（岩土工程专业论文）光纤bragg光栅传感技术用于工程结构安全监测的研究.pdf

四川大学博士学位论文 y8 6 9 8 1 光纤b r a g g 光栅传感技术用于工程结构 安全监测的研究 岩土工程专业 研究生：孙曼指导教师：刘浩吾教授 大型结构的安全监测，能够及时了解结构性状，防患未然，获得巨大的社 会和经济效益。工程结构安全监测的高新技术中，光纤传感具有独特的优势。 其中光纤b r a g g 光栅传感技术灵敏度高，抗干扰能力强，测量稳定可靠，代表 着新一代光传感器的发展方向。 本文运用光纤b r a g g 光栅传感技术的特点和优点，解决高土石坝工程集中 渗流监测和组合结构损伤检测两项难题，为发展该两领域内光纤光栅监测技术 的传感系统和分析方法提供了理论基础和关键技术。本文主要工作和成果如下： ( 1 ) 首次提出高土石坝集中渗流大范围、定量化监测的光纤b r a g g 光栅传感 技术的科学理念、理论方法和分析手段。首次采用光纤b r a g g 光栅传感 系统。突破了国内外近年来采用d t s 分布式光纤测温的局限，实现了光 纤传感的选型优化，成为实现高土石坝心墙集中渗流的定位、定渗流量 监测的可行途径和新理念。 发展了渗流一温度耦合场的有限元分析方法，完成了高土石坝心墙集 中渗流的模拟仿真，获得温度分布与渗流通道几何位置和渗流速度及渗流 量的关系，用数值手段论证了这一高端技术的可行性。首次为大范围、定 量化监测土石坝心墙随机出现的渗流通道位置和渗流量提供了技术途径。 ( 2 ) 提出了地基集中渗漏的光纤b r a g g 光栅检测方法，发展了流场一温度耦合 场的有限元分析方法，得出地基监测孔内流体、温度多场分布，从而确定 地基中集中渗流通道位置和渗流量。据此论证了应用该技术监测地基集中 渗流的可行性。 四川大学博士学位论文 ( 3 ) 提出了基于光纤b r a g g 光栅传感的光电多功能测渗系统。并研制出相应的 电测子系统和供热子系统。为高土石坝、地基渗漏监测提供了技术手段。 鉴于大型工程结构具有使用期限长的特点，其供热子系统采用p t c 热敏电 阻元件制成，具有恒温、安全、寿命长等特点。其电测子系统采用单线数 字化智能集成温度传感器及高档单片机构成研制了样机，经测试性能优 良。该系统作为光纤主系统的参照，提供了必要的冗余度并提高了全系统 的可靠性。 ( 4 ) 首次提出钢砼组合结构界面损伤( 滑移、掀起) 检测的光纤b r a g g 光栅 传感检测方法，并提出和设计了适于测量组合结构界面滑移和掀起的f b g 传感器型式，完成了组合桥面板结构足尺实验的全过程检测。测量出组合 结构界面滑移、掀起损伤出现的临界应变值及其发生发展过程，以及混凝 土板顶面纵向承载裂缝损伤出现的临界应变值及发生发展过程，揭示出损 伤发生的机理。为组合结构界面损伤检测提供了一种可靠、有效的方法( 此 前无法测量) ，同时也为桥面板组合结构的进一步优化提供了可靠的信息 依据和科学基础。在组合结构实验中，光纤b r a g g 光栅传感系统经历从静 载到疲劳再到破坏三个加载阶段，而保持全程正常工作，特别是经受了3 0 0 万次循环疲劳荷载等极限状态的考验，获取了大量的实验数据，揭示了损 伤发展规律，为发展组合结构损伤的光纤传感检测技术奠定了科学基础。 将光纤检测结果与应变片等常规检测手段获得的数据进行了全过程对比， 进一步论证了前者的可靠性。 ( 5 ) 研发了光纤传感系统管理软件，可以实现光纤传感测试数据的存储、调用、 打印，数据处理，分时显示、按位置显示、图片显示，裂缝宽度计算、预 警等多项功能。为以后实现光纤传感系统检测的全过程自动化和利用 i n t e m e t 进行数据的网上实时监控和遥测提供了技术手段。 综上，本工作将光纤传感的高技术与水电、结构等传统工程领域进行大跨 度交叉，起点高，难度较大，研究采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合， 计算和试验工作量大。本工作促进了把光纤传感高技术引入工程结构安全监测， 。提高其效能和科技含量，有利于其升级换代，具有重要的学术和实际意义。 关键词：光纤b r a g g 光栅，工程结构安全监测，高土石坝集中渗流，多场耦合 数值模拟，组合结构，界面损伤 婴型查兰堕! ：兰些堡兰 h e a l t hm o n i t o r i n go f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e su s i n g f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p h dc a n d i d a t e ：s u nm a n s u p e r v i s o r ：l i uh a o w u h e a l t hm o n i t o r i n go fl a r g ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e si s h e l p f u lf o rk n o w i n gt h e b e h a v i o ro ft h es t r u c t u r e sa n dc a nt h e nt a k ep r e v e n t i v em e a s u t e i d _ e n t si fs o m e d a m a g e so c c u r a m o n ga l lt h eh i g ht e c h n o l o g i e so fh e a l t hm o n i t o r i n g ，o p t i cf i b e r s e n s i n gh a si t su n i q u ea d v a n t a g e s t h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n g ，h a sh i g l l s e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t y , s t r o n gc a p a c i t ya g a i n s td i s t u r b a n c e ，r e p r e s e n t i n gt h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f n e wl i g h ts e n s o r s t h i sp a p e ru s e st h ea d v a n t a g e so ff b gs e n s i n gt e c h n o l o g yt os o l v et w o i m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp r o b l e m s ：d e t e c t i o no fs e e p a g ef l o wo fh i g he a r t h r o c kd a n l s a n dd a m a g e so fc o m p o s i t es t r u c t u r e s , a n dt h et h e o r e t i c a lb a s e sa n d k e yt e c h n o l o g i e s f o rt h ed e v e l o p m e n to ff b gs e n s i n gt e c h n o l o g yi nt h e s et w of i e l d sa r ep m v i d e d t h e r ea r es o m ec r e a t i v er e s u l t si nt h i sp a p e r ： f i r s t l y ，s c i e n t i f i cc o n c e p t i o na n dt h e o r e t i c a l ，a n a l y t i c a lm e t h o d so ft h ef b g s e e p a g es e n s i n gs y s t e mf o rq u a n t i f i c a t i o na n dl o c a l i z a t i o no fs e e p a g ef l o wi nh i g h e a r t h r o c kd a m si sp u tf o r w a r d u s i n gt h ef b gs e n s i n gs y s t e m ，t h el i m i t a t i o no f d i s t r i b u t et e m p e r a t u r es y s t e m ( d t s ) u s e di nr e c e n ty e a r sc a nb eb r o k e nf r e ef r o m t h eo p t i m i z a t i o no ff i b e rs e n s o rt y p ec a r r i e do u tf o rt h eq u a n t i f i c a t i o na n d l o c a l i z a t i o no f s e e p a g ef l o wi nh i g he a r t h - r o c kd a m s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n a l y s i so fs e e p a g e t e m p e r a t u r ec o u p l i n gf i e l d si s p r e s e n t e dt os o l v et h en u m e r i c a la n a l y s i sp r o b l e mo ft h es e e p a g ef l o wi nah i g h e a r t h r o c kd a m t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e f i e l d ，s e e p a g e f i e l da n dt h e 四川大学博士学位论文 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rv e l o c i t ya n df b gt e m p e r a t u r ea r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h ep h o t o e l e c t r i cm u l t i f u n c t i o ns e e p a g em e a s u r e m e n ts y s t e m i s p r e s e n t e d t h ee l e c t r i c a lm e a s u r e m e n ts u b s y s t e ma n dh e a t i n gs u b s y s t e ma r es t u d i e d t op r o v i d et e c h n o l o g i e sf o rt h es e e p a g ef l o wm o n i t o r i n gi nh i g he f l l t h r o c kd a m sa n d t h ed a mf o u n d a t i o n s t h eh e a t i n gs u b s y s t e mi sm a d eu pm a i n l yo fp t ct h e r m i s t o r s i t i ss a f ea n dl o n g s t a n d i n g t h ee l e c t r i c a lm e a s u r e m e n ts u b s y s t e mi sm a d eu po f d s18 8 2 0t e m p e r a t u r es e n s o r sa n dm i c r o p r o c e s s o r t e s t so fap r o t o t y p eo ft h e s y s t e ms h o wv e r yg o o dc h a r a c t e r i z a t i o n t h k d l y , an e w k i n dm e t h o db a s e do nf b gs e n s i n gt e c h n o l o g yt om e a s u r et h e i n t e r f a c ed a m a g e so fs t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t es l a bo fab r i d g ed e c ki sp r e s e n t e d t h e f b gs e n s o r ss u i t a b l ef o rm e a s u r i n gs l i p p a g e sa n dd i s e n g a g e sa r ep r e s e n t e dt o o m o d e lt e s t ss h o wt h a ti n t e r f a c ed a m a g e sc a n _ b ed e t e c t e db yu s i n gt h e s ef b gs e n s o r s a n ds h o wt h er u l eo fd a m a g ed e v e l o p m e n t s ot h em e c h a n i s mo fd a m a g e sa n d d e v e l o p m e n tp r o c e s se a r lb ed i s c o v e r e d d u r i n gt h ec o m p o s i t es t r u c t u r em o d e lt e s t s ，f b gs e n s i n gs y s t e me x p e r i e n c e s t h r e es t a g e s ：d e a dl o a d i n gt e s t ，f a t i g u et e s t ( u pt o3 x 1 0 6c y c l e s ) a n dd e s t r u c t i v et e s t t h ef b g s y s t e mw o r k sp r o p e r l yd u r i n gt h et h r e es t a g e s a b u n d a n td a t aa r ea c q u i r e d w h i c ha r ch e l p f u lf o rt h ed i s c o v e r i n go fd a m a g er u l e t e s t i n gr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t h t h o s ed e t e c t e db ys t r a i ng a u g e s t h er e s u l t ss h o wt b a tf b gs y s t e mi sv e r y r e l i a b l e l a s t l y , t h ef b gs y s t e mm a n a g e m e n ts o f t w a r ei sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y f b gd a t ac a nb es a v e d ，t r a n s f e r e d ，p r i n t e d ，p r o c e s s e d ，d i s p l a y e du s i n gt h i ss o f t w a r e i naw o r d ，t h ef b gs e n s i n gh i g h t e c h i sd e v e l o pa n dc o m b i n e dw i t ht h e t r a d i t i o n a le n g i n e e r i n gf i e l d s i ti sq u i t eh e l p f u lt od e v e l o pt h et e c h n o l o g yo fs a f e t y m o n i t o r i n go fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，a n ds oh a si m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；h e a l t hm o n i t o r i n go fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ；h i g h e a r t h - r o c kd a ms e e p a g e ；m u l t i - - f i e l dc o u p l i n gn u m e r i c a la n a l y s i s ；c o m p o s i t e s t r u c t u r e ；i n t e r f a c ed a m a g e 四川大学博士学位论文 1 引言 大型工程结构具有体积大、分布面积大、使用期限长等特点，是关系民生 的重要建筑，其中大型水工结构，常年经受高压、高速水流的渗透、冲蚀等作 用，加上地震、冰冻的破坏，材料老化以及设计和施工过程中留下的隐患和缺 陷，不可避免的产生损伤累积，甚至引起突发事故。一些结构失事前已经出现 了坍塌、漏洞、开裂、渗漏等现象，可惜缺乏监测预警系统，无法避免事故的 发生，往往造成灾难性的后果【n 。桥梁是交通线路的咽喉，在社会经济中发挥 重要作用。桥梁结构除受到环境不利因素作用外，车辆交通荷载还会产生疲劳 损伤，甚至导致垮坍事故。鉴于上述情况，大型工程结构急需采取有效手段监 测和评定其安全状况。但大型结构的受力情况复杂多变，在外界环境影响下， 随着时间的推移，隐藏在结构内的缺陷还会出现渐变，这些情况决定了对大型 结构的安全检测既要有长期性，又要有实时性，特别是在地震、强降雨等恶劣 自然环境情况下，对大型结构的实时检测尤为重要。大型结构的安全监测，能 够及时了解结构性状，减小事故发生的危害，避免重大事故的发生，获得巨大 的社会和经济效益。 工程结构常见缺陷有：裂缝，即混凝土开裂；脱空或滑移，即组合结构界 面的断裂损伤；渗漏溶蚀等。上述缺陷往往会破坏结构的整体性和耐久性，缩 短结构的使用寿命。为此须用安全监测技术对其进行损伤探测，防患未然。 在水利水电工程中，渗流水对工程的破坏作用是众所周知的，且渗流破坏 作用较为隐蔽，不易发觉。当问题发现时，往往为时已晚，难以避免事故的发 生，而导致工程结构的破坏。水库大坝一旦失事，对下游人民的生命财产以及 主要交通干线等基础设施将造成毁灭性的灾害。统计表n t l 2 1 ：由于绝大多数小 型水库缺乏水文和地质资料，以及历史原因，遗留了不少工程质量和防洪标准 不够的隐患。截止到1 9 9 9 年底，我国已建成各类水库8 4 0 8 3 座，其中大型水库 4 2 0 座，中型水库2 7 4 4 座，小型水库8 0 9 1 9 座，是世界上大坝最多的国家。根 据1 9 8 1 年的统计资料【l l 】，垮坝率高达3 4 。根据1 9 9 9 年的统计资料【1 2 1 ，按照 水库大坝安全鉴定办法对我国的8 万多座水库进行的分类，被列入病险水 库的共计3 0 4 3 2 座，约占总数的3 6 2 。随着我国近年来堤防建设的加强，病 险水库已成为防洪体系中较薄弱的环节，严重影响我国防洪保安工作的顺利实 施。全国病险水库数量大、分布广、问题复杂，除险加固任务十分艰巨。 1 引言 根据我国水利电力部1 9 8 1 年调查统计资料【1 1 l ：全国2 4 1 座大型水库先后发 生过1 0 0 0 宗工程事故，渗漏管涌事故最多，占3 1 7 。至于垮坝失事，根据文 献【1 1 】的统计如表1 1 。 表1 1 水库大坝失事调查统计 资料来源失事类型所占 漫坝顶 渗漏管涌 滑坡裂缝其它 我国对水库垮坝失事的分析( 1 9 8 1 )5 1 2 9 31 7 v o g e l 调查分析3 0 9 座大坝失事原因( 1 9 8 2 。 3 63 41 21 8 维也纳大坝失事数据站) m i d d l e b r o o k s 调查美国2 0 6 座土坝失事原因2 73 81 81 7 ( 1 9 5 3 ) 美国大坝委员会对大坝失事调查分析3 8 4 4 99 ( 1 9 7 5 ) t a k a s e 对日本土坝失事调查分析( 1 9 6 7 )2 8 4 4 1 01 8 g r u n e r 对瑞士大坝失事调查分析( 1 9 6 3 )2 34 023 5 h i n d e r l i d e r 对1 5 9 座土坝失事原因分析 3 32 64 3 7 ( 1 9 3 3 ) r e i n u s 对1 1 9 座土坝失事原因分析( 1 9 4 8 )3 04 01 0 2 0 b a b ba n dm e r m e l 对大坝失事原因分析( 美3 63 0 1 51 9 国垦务局1 9 6 8 ) s h e r a r d 对美田2 1 4 座土石坝破坏原因分析 2 84 l1 1 2 0 ( 1 9 6 3 ) 由表1 1 可以看出：水库由于渗漏管涌而导致垮坝失事约占总事故的 3 0 - 4 0 。而被列入滑坡、裂缝等破坏类型也都与渗流有密切的关系。由此可 见渗流破坏作用的严重性【l i 】。 普通钢筋混凝土结构是用得最为广泛的结构体系，它有很多优点，如造价 低廉，耐久性好，技术成熟，结构刚度大等，但同时也存在一些缺点：延展性 和抗震性差。结构自重大，材料浪费、污染环境等。如果采用全钢结构，虽然 2 四川大学博士学位论文 有强度高，韧性、塑性好，重量轻，延展性和抗震性好，环保等优点，但同样 存在着耐火性差，耐腐蚀性差，造价高，抗衡刚度不足等缺点【4 l 。组合结构是 指将两种不同的材料组合成整体、共同工作，从而扬长避短，发挥各自所长。 钢混凝土组合结构由于兼有混凝士和钢两者的优点，在大型工程结构中包括在 桥梁工程中的使用越来越广泛。 钢混凝土组合结构，通过焊接在钢板上的栓钉与预埋的p b l 剪力键将钢板 与混凝土组合成整体而共同工作。正是由于钢与混凝土之间的粘结作用，才能 实现连接面上两种材料之间的应力传递，才能真正“共同工作”。但由于钢与混 凝土两者的交形差以及交通荷载的疲劳作用，必然会引起混凝士与钢板之间沿 界面的相对滑移或者混凝土掀起，即混凝土与钢板交界面处脱开。按断裂力学 理论，滑移为钢- 砼界面的滑开型断裂，掀起为钢艟界面的张开型断裂。由于 钢- 砼材料之间的粘结性能是直接影响钢砼组合结构受力性能、破坏形态、承 载能力和裂缝、变形的主要因素。为此很有必要研究在疲劳荷载作用下混凝土 与钢板的粘附性。但对于组合结构材料界面损伤的测量迄今为止尚无有效的测 量方法【5 1 。 大型结构的安全监测主要是指对结构进行检测，以获取材料及整体结构、 环境状况的信息，从而掌握结构的运行情况、可靠性乃至剩余寿命。有的还提 出了结构的“自我控制”功能，这样的结构具有一定的智能，称之为智能结构。 除了高精度、低成本、微型化、高可靠性、分布式多点测量等常规要求外，国 内外对大型结构安全检测越来越多的关注于结构的状态、力学参数的测量等方 面，这些对于大型结构的维护是至关重要的。 目前，国内外绝大多数大型结构，尤其是水工结构的安全检测是采用电测 方法，甩得最为普遍的是电阻传感器和振弦式传感器，这些检测系统均存在长 期稳定性差，抗干扰能力弱、有零漂的影响等缺点，难以可靠、有效地发现安 全隐患，难以满足实际霈要 5 1 。对于组合结构，目前尚无适当的用于组合结构 界面损伤测量的传感器。国内外有一些闻接测量方法，如美国的n i l s o n 博士采 用混凝土应变计，通过测量混凝土的应变，并将钢筋和混凝土的应变差进行积 分，计算出钢筋和混凝土的相对滑移。还有利用橡胶作为弹性元件测量钢筋和 混凝土的相对滑移的，测量结果精度差，效果均不理想【1 0 l 。 光纤本来是作为通信用传光器件，1 9 7 7 年美国海军研究所的f o s s ( f i b e r 1 引言 o 口t i cs e n s o rs y s t e m ) 计划开始启动，首次将光纤用做传感器件以来，光纤传感 器的研究方兴未艾，很多发达国家投入了大量入力、物力、财力研究光纤传感 器及其应用，取得了一些成果。出现了许多不同种类的传感器，能以高分辨率 测量许多物理参数，具有传统的机电类传感器无法比拟的优势，例如：抗电磁 干扰、尺寸小( 标准裸光纤为1 2 5 p m ) 、重量轻、耐温性好( 工作温度上限可达 4 0 0 6 0 0 c ) 、复用能力强、传输距离远( 传感器到解调端可达几公里) 、耐腐 蚀、高灵敏度、易形变、防爆、抗电磁干扰、灵活方便等，因此其应用范围非 常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 是一种沿光纤长度方向折射率周期扰动形成的无 源元件。最初也是用于光纤通信领域，后来将其用于传感器领域后发现：光纤 光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于普通光 纤传感器的特点，如：具有线性输出、绝对测量、对环境变化不敏感、可构成 传感网。全光纤化和微型化等。光纤光栅传感器代表着新一代光传感器的发展 方向f 6 】。 1 1 工程结构安全检测现状 目前，国内外绝大多数大型工程结构的安全检测采用电测方法，用得最为 普遍的传感器是电阻式传感器和振弦式传感器。用得较多的无损检测方法主要 有：超声波技术检测、雷达扫描检测等等，这些方法都存在相当的不足，无法 满足定量监测结构的状态、力学参数的需要。 1 1 1 电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转变为传感器电阻的变化，经 过转换电路以电信号的方式将此变化输出，其核心部分是电阻应变片。它最早 出现在1 9 3 0 年左右 7 1 ，其测量方法到现在已经发展得很成熟了。 电阻应变片主要利用材料的应变效应”，即：导体或半导体材料在外力作用 下，发生机械形变( 如拉伸或压缩等) ，其阻值相应的发生变化的现象。电阻应 变片主要由敏感栅、引线、衬基底、粘结剂和表面覆盖物等五部分组成。将其 粘贴于被测材料上，被测材料在外界条件下产生的应变，使应变片上的电阻丝 的阻值发生改变，从而测出被测材料布控点的应变值。 4 四川大学博士学位论文 用应变式电阻传感器测量应变是目前结构强度试验中最主要的手段，此外 该传感器还可以测量力、扭矩、压力、加速度等物理量。主要有以下优点： 电阻交化率与应变可保持很好的线性关系； 尺寸小、重量轻，因此在测试时对试件的工作状态及应力分布影响很小； 测量范围广，频率响应好，惯性很小，可测量0 - - - 5 0 k h z 的振动； 通用性好，适用于多种物理量的测量，与之相配合使用的应变仪、记录 仪等有较大的通用性； 采取适当措施，可保证在一定的恶劣环境下正常工作，例如：从真空状 态封数千大气压；从接近绝对零度到1 0 0 0 c 左右；以及有强烈振动、强 磁场及放射性的工作场合。 其主要缺点如下： 应变计的粘贴、连线等环节花费大量的人力和时间，而且粘贴方位不准 确会造成测量误差嗍； 目前使用广泛的氰基丙烯酸酯系瞬间粘合剂的耐用期一般为6 个月，对 于需要长期检测的大型结构明显不实用； 在大应交状态下，电阻应变式传感器具有较大的非线性，输出信号较小。 具有零漂、蠕变、滞后等现象； 受环境因素( 电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等) 影响大，抗干扰问题 突出。 图l - l 为钢谧组合桥面板模型实验中，采用的应变片电测系统部分引线图， 该系统总共使用应交片5 1 4 片，引出线包括屏蔽线总共有上千条，光是连线所 花费的时间就达一个多月。 1 1 2 振弦式应变计 振弦式应变计是一种频率敏感传感器，利用张紧振弦的谐振频率与所受张 力的变化关系来测量应变计所在点的应力或应变。最早出现在2 0 世纪3 0 年代。 振弦式应变计制作出厂后，其钢弦具有一定的初始拉力，从而具有一定的初始 频率。将应变计埋入混凝土中后，应变筒会随着混凝土变形而变形，造成筒中 钢弦的拉力发生变化，其谐振频率相应发生改变，通过测量弦的谐振频率变化， 可测出相应的应变。振弦式应变计的测量主要取决于钢弦材料的质量，一般依 i 引言 赖于进口，由于钢弦蠕变的原因，其长期稳定性欠佳脚，它不能用于高速测量， 测量精度偏低【9 】。 圉1 1 钢硷组合桥面板模型采用的应变片电测系统部分引线图 1 1 3 无损检测方法和仪器现状 无损检测是指在不破坏物体的前提下，检查物体的宏观缺陷或测量物体的 特征。常规的无损检测方法有：超声波检测、射线检测、雷达扫描检测等。 超声波检测技术是利用超声波在被测物体中传播时，材料的声学特性和内 部组织的变化会使反射声波的波速、波幅、相位和频率等参数发生相应变化， 根据这些变化可以判断材料的性能和结构的变化。超声波检测技术往往用于金 属材料的缺陷检测，用于混凝土检测，虽然在理论上可行，但由于影响检测精 度的因素较多，在实际操作中受到限制。 射线检测是利用射线( x 射线、谢线等) 穿过材料或工件时的强度衰减， 检测其内部结构的不连续性。由于存在穿透能力有限，以及测量过程中须解决 人体防护等问题，使其使用受到限制。 雷达扫描检测技术的原理是：利用一个天线向地下发射电磁脉冲，另一个 天线接收反射的回波，由于电磁波在介质中的传播受到介质的电特性( 如介电 常数) 、几何形态等因素的影响，根据接收到的回波的时间、波形和幅度，来探 测地下介质的结构和缺陷。雷达扫描在检测大坝的脱空、空洞、裂缝和其他缺 陷时，必须满足： 四川大学博士学位论文 1 ) 发射的电磁波的能量必须大到能够到达缺陷所在的深度，并能返回到地 面被接收天线接收； 2 ) 缺陷足够大，以便有足够的反射，并能在规定的深度探测到； 3 ) 其它物体的干扰不足以影响缺陷的反射。 主要存在的缺陷如下： 1 ) 探测深度较浅； 2 ) 受堤坝几何形态和堤身介质不均匀的影响，记录干扰大，波场现象复杂， 难以解释； 3 ) 测量精度较低。 以上技术在一定的范围内能够完成测量要求，但均不适合于现场测量。 1 1 4 土石坝渗漏检测方法现状 根据国内外数十年大坝安全监测实践表明：通过周密的安全监测。可以及 时判断了解大坝的工作性能，发现隐患，及时采取补救措施，避免事故的发生 和扩大。现有土石坝渗漏监测的方法主要有： 1 ) 采用钢弦式或差动电阻式孔隙压力计，埋在结构内部测渗压。 2 ) 用钢弦、电容或电感仪器测量水堰顶水位或人工测量排水沟流量，以测 定渗流量； 其原理是依据当渗流处于稳定状态时，堤坝的渗透压力和渗流量将与水头 的大小保持稳定的相应变化。在同样水头情况下，渗透压力和渗流量的显著增加 和减少，都意味着渗流稳定的破坏。渗透压力和渗流量显著增加有可能发生管 涌或集中渗流( 漏) 通道；渗透压力和渗流量显著减小，则可能是排水体或渗流 通道堵塞的反映。由于影响因数很多，进行渗透压力和渗流量的监测只能大体 上判断渗流是否稳定。 由于结构本身的不均匀性以及仪器精度的制约，传统观测方法效果不理想， 难以确切掌握渗流的实际性态，更重要的是以上测量方法无法提供土石坝内集 中渗流的早期信号，特别是无法测定渗漏通道韵位置，不能有效地维护大坝安 全。为此曾提出温度示踪测渗方法( 又称地球物理渗流检测法) 。该方法利用流 动的地下水影响近表土层温度的原理，对于确定高渗透性的区域和路径特别有 用【1 3 】，利用观测温度来监测集中渗流已在我国及荧、俄、瑞典等国家得到了应 7 1 引言 用。但到目前为止，对于土质防渗土石坝心墙中的集中渗流尚无适当仪器进行 有效监测。由于集中渗漏发生部位的随机性，要求传感器具有分布式检测能力； 由于提高测量精度的要求，希望能够定量的测量；由于大型水工结构运行时间 长，要求检测具有长期性和实时性；由于自动检测和智能控制的需要，希望能 够实现计算机自动采集数据和控制等等。现有检测方法均难以满足上述要求， 迫切需要新的检测方法来实现大型土石坝和坝基渗流的安全监测。 1 2 光纤传感器的原理及优缺点 到目前为止，国内外岩土工程领域中所用光纤传感器的原理主要有以下几 种： ( 1 ) 将通信用光纤直接或外加某种保护后埋入待测体中。当待测体承受的应 力或者应变发生改变时，使光纤本身发生微弯，所传输的光信号在该处 损耗增大，利用光时域反射计( 0 佃r ) 可测得该处的位置及损耗，再 通过计算得到相应的应变( 或应力) 。 ( 2 ) 利用b r a g g 光纤光栅。因为b r a g g 光栅本身对特定波长的光有反射。当 外部应力或应变使b r a g g 光栅的光栅周期发生改变时，其所反射的波长 也相应改变。利用光纤光栅解调仪测量反射波长的改变，再通过计算得 到相应的应变( 或应力) 。 ( 3 ) 利用偏振保持光纤。偏振保持光纤所传播的光波的电场信号方向是不变 的。外部施加应力时会使其所传播的光波的电场信号方向发生改变。从 而测得相应的应力( 或应变) 。 ( 4 ) 基于光的干涉原理的f - p 传感器。它主要由两个镜面组成，分别反射的 波相干涉。当外部应力改变时，两镜面的距离发生改变，从而使干涉条 纹发生改变。根据干涉条纹移动的距离可测得相应的应力( 或应变) 。 ( 5 ) 利用布里渊( b r i l l o u i n ) 散射测应变：在光纤中传播的光会有一小部分 发生散射，主要的散射光有三种：瑞利散射光、拉曼散射光和布里渊散 射光。布里渊散射是光波与声频声波在光纤中传播时相互作用而产生的 光散射过程，其后向散射光频率相对于入射光有一个频率偏移，称为布 里渊颏移。当光纤受力或温度变化时，布里渊频移将发生相应的线性变 化，利用布里渊光时域反射计( b 0 1 巾r ) 对光信号解调即可测出相应的 8 四川大学博士学位论文 应变或温度变化。 ( 6 ) 其它光纤传感器。利用光的衍射等原理。 其中直接利用通信光纤传感原理制成的分布式光纤温度传感( d t s ) 系统， 是国内外近年发展起来的一种用于实时监控温度场的新技术。它集光、机、电、 计算机、弱信号检测为一体的，可广泛的应用于火灾报警、过程监控、气体液 体的泄漏监测以及故障诊断等方面。分布光纤温度传感器( d t s ) 系统主要由 两部分组成：传感光缆和主机。依据光纤的光时域反射( o t d r ) 和光纤的背 向拉曼散射温度效应：激光脉冲射入光纤内部，光子与光纤材料分子在内部相 互作用，一部分光被反射回来，光纤是温度敏感材料反射光携带着被散射光子 运动的热信息。因此，反射光的光谱携带了光纤的温度信息，可以测量沿光纤 每一点的温度。不同位置反射回来的时间不一样，这样就实现了真正的分布式 的测量。一条数公里乃至数十公里长的光纤( 光纤或光缆既是传输媒体，又是 传感媒体) 铺设待测空间，可连续测量、准确定位整条光纤所处空间的温度， 并可通过光纤上的温度的变化，检测出光纤所处环境中气体和液体的泄露，因 此拓展了其应用的领域。但d t s 系统检测精度不高，且主机设备昂贵，不能满 足检测高土石坝心墙集中渗流的要求。 光纤传感器具有很多优异的性能，例如：光纤不带电，具有绝缘、无感应 的电气性能；抗射频和电磁干扰，抗辐射；径细、质软、重量轻；灵敏、精确、 适应性强；耐水、耐高温和强电磁场、耐电离辐射，耐腐蚀；防燃，防爆，能 在有害环境中安全运行。光纤传感系统具有自标定、自校准和自检功能，其运 行和控制是通过计算机实现的。可将报警区域、光纤配置图等事先输入计算机， 可自动或手动实时显示、打印、存储报警区域、故障性质、温度的传播方向和 受温面积、升温速度和温度分布等并可结合到自动控制和远程控制系统中进 行运行。所以近年来光纤传感器的研制开发和应用倍受关注。 传统的光纤传感罂绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是 测量光强大小，例如直接将通信用光纤用做传感器件。这种情况下光源起伏、 光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。后者的信息读 取是观察干涉条纹的变化，如法布里泊罗( f - p ) 传感器，这就要求干涉条纹 清晰，从而要求两路干涉光的光强相等，使光纤光路的灵活和连接的方便等优 点大打折扣，而且它是一种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个固 9 1 引言 定参考点，这样就给传统光纤传感器的应用带来了难度。利用光纤的布里渊 ( b f i l | o u i n ) 散射测应变，在光纤传感器的研究领域出现较晚，它具有光纤传 感器的所有优点，与f b g 传感器相比，其突出优点在于无需对传感器进行加工， 光纤既用作传输信号，又用于传感，是真正意义上的分布式测量。但由于b o t d r 测的值是一定距离内的平均值，无法精确的定位某一点的确切值；同时，其研 究起步较晚，目前解调仪一布里渊光时域反射计费用昂贵，难以普及。 1 3 光纤b r e g g 光栅传感器的优点 与其它的光纤传感器比较，光纤b r a g g 光栅在传感器领域中的应用近年来 引起了人们极大的兴趣，光纤光栅是近几年来发展最为迅速的光无源器件。1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 首次采用驻波法写入第一根光纤光 栅，1 9 8 7 年，m e l t z g 等人实现了光纤b r a g g 光栅的紫外光侧面写入技术，到 1 9 8 9 年m o r e y 首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤b m g g 光栅传感器受到 了世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。到目前为止， 用于测量多种物理量的光纤光栅传感器已经开发研制出来，能够检测的物理量 包括：应力、应变、温度、位移、电流、电压、磁场、频率、压强、扭角、扭 矩、加速度、浓度、热膨胀系数、振动等。 与其它光纤传感器采用“光强调制”或“干涉法”不同，光纤光栅的传感信号 为波长调制。这一传感机制的好处在于： ( 1 ) 测量信号不受光源起伏、光纤微弯损耗、连接损耗和探测器老化等系统其 它因素的干扰； ( 2 ) 避免了一般干涉型传感器中相对量测量所带来的误差： ( 3 ) 能方便地使用复用技术。一根光纤中串接多个光栅进行分布式测量。 另外，光纤光栅很容易埋入材料中，对其内部的应变和温度进行高分辨率 和大范围地测量，光纤b r a g g 光栅传感器被认为是实现“光纤智能结构，的理想 器件【l ”。光纤光栅不仅具有易于光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高等 特点，而且还很容易在一根光纤中连续制作多个光栅，与时分复用和波分复用 技术相结合，很适于作为分布式传感元件埋八材料和结构内部或贴装在其表面， 对其的温度、压力、应变等实现多点监测。这对于目前国际上热门研究的智能 材料、智能结构有非常重要的意义【1 6 1 。 材料、智能结构有非常重要的意义口6 1 。 四川大学博士学位论文 1 4 光纤b r a g g 光栅传感器的应用 光纤b m g g 光栅早期主要应用在通信领域，作为传感器来使用，其发展和 实用化相对比较缓慢。主要原因是：虽然光纤光栅传感器具有其它许多传感器 无法比拟的优点，光纤光栅的制造成本和可靠性一直制约着它的大规模应用， 并且由于其研究起步较晚，在各方面的应用还有待于开发。随着通信技术的迅 速发展，对光纤b m g g 光栅的需求激剧增加。同时，光纤光栅的制造技术也日 趋成熟和可靠，这些因素促进了光纤光栅的成批生产，使光纤光栅传感器的制 作成本大幅下降，可靠性得到提高，光纤光栅开始走向实用化。光纤光栅传感 器的应用前景十分广阔，已成功地用于航空、航天领域的无损检测。同时，在 化学、工业、电力、水电、船舶、煤矿等领域的应用研究也日益增多。特别是 民用工程领域，目的在于开发可置入混凝土组件和结构中的传感器，应用于建 筑物、桥梁、水坝、容器、公路等内部或表面，测定结构的完整性和内部应变 状态，进而构建智能结构。 近年来光纤光栅传感器应用研究最热门的领域是民用工程的结构监测。现 代水工建筑和土木工程建筑的迅速发展对材料和结构提出了越来越多的要求： 除了传统上对材料强度的基本要求外，同时还希望材料具有自我检测的功能， 以获得材料及结构整体性、环境条件等信息，确定系统的运行状况、可靠性乃 至寿命。 混凝土是现代土建工程中最基本的材料。现代工程结构向轻、薄、细、巧 等方向发展，对混凝土材料的性能要求也越来越高，急需研究探索新的混凝土 材料。然而如何获得混凝土内部应变的信息以及内部应变的分布对宏观性能的 影响，是长期困扰研究者的一大难题。土与其它材料一样，受力后也要产生应 力和变形。在地基土层上建造建筑物，基础将建筑物的载荷传给地基，使地基 中原有的应力状态发生变化，引起地基变形，从而使建筑物产生一定的沉降量 和沉降差。如果应力变化引起的变形量在容许的范围内，则不至于对建筑物的 使用和安全造成危害。但当外载荷在土中引起的应力过大时，则不仅会使建筑 物发生过置沉降，甚至可以使土体发生整体破坏而失去稳定。然而，如何获得 建筑物土基体内部的形变信息以及内部应交的分布对宏观地基性能的影响，也 是急需研究和解决的问题之一。组合结构以及各种复合材料在大型结构中的使 用越来越广泛，由于不同材料之间的变形差，必然会引起材料沿界面的相对滑 1 引言 移或者脱空( 掀起) ，但对于组合结构界面损伤的测量迄今为止尚无有效的测量 方法【5 】。 1 9 8 9 年美国的m e n d e z 等人首先提出了将光纤传感器置入钢筋混凝土结构 和建筑检测中之后，美、英、德、日等国竟相投入大量人物力研究光纤