1、第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,肖丽红基于分布式光纤传感技术的堆石坝内部变形监测J水利科学与寒区工程,():基于分布式光纤传感技术的堆石坝内部变形监测肖丽红(江西省建洪工程监理咨询有限公司,江西 南昌 )摘要:为了更好地监测坝体内部变形,提出分布式光纤传感监测技术,对比光纤安装方式不同时的监测效果.结果表明:不同光纤安装方式所得水平位移变化趋势基本相同,有明显的一致性,测得的大坝水平位移的误差仅处于毫米级,均表现出较好的监测
2、效果.分布式光纤传感技术在堆石坝内部变形监测应用效果较好,可根据工程实际情况来灵活选择光纤安装方式.关键词:面板堆石坝;坝体内部变形;分布式光纤传感技术;沉降值中图分类号:T V ;T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:肖丽红(),女,江西进贤人,工程师,主要从事水利工程技术与管理、设计咨询、水利信息化工作.E m a i l:q q c o m.工程概况面板堆石坝坝顶高程 m,内部设有个监测断面来监测坝体的内部变形.主监测面依次在 m、m、m、m,以 及 m高程处布设水平位移计和水管式沉降计,对坝体内部变形进行分层监测.分布式光纤传感监测系统布设在主监测断面的 m高程处,与
3、此处的水平位移计和沉降计相对应,如图所示.图分布式光纤布置位置 安装监测系统引张线水平位移计、水管式沉降计和分布式光纤传感内部变形监测系统三者同步施工安装.其中分布式光纤传感内部变形监测系统选择 a型工字钢为辅助测量变形的结构,以达到堆石体内部和辅助测量结构的协同变形.在 a型工字钢的上、下翼缘内表面贴上传感光纤,保护其不受到破坏,具体见图(a).选择分镀锌钢管来保护水平位移监测系统中的传感光纤,并通过定制接头来对钢管接头部位进行连接,具体见图(b),以此完成对堆石体内部分布式水平位移的测量和计算.为了对比将传感光纤直接铺设在仪器保护砂层中,在保护砂层直接铺设一组互相平行的传感光纤,铺设时提前
4、在保护砂层中进行开槽,开槽深度为 c m,布设时要张紧拉直传感光纤,将其置于槽底后填入细砂并压实.除此之外,根据沿光纤安置方向 a型工字钢上、下表面的累计微变形对水平位移进行计算,并和前两种水平位移监测结果进行对比,探究其监测精度和监测方式的可行性.大坝于 年 月施工至安装高程,根据水管式沉降计管路安装要求进行埋设沟的开挖、坡度的放坡、沟内砂层和回填料的回填,压实整平后安装砂层传感光纤和水管式沉降计管路系统,图布设固定传感光纤的方式同时对保护砂层进行分层回填和压实.按设计要求分层回填保护砂层、细料层并分层压实;当施工至引张线水平位移计安装高程时,依次进行管路保护和仪器安装沟槽的开挖、砂层和垫层
5、料的回填压实,整平后安装锚固板、保护钢管、水平位移计钢丝等,同时铺设水平位移和内部沉降的光纤传感监测系统.计算变形和分析监测结果 计算坝体内部沉降的方法以 材料力学 构件受弯变形理论为基础,并结合相关研究成果来计算用于监测沉降值的工字钢分布式光纤的变形,此方法可以很好地反映构件受弯情况下的受力特点,对变形方向上应变值进行拟合计算,经过积分能够获取顺光纤安装方向上挠度分布,如式()所示:yD(x)(x)(x)YdxdxCxC()式中:yD(x)为沿着光纤安装方向的挠度分布函数;(x)和(x)分别为两条测量光纤的应变拟合函数;Y为两光纤之间距离,m;C和C为常数参数,根据挠度曲线边界条件来确定;x
6、为起始点的距离,m.计算坝体内部水平位移的方法根据分布式光纤获取的应变计算出安装方向上的累计变形,从而得出水平方向上的位移量,具体计算如式():S(x)x/xiix()式中:S(x)为大坝在水平方向的位移分布函数;x为测量的空间分辨率;为应变在第i微段的值.分析监测结果为了对比,分析了堆石坝内部水平位移受种光纤监测安装方法的影响程度,经过一年的监测,将三种监测方法所得结果绘制成图,具体见图.从图中能够看出,三种安装方法所得水平位移变化趋势基本相同.表为各测量方式在测量总长度 m m(总长 m)上监测结果的对比值.图三类光纤安装方式获取的沿断面水平位移分布情况表三类光纤安装方式测量结果比对情况m
7、m时间对比对象平均差值最大差值月 日工字钢砂中 工字钢钢管 月 日工字钢砂中 工字钢钢管 从表中能够得出,在 m的测量总长度内,间距个月所测得的大坝水平位移的误差仅处于毫米级,mm为最大差值均值,差值峰值仅达到 mm,这表示三类安装方式都能很好地对大坝的水平位移进行监测.所以可参考工程条件来选择合适的光纤安装方式.当在同一监测面内水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷同时对水平位移和沉降进行测量时,采取工字钢为辅助结构辅助光纤的安装,以完成监测工作.当安装环境较好且光纤基本不会受到损坏时,采取开槽设置保护砂层的方式来安装光纤,以此进行水平位移监测.根据不同的工程条件来灵活选择光纤安装方式,不仅
8、能够正常开展监测工作,还能够在很大程度上降低辅助结构成本.经过对比发现三类光纤安装方式在监测堆石坝内部水平位移时有明显的一致性.本大坝的最大监测断面所用的光纤安装方式为 a型工字钢辅助布设,选择此方式的监测结果来对大坝内部水平 位 移 的 变 化 趋 势 进 行 分 析.如 图所 示 为 m高程处主监测断面坝体内部水平位移的变化趋势以及沿断面的分布情况.图沿断面水平位移变化趋势监测结果显示库盆填筑体和主监测面坝体水平位移方向均指向下游,坝体水平位移的分布情况和施工期面板堆石坝坝体位移分布情况有所差异.造成此现象的原因是库盆回填堆石体布满库区上游,抑制了坝体朝向上游的水平位移,并且坝基面朝向下游
9、并存在一定的倾斜,导致大坝填筑体受到较大的上部荷载,迫使其朝向下游方向移动.从图中还能看出,坝体整体水平位移呈现出先减小后增大的趋势,在 m桩号部位发生转折,并且 m范围内坝体水平位移提高速度最快.除此之外,在大坝轴线部位 m范围内水平位移增长速度也较快,形成了长约 m的水平位移快速增长区域.对上述现象进行分析,能够判断出大坝水平位移出现第一次增长的原因是受到库区上游库盆回填堆石体的作用导致的,第二次快速增长是受到大量上部填筑荷载导致的.对于坝体内部的沉降,根据相关沉降计算方法对光纤测出的 a型工字钢上、下缘内表面应变差值进行计算 ,能够获取主监测断面坝体内部沉降变化趋势,并将其和水管式沉降计
10、监测所得结果进行对比,具体见图.图沿断面沉降量变化趋势从图中能够看出,主监测断面坝体内部沉降在库盆填筑体处最大,达到 mm;坝体主堆石区沉降相对较小,约为 mm;另外下游次堆石区沉降值也略大,达到 mm.整体来看坝体沉降值较小,表示大坝填筑质量较好,压实度高,所用堆石材料有很好的抗压性能,大坝整体质量较高.将分布式光纤监测所得大坝沉降结果和水管式沉降计所得的监测结果进行比较,发现两者对应点位差值仅为厘米级,具体结果见表.从表中能够看出,在各点位中,两者平均误差均不超过 mm,表示分布式光纤监测系统能够很好地 对 坝 体 内 部 的 沉 降 进 行 监 测,且 精 度较高.分布式光纤监测技术优缺
11、点根据分布式光纤传感技术在高面板堆石坝内部变形监测的应用分析,得出此技术有着监测距离长、能够实现分布式监测的优点.由于受到光纤变形计算原理的限制,需要获取光纤两端部的变形值,在测量和安装时要对边界条件进行考虑,在铺设光纤时要对其做保护处理,避免光纤受到破坏.第期肖丽红基于分布式光纤传感技术的堆石坝内部变形监测表分布式光纤监测结果与水管式沉降计监测结果的差值mm桩号点位 m m m m m m m m m m m m m 结论经对比分析坝体沉降量和水平位移监测过程中分布式光纤传感技术的应用效果,并根据监测结果对大坝变形趋势进行分析,结果显示大坝填筑质量较好,压实度高,并且所用堆石材料有很好地抗压性能,大坝整体质量较高.三种光纤安装方法所得水平位移变化趋势基本相同,都能很好地对大坝的水平位移进行监测.此技术有着监测距离长、能够实现分布式监测的优点,可应用于大坝质量监测控制,但受到光纤变形计算原理的限制,需要获取光纤两端部的变形值,建议在测量和安装时对边界条件进行考虑,在铺设光纤时做保护处理,避免光纤受到破坏.参考文献:贾金生,郦能惠高混凝土面板堆石坝安全关键技术研究M北京:中国水利水电出版社,郦能惠中国高混凝土面板堆石坝性状监测及启示J岩土工程学报,():张峰,付洁,陈国元富水水库大坝变形监测与安全性分析J中国水能及电气化,():,水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷
