基于OTDR的混凝土面板堆石坝面板接缝变形监测方法研究

发布时间：2020-07-08 17:57

【摘要】：混凝土面板堆石坝作为一种现代坝型,具有取材便捷、造价低、工期短、工艺简单、安全可靠、适应性强等优点,经过多年的科学研究和施工实践其技术已经日趋成熟,呈现活跃、迅速的发展态势。近些年,一批混凝土面板堆石坝在雅鲁藏布江、大渡河、雅砻江、金沙江等西南地区的河流上的相继开发。随之而来的混凝土面板堆石坝的安全稳定问题也日益突出。由于混凝土面板堆石坝面板出现严重裂缝、面板间接缝位移过大等问题引发的安全事故时有发生。因此,针对混凝土面板堆石坝特点,通过实验,研究光纤-裂缝位移以及光纤-脱空位移的传感机理,探索面板坝接缝位移和面板脱空位移的监测技术,对及时掌握面板坝安全性态,确保面板坝安全具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在分析传统的光纤弯曲损耗传感原理的基础上,通过对光纤传感技术的结构设计、理论推导并结合实验等手段,对基于光时域反射仪(OTDR)的混凝土面板堆石坝接缝变形监测方法进行了研究,主要研究内容:(1)阐述了单模光纤(G652D)的结构特性、传统光纤弯曲损耗位移传感机理;提出了一种线性大量程的光纤弯曲损耗位移传感原理,从理论上证明了该原理的可行性并进行了实验验证;通过实验数据拟合了 G652D单模光纤在光源工作波长为1310nm以及1550nm下光纤弯曲半径与单位长度光纤弯曲损耗的经验公式,提高了该传感原理的实用性。(2)基于线性大量程光纤弯曲损耗原理设计了两种接缝变形监测的传感器,通过理论推导得出了传感器的位移计算公式,并与实验室标定出的传感器位移计算公式进行了对比验证；通过有机玻璃板模拟面板接缝位移的方法对传感器各项性能指标进行了测试分析,并与常规位移传感器的性能进行了对比,证明了该两种传感器的可行性。(3)阐述了传统的基于OTDR原理的分布式光纤监测方法,分析了基于传统OTDR分布式监测方法中的不足的原因,提出了研究了基于OTDR的面板接缝变形准分布式监测方法,通过采用本文研制的两种传感器进行实验验证了该方法的可行性;研究了准分布式监测系统中过渡光纤对传感器监测精度的影响,得出了满足测量要求的过渡光纤的最小长度;通过理论分析得出了该监测方法中传感器最大布置数量,并通过串联光纤弯曲损耗环的实验进行了验证。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV641.43;TV698.11
【图文】：

布置图,水布垭,安全监测,面板堆石坝

表 1-3 国内混凝土面板堆石坝接缝位移监测仪器数量统计Table 1-3 Monitoring and layout of joint displacement of China high concrete face rockfill dam andquantity of monitoring instruments坝名坝高 H/m面板垂直缝监测周边缝位移监测点数断面数测点总数水布娅 233 15 30 13猴子岩 223.5 7 24 20三板溪 185.5 7 20 12洪家渡 179.5 16 10天生桥一级 178 26 12吉林台一级 157 9 35 11公伯峡 132.2 5 27 组 2 向 17 组 3 向图 1-1 为水布垭混凝土面板堆石坝安全监测布置图[15]。由图 1-1 可知，水布垭混凝土面板堆石坝在垂直缝布置了单向测缝计；在河床部位面板、面板与防浪墙、趾板间布置了二向测缝计；周边缝布置了三向测缝计。

测缝计,结构示意图

坝安全的误判。因此，针对对混凝土面板堆石坝面板的门的传感器，正确施工安装，并进行实时监测控制，凝土面板堆石坝面板接缝变形到达一定限值时候，及，可以有效减小结构失事发生的概率。现状接缝变形监测的现状凝土面板坝面板接缝变形监测的传感器主要分为差阻缝计三大类[17]。位移传感器感器属于较为传统的监测仪器，其基本结构如图 1-2：差动电阻式仪器采用了两根钢丝，经过预拉张紧交缘瓷子上，形成内外两圈。拉力的大小由仪器的最大到外界的拉、压变形时，一根钢丝受拉，电阻增加，

振弦式,裂缝,结构示意图,振弦

动电阻仪器的电缆影响及长距离测量[19]。（2）振弦式位移传感器振弦式位移传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式位移传感器[20]。当结构物发生变形时将会带动测缝计沿轴向产生拉力（压力）变化，通过前、后端座给振弦使其产生应力变化，使振弦的振动频率改变。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率信号经观测电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量[21]，同时可同量埋设点的温度值。图 1-3 为基康公司生产的 BGK4420 型振弦式裂缝计结构示意图，是目前常用于面板接缝的传感器。该传感器主要由一个振弦式感应元件构成，该元件连接有一个经理、消除应力的弹簧，弹簧两端分别与钢弦、连接杆相连[22]。该传感器封装后可在（1.7MPa，特殊要求可定制）的压力下操作。当拉杆从传感器壳体拉出，弹簧被拉起张力增加并被振弦感应元件感知。由于振弦上的张力与拉伸成比，因此通过振弦读测出的应力变化来测量接缝的开合度。

【参考文献】