基于光纖光柵傳感(FBG)原理的壩體安全傳感系統(tǒng)在崗南水庫壩體穩(wěn)定性研究的可行性分析VIP

1、基于光纖光柵傳感(FBG)原理的壩體安全傳感系統(tǒng)在崗南水庫壩體穩(wěn)定性研究的可行性分析 結構的健康監(jiān)測是指應用無損傳感技術獲取結構的損傷和退化等信息, 并在此基礎上確定損傷的位置, 評估損傷的程度, 進而預報結構的剩余壽命。傳感器網(wǎng)絡是結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分, 對于土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng), 傳感器不僅應能適應建筑施工粗放性特點, 還應能夠長期穩(wěn)定可靠地工作。隨著智能復合材料研究工作的深入開展, 光纖傳感器顯示出的小巧、柔軟、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點以及在結構服役期工作狀態(tài)監(jiān)測、安全評估等方面的潛力, 使其研究和應用逐漸擴展到土木工程結構健康監(jiān)測領域。 光纖光柵傳感技術在我國發(fā)展很快,

2、 已經(jīng)在橋梁、土建等多個領域中得到了應用, 但在水工領域的應用還很少。很有必要探索該項技術在水工領域應用的可行性， 開展光纖光柵應變、溫度傳感器在水下工程領域中較大規(guī)模的應用研究。參考已有的相關研究結果表明: FBG(光纖光柵) 傳感器具有很好的防水性能, 測試精度高, 長期穩(wěn)定性好, 信號傳輸距離遠, 為水下結構的長期監(jiān)測提供了一種可靠有效的手段。 近年來, 光纖光柵傳感技術發(fā)展很快。在我國, 從2000年開始, 陸續(xù)見到光纖光柵傳感技術應用的報道. 目前主要用在橋梁、結構加固、預應力錨固等工程領域。由于它的諸多優(yōu)點, 隨著技術的日益成熟和成本下降, 已經(jīng)開始在更多的領域推廣應用. 例如:

3、在水工領域, 由于FBG 傳感器具有很好的防水性能, 它優(yōu)良的傳感性能在水下不受影響。而傳統(tǒng)的電類信號傳感器無法滿足對水下工程結構長期監(jiān)測的需要。 一、FBG 傳感原理 FBG 傳感的基本原理是: 當光柵周圍的溫度、應變、應力或其它待測物理量發(fā)生變化時, 將導致光柵周期或纖芯折射率的變化, 從而產(chǎn)生光柵FBG 信號的波長位移, 通過監(jiān)測波長位移情況, 即可獲得待測物理量的變化情況. FBG 傳感原理 二、國內(nèi)外光纖光柵傳感技術在橋梁以及水利工程結構健康監(jiān)測中的應用 1989年, 美國布朗大學的Mendez 等人首次提出將光纖傳感器埋入橋梁鋼筋混凝土中監(jiān)測結構內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù), 此后, 美國、加拿

4、大、英國、德國、日本的眾多學者也將目光投向這一領域, 并開展了廣泛而深入地研究。鋼筋混凝土是土木工程領域應用最為廣泛的材料, 通過對鋼筋混凝土內(nèi)部應力、應變的監(jiān)測, 能夠獲得構件的強度儲備信息以及構件所受實際載荷狀況, 所以應力、應變監(jiān)測成為光纖傳感器在土木工程結構健康監(jiān)測中最主要的應用。 1992 年Rutger 大學的Prohaska 等人首次將光纖光柵埋入到混凝土結構中測量應變, 將最初應用于航空、航天領域的光纖光柵傳感技術實際引入到橋梁工程中, 這之后相關實驗的實驗研究很快就拓展到實際的各種大型工程結構。 1993 年, 加拿大科學家也將光纖布拉格光柵傳感器應用于橋梁結構, Toron

5、to 大學的學者們把光纖光柵埋入了分別由復合材料、鋼筋加強的大梁內(nèi)測量內(nèi)部應變, 并利用光柵測得的數(shù)據(jù)比較新材料( 碳纖維復合材料) 同傳統(tǒng)材料( 鋼材) 的工作性能。Davi、.M等人在美國新墨西哥州一座州際大橋上應用布拉格光柵傳感器進行在線監(jiān)測, 確定大橋受交通荷載作用時的應變水平和頻率響應, 系統(tǒng)通過分析傳感器探測到的資料可以確定交通車輛的數(shù)量和相對重量, 同時還能確定整個大橋的頻率響應料對大橋進行維修和補強的可行性以及復合材料長期的工作性能。 進入二十世紀后，國內(nèi)先后有四川大學、河海大學，長江水利委員設計院、黃三峽建設總公司等科研院所和建設單位對光柵傳感技術在水利工程中的應用進行了深入

6、研究，其研究成果已經(jīng)在三峽大壩建設、黃河大壩可視化安全監(jiān)測系統(tǒng)、深圳市茜坑水庫土壩滲流自動監(jiān)測、四川省冶勒大壩心墻基座裂縫監(jiān)測中進行了不同范圍、不同目的的應用，均取得了良好的效果。 三、安裝及工藝工程 其主要過程如下: a. 打磨. 為了保證傳感器與被測結構(如鋼筋) 充分接觸, 避免因FBG 傳感器基底彎曲導致傳感誤差, 應首先用打磨機對待測鋼筋表面進行拋光, 然后用砂紙打磨, 使待測表面平整而又有一定的粗糙度; b. 清洗. 用脫脂棉球沾丙酮將打磨處擦洗干凈, 同時對FBG 傳感器基底粘接面清洗, 避免粉塵、油污對表面的污染; c 粘貼. 傳感器沿著待測應變方向縱向布置,采用相應的粘合劑將

7、傳感器與待測結構平整粘貼, 然后用電容放電式脈沖點焊機在傳感器的焊接端進行點焊. d. 用704膠進行密封保護, 固化后, 再用防水瀝青保護; 對于混凝土計, 只需用小扎絲在傳感器兩端將其固定在鋼筋計的附近鋼筋上; e. 光纖B ragg 光柵傳感器保護. 鋼筋混凝土的施工過程屬于粗放式作業(yè), 保護好傳感器, 以免澆注、振搗和壓模等過程導致的沖擊損壞, 是光纖光柵傳感器成功應用的關鍵. 對于粘貼式FBG 傳感器, 在安裝后, 采用硅膠704、防水瀝青密封、紗布包裹等進行防水緩沖保護; 光纖光柵混凝土內(nèi)部應變傳感器直接綁扎在鋼筋上, 無須保護. f. 傳感器光纜的鋪設, 為了提高檢測的效率,最終

8、實現(xiàn)自動化測量和橋梁的長期健康監(jiān)測, 充分發(fā)揮光纖光柵分布傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢, 將多個應變傳感器、溫度傳感器串接, 形成傳感網(wǎng)絡, 構成光纖光柵橋梁監(jiān)測系統(tǒng), 因此, 傳感器光纜的鋪設是十分重要, 通過上述的布設工藝, 將傳感器光纜沿著鋼筋的走向布置, 保證光纜鋪設不受澆注、振搗和壓模等過程的直接沖擊. 采用上述的布設工藝, 施工結束后, 檢查傳感器的存活情況, 一般來說，布設的FBG 傳感器應能夠全部存活, 說明上述安裝保護工藝合理, FBG傳感器在這種惡劣的環(huán)境下成活率可以滿足工程要求. 四、崗南水庫利用FBG(光纖光柵傳感)原理的壩體安全傳感系統(tǒng)的可行性 目前，崗南水庫除險加固工作已經(jīng)完成。

9、在處理水庫大壩的病險工程中，累計在原壩基及壩體上又填筑了110萬方砂石料。觀測項目包括：垂直位移、水平位移、壩體浸潤線、壩基滲壓、繞壩滲流、滲流量、揚壓力。水庫大壩共設有139個垂直位移觀測標點，測量儀器采用蔡司002水準儀及銦鋼尺進行。主壩設有22個水平位移標點，新副壩設有4個水平位移標點，均采用GPS進行觀測。新增溢洪道設有9個水平位移標點，采用T3經(jīng)緯儀用視準線法進行觀測。測壓管180孔，其中主壩采用自動化監(jiān)測，設有29個滲壓計，副壩采用自制電測水位器法。 隨著現(xiàn)代水利水電技術的發(fā)展，人們對大壩安全監(jiān)測越來越重視，大壩安全監(jiān)測的項目有很多，主要有滲流、變形、應力、應變及溫度、壓力等，傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器自身有著一些無法克服的弱點，如抗電磁干擾能力較差，在強電磁干擾環(huán)境里或雷電發(fā)生的時候易受電磁干擾而不能正常工作等等。因此，引進能夠對壩體結構的健康狀況進行自動診斷、監(jiān)測智能監(jiān)測系統(tǒng)已迫在眉捷。以光纖和光纖光