖面）；

图4为传感光纤布置的横剖面示意图（图2B-B剖面）;

图5为土石坝的土工膜防渗体系的光纤传感网络布置的上游视图。

具体实施方式

（一）传感光纤的铺设

在PE土工膜焊接作业完成后，按照土工膜防渗体系光纤传感网络布置设计图，在土工膜表面，进行传感光纤固结点位的划线；将每一结点处的土工膜表面适度打毛；将传感光纤展开、按划线铺设就位（参见图２～图４）。

（二）传感光纤的固结定位工艺

釆用能够定量的拉力噐，将光纤拉直，使之在固结操作过程中产生並保持一定的初始拉应变，三种传感光纤的初始拉应变量宜各为：

●SM紧套光纤――200~600με

●碳涂覆SM光纤――300~800με

●氟化POF光纤――1000~2000με

为此，事先釆用BOTDR、OTDR等光信号解调仪，对拉直的光纤进行检测，以标定每一种传感光纤适用的能产生上述初始拉应变所对应的拉力值。

在保持该拉应变量的条件下，在每一固结点处，挤出适量的强力快干胶，将光纤固结定位（参见图２～图３）；此刻，初始拉应变量需保持不变，直至强力胶达到足够强度。这一工艺要求，旨在保障传感光纤在各个结点之间的每一段，都保持绷直状态，避免发生任何松弛或弯曲，从而，预防初始应变场出现粗大误差的风险。

（三）传感光纤的质检和PE保护带的敷设及土工膜应变初始场的建立

釆用OTDR对各路已敷设的传感光纤进行存活质检，如发现光纤断点，则给出定位，采用自动焊接机，加以修复。在每一路传感光纤敷设、应变初始场建立並质检完成后，及时沿线铺设光纤上覆的PE保护带（参见图４），保护带的两侧用挤出胶固定。采用光信号解调仪，对已敷设的传感光纤网，进行数次应变与温度测量，直至测值符合重复性要求，以建立光纤网络的应变初始场。

（四）传感光纤保护

传感光纤网在敷设过程中以及随后的土工膜保护层／护坡的修筑过程中，在现场务必有专人负责值守，保护光纤，杜绝滚石、人踩等等一切损伤风险，确保光纤存活率。

――――――――――――――――

本项发明创新由国家自然科学基金资助（项目批准号：51279119）。