水电工程安全监测领域中光纤传感技术应用分析

水电工程安全监测领域中光纤传感技术应用分析

李斌

浙江华东工程安全技术有限公司浙江杭州310014

摘要：本文基于对水电工程安全监测领域中光纤传感技术应用分析，分析了光纤传感技术的基本原理，并对光纤传感技应用于坝体温度及渗漏监测、边坡变形及坝体裂缝监测、坝体沉降及面板挠度监测等方面的应用做了详细的阐述，以期为水电工程安全监测以及工程建设提供可靠的依据。

关键词：水电工程；安全监测；光纤传感技术；应用分析

一、水电工程安全监测领域中光纤传感技术的原理

在光纤中，其传输的光波可用公式进行描述，即E=E0cos（），其中，E表示强度，E0表示光波振幅，表示频率，表示初相角，t表示时间。在各个公式中，包含了5个基本参数，及强度、波长、相位、频率、偏振态等。而光纤传感技术则是在解调外界信号的基础上，通过扰动光纤中传输光波的基本参数，来获取所需要的相关检测信息。根据不同调制的光波参数，可将光纤传感器技术分为五种类型，即偏振调制、颜色或者波长调制、频率调制以及强度调制等。

二、水电工程安全监测领域中光纤传感技术的应用

（一）应用于坝体温度及渗漏监测

1、监测温度。在光纤中，光的传输能够形成拉曼散射，即将脉冲光注入光纤中之后，它的传输就能逐渐形成散射后向光波，而光纤沿线散射点所处的温度，则能对这些光波的状态产生一定的影响，从而发生相应的改变，系统处理这些散射回的光之后，就能将光纤沿线所测量到的信息进行实时显示。而光纤中传输光波的速度以及入射和反射光波之间的时间差等，能够用以光纤沿线所测信息的准确定位。光纤传感技术监测温度的原理如图1所示。

2、监测渗漏。在水电工程安全监测的过程中，如果坝体存在渗漏情况，其内部的温度就会出现局部异常的现象，因而通过测量坝体内部的温度，就能对坝体的渗漏进行相应的监测。监测渗漏的原理与温度监测一致。在实际监测的过程中，为了使得监测的渗漏处更加显著，则可以将加热装置增设到光缆中，这样就能凸显出温度分布的差异，从而有利于观察和判断。

（二）应用于边坡变形及坝体裂缝监测

1、监测裂缝。一般情况下，光纤传感器的相关信息主要是通过光时域反射仪来进行有效的获取，其本质上指的是传感器通过对信号的调制和解调，就能将空间上内测参数的变化情况准确的反应出来。在监测裂缝的过程中，该技术的原理主要为：在开裂的工程结构中埋入一定的光缆，裂缝与光缆之间形成特定的角度，在剪切拉伸来的影响下，裂缝中的光缆就能生成挠曲或者微弯，从而导致损耗局部高光。而利用光时域反射技术，就能将沿程损耗的光进行准确的探知，并准确获取对应光缆长度铺设的沿程光损，这样就能对光损异常的位置加以分析，从而判断裂缝是否会引起光损异常。裂缝监测原理如图2所示。

2、监测边坡边形。在常规监测库区滑坡以及高边坡深部变形的过程中，一般使用的仪器为钻孔倾斜仪，电信号为其监测信号，属于点式测量，容易受到干扰，且获取的信息量相对有限，因而不能达到自动化监测的目的。而采用光纤传感技术，则能有效的弥补异常缺点，它是基于微弯损耗光模式调制光强度的机理，当某一部位出现变形时，光缆相交于滑移面的部位就会出现变形，并生成微弯，并增加光强衰减，从而达到定位监测的目的。

（三）应用于坝体沉降及面板挠度监测

1、监测面板扰度。在光线传感器中，具有敏感角速率的为光纤陀螺，实质上其为一种环形干涉仪，基于萨格纳克效应。通过适宜光源将光波发出，经过耦合器耦合分光之后，就能进入到一个多匝光纤线圈的两侧，并沿着逆时针或者顺时针的光路进行传播，而由两端传播出去的光，又会通过耦合器传回探测器。与惯性空间相对的光纤陀螺处于静止状态时，沿相反方向传输的光波在光纤线圈内经过了相同的光程，因而光程差为0；而与惯性空间相对的光纤陀螺的转动处于一定转速时，则其经过的路程不同，即存在光程差。因而光纤陀螺可应用于测量面板扰度。

2、监测坝体沉降。在对坝体沉降进行监测的过程中，一般采用的传统的水管式沉降仪，该仪器在使用的过程中会大幅增加官长，且测量的速度以及精度等，均会受到一定程度的限制，同时其测量的可靠性也有一定的影响。而采用光纤传感技术进行测量，通过对其特定高程的轨道采用光纤陀螺进行测量，则能有效的监测其沉降变形的情况。

三、总结

综上所述，通过对水电工程安全监测领域中光纤传感技术的应用分析，对光纤传感技术的原理做了简要的阐述，并对其在坝体温度及渗漏监测、边坡变形及坝体裂缝监测、坝体沉降及面板挠度监测的应用原理做了详细的阐述。

参考文献：

[1]柴敬,张丁丁,李毅.光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用研究进展[J].建筑科学与工程学报,2015,03:28-37.

[2]肖衡林,鲍华,何俊.分布式光纤温度传感技术在水电工程中的应用研究[J].长江科学院院报,2009,S1:104-107.

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