超長引水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)研究

張俊杰 ，張 鐸 ，周 楷 ，周克明 ，4

（1. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；2. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；3. 遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000；4. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024）

隨著我國水利水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大批的引水隧洞相繼興建，建成的各種水工隧洞總里程約有10 000 km，建設(shè)中的水工隧洞總里程約有 1 000 km，已規(guī)劃尚未開工的水工隧洞總里程超過 2 000 km[1]。隨著地下工程施工技術(shù)的迅猛發(fā)展，引水隧洞也朝著長距離、大斷面方向發(fā)展。2009 年建成的遼寧大伙房輸水隧洞全長達(dá) 85 km，正在建設(shè)中的引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞全長達(dá) 82 km[2]，2013 年建成的錦屏二級水電站 1# 和 2# 引水隧洞開挖直徑達(dá) 12.4～13.0 m[3]。但是，此類超長引水隧洞的建設(shè)，面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜、高地應(yīng)力、高地溫等難題[4]，需在施工過程中及通水前后密切關(guān)注水工建筑物及圍巖的穩(wěn)定性，保證工程安全，因此，做好超長引水隧洞的安全監(jiān)測尤其重要。由于傳統(tǒng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)方式不再適用于此類隧洞工程，為此結(jié)合國內(nèi)某超長引水隧洞（以下簡稱引水隧洞）的工程實(shí)際，對引水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)方式進(jìn)行研究。

1 監(jiān)測儀器選擇

傳統(tǒng)巖土工程安全監(jiān)測儀器的類型主要為差阻式和振弦式 2 類傳感器，2 類傳感器均為電信號式儀器，傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置的連接電纜長度均有限制，一般振弦式儀器的連接電纜僅能達(dá) 1 km 左右[5]，差阻式儀器的連接電纜最遠(yuǎn)能達(dá) 2 km[6]，且2 種儀器均有較高的絕緣要求[7]，顯然不適用于長距離、高水頭的引水隧洞安全監(jiān)測。

研究的某引水隧洞的工程實(shí)際情況如下：全長99 km，洞徑為 7.3 m，設(shè)計(jì)水壓為 0.85 MPa，沿線布置 6 條檢修支洞，并設(shè)檢修豎井和調(diào)壓井，隧洞主洞線布設(shè) 25 個監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面平面布置示意圖如圖 1 所示。隧洞主洞線對 25 個斷面進(jìn)行安全監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目包括內(nèi)外水壓、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、錨桿應(yīng)力等。

結(jié)合工程實(shí)際情況，在引水隧洞工程中，使用426 支布拉格光柵（FBG）傳感器作為安全監(jiān)測儀器。FBG 傳感器是一種新型的無源傳感器，具有不受電磁干擾，傳輸距離長，易構(gòu)建分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，工作原理如圖 2 所示。入射光譜光經(jīng)過布拉格光柵，其中一部分光透射成為透射光，還有一部分滿足公式（1）經(jīng)過布拉格光柵反射：

圖 1 監(jiān)測斷面平面布置示意圖

式中：λB為反射波長；neff為光纖光柵的有效折射率，與光纖自身材質(zhì)有關(guān)；Λ 為人工寫入的光柵柵距，也稱為光柵周期。當(dāng)傳感器發(fā)生應(yīng)變時，光柵周期變化，導(dǎo)致反射波長 λB漂移，在光纖的彈性范圍內(nèi)，反射波長的漂移量 ΔλB與應(yīng)變呈線性相關(guān)，只要根據(jù)波長的漂移量即可得到應(yīng)變的變化量[8]。

圖 2 光纖光柵傳感器原理示意圖

光纖光柵最早由美國的研究人員于 1989 年用于應(yīng)變和溫度傳感，隨后 10 a 內(nèi)成為傳感器領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于土木工程、航空航天、航海等領(lǐng)域[9]。而在巖土工程安全監(jiān)測中，發(fā)展形成了一系列實(shí)用可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的監(jiān)測儀器，例如光纖光柵鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)、測縫計(jì)等等。光纖光柵儀器由于無絕緣要求、信號傳輸距離長等特點(diǎn)，是目前最適合用于高水頭、長距離引水隧洞的安全監(jiān)測儀器。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)

2.1 監(jiān)測斷面內(nèi)儀器組網(wǎng)

引水隧洞工程在主洞線布設(shè) 25 個監(jiān)測斷面，本研究選取其中 G07和 G182 個斷面進(jìn)行監(jiān)測儀器的組網(wǎng)分析。G07斷面埋設(shè)有 8 支 FBG 鋼筋計(jì)、4 支FBG 應(yīng)變計(jì)、1 支 FBG 無應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測隧洞襯砌的鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變。G07斷面監(jiān)測儀器布置如圖 3 所示。

圖 3 G07 監(jiān)測斷面儀器布置圖

G07斷面布置的每支 FBG 儀器均為兩端出纜，可將該斷面的所有儀器按圖 4 方式進(jìn)行串聯(lián)組網(wǎng)。

當(dāng)使用光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，只需將同一串聯(lián)回路中的某一端光纖接入解調(diào)儀即可讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)串聯(lián)回路中某一處出現(xiàn)斷點(diǎn)時，可以將另一端光纖也接入解調(diào)儀，即可讀取到斷點(diǎn)位置之后的監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，所以當(dāng) FBG 傳感器進(jìn)行串聯(lián)組網(wǎng)時，即使串聯(lián)回路中出現(xiàn) 1 個斷點(diǎn)，也能將該回路中所有的傳感器數(shù)據(jù)傳輸至解調(diào)儀。

而某些 FBG 儀器由于儀器結(jié)構(gòu)及封裝技術(shù)的原因，只能單端出纜，例如 FBG 滲壓計(jì)、水位計(jì)等。引水隧洞工程中，G18斷面埋設(shè)有 5 支 FBG 滲壓計(jì)，用于監(jiān)測隧洞內(nèi)水壓力，G18斷面監(jiān)測儀器布置如圖 5 所示。

G18斷面內(nèi)的 FBG 滲壓計(jì)均為單端出纜，無法與其他儀器進(jìn)行串聯(lián)，對此，可以通過光纖分支器對 FBG 滲壓計(jì)進(jìn)行并聯(lián)組網(wǎng)，并聯(lián)組網(wǎng)示意圖如圖6 所示。

圖 4 G07 監(jiān)測斷面內(nèi)儀器串聯(lián)示意圖

圖 5 G18 監(jiān)測斷面儀器布置圖

圖 6 G18 監(jiān)測斷面內(nèi)儀器并聯(lián)示意圖

圖 7 監(jiān)測斷面間組網(wǎng)示意圖

一般光纖分支器型號為 1 分 2，1 分 4，1 分 8等，通過光纖分支器，1 芯主干光纜最多可并聯(lián) 8 支傳感器。

通過儀器的串聯(lián)和并聯(lián)，可以將同一斷面內(nèi)的所有儀器進(jìn)行組網(wǎng)，再接入主干光纜，一般可以將主干光纜的芯數(shù)控制在 8 芯以內(nèi)。監(jiān)測斷面內(nèi)的儀器組網(wǎng)不僅可以減少主干光纜的芯數(shù)，也可以減少光纖光柵解調(diào)儀的通道數(shù)量，極大地減少工程成本。

2.2 隧洞內(nèi)監(jiān)測斷面間組網(wǎng)

引水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)會在主洞線設(shè)置眾多監(jiān)測斷面，一般根據(jù)隧洞巖層地質(zhì)情況選取典型、重點(diǎn)斷面進(jìn)行安全監(jiān)測。所設(shè)的各個監(jiān)測斷面間隔不等，近則幾百 m，遠(yuǎn)則幾千 m，對于隧洞內(nèi)眾多的監(jiān)測斷面，可以通過主干光纜進(jìn)行連接組網(wǎng)。

引水隧洞在主洞樁號主 38 + 000、主 40 + 425、主 41 + 100（km + m）位置分別對應(yīng)設(shè)立 G19，G20，G213 個安全監(jiān)測斷面。其中 G19斷面通過 5 支FBG 滲壓計(jì)監(jiān)測內(nèi)水壓力，G20，G21斷面各通過 6 支FBG 滲壓計(jì)監(jiān)測外水壓力。根據(jù)工程實(shí)際情況，本研究采用 1 根 8 芯主干光纜對這 3 個監(jiān)測斷面進(jìn)行組網(wǎng)連接，組網(wǎng)示意圖如圖 7 所示。

在監(jiān)測斷面間的組網(wǎng)過程中，主干光纜作為信號傳輸?shù)妮d體，光學(xué)性能十分重要。在工程中，通常選用 G.652D 光纖作為光纖光柵儀器的通信光纜。G.652D 光纖在波長為 1 550 nm 處衰減最小，約為0.25 dB/km[10]。因此，大多數(shù)光纖光柵儀器的反射波長設(shè)定在 1 550 nm 附近，以最大限度地減少光損。

在傳統(tǒng)的振弦式及差阻式傳感器使用中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制連接電纜的長度，過長的連接電纜必然導(dǎo)致所測電阻值偏大，會減弱電信號傳輸強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)際，當(dāng)連接電纜的長度超過 2 km 時，會增大傳感器的測值誤差，甚至導(dǎo)致傳感器失效。在光纖光柵傳感器的使用中，反射波長的漂移量是反映被監(jiān)測體變化的唯一依據(jù)，而主干光纜的接入是否會對光纖光柵儀器反射波長的解調(diào)造成影響，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)選取 5 支不同類型的光纖光柵傳感器，其中傳感器 01 為光纖光柵鋼筋計(jì)（量程為 300 MPa），傳感器 0 2 和 0 3 為光纖光柵滲壓計(jì)（量程為1.0 MPa），傳感器 04 和 05 為光纖光柵應(yīng)變計(jì)（量程為 ± 1 500 με），將這 5 支傳感器接入不同長度的G.652D 單模光纖，對接入光纖前后傳感器的反射波長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1 所示。并對變化的波長值進(jìn)行物理量計(jì)算，得到波長變化引起的物理量測值變化，計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。

表 1 傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表 2 傳感器物理量測值統(tǒng)計(jì)表

從表 2 數(shù)據(jù)可以看出：接入光纖長度在 6.6 km以內(nèi)時，傳感器 01 的鋼筋應(yīng)力未發(fā)生變化，當(dāng)接入 10.0 km 光纖時，鋼筋應(yīng)力數(shù)據(jù)略有變化；傳感器 02 和 03 在接入光纖后水壓數(shù)據(jù)略有變化，考慮到環(huán)境溫度變化，接入光纖后溫度數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定；傳感器 04 和 05 在接入光纖后，應(yīng)變數(shù)據(jù)均略有變化；所有儀器的數(shù)據(jù)變化范圍，均在其滿量程的 2‰以內(nèi)。

規(guī)范 DL/T 1736—2017《光纖光柵儀器基本技術(shù)條件》[11]中規(guī)定，光纖光柵儀器綜合誤差應(yīng)不大于滿量程的 2%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析，在10.0 km 以內(nèi)，光纖長度對于光纖光柵傳感器的物理量測值基本沒有影響，測值誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。在國內(nèi)有關(guān)光纖光柵傳感器相關(guān)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光損達(dá)到 6 dB 時，解調(diào)器便無法正常讀取傳感器的反射波長。按照 G.652D 單模光纖 0.25 dB/km 的光損計(jì)算，信號傳輸光纜理論上可達(dá)到的最大長度為24.0 km，該長度可滿足絕大多數(shù)長距離引水隧洞的安全監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)需要。

2.3 隧洞外數(shù)據(jù)采集站間組網(wǎng)

主干光纜在隧洞內(nèi)對監(jiān)測斷面進(jìn)行連接組網(wǎng)后，被敷設(shè)牽引至隧洞外的自動化數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集和上報(bào)。超長引水隧洞在地理空間上跨度大，沿線地形地貌復(fù)雜，需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇合適的組網(wǎng)方式，將監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至數(shù)據(jù)管理中心。

引水隧洞在洞外布置了 11 個數(shù)據(jù)采集站，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用接入主干公網(wǎng)和 GPRS 無線傳輸2 種通信方式。

對于附近有主干公網(wǎng)經(jīng)過的數(shù)據(jù)采集站，可以采用接入主干公網(wǎng)的方式進(jìn)行采集站的通信組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)是傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)[12]。具體組網(wǎng)方案為，光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，然后通過交換機(jī)接入主干公網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行整編，最后通過管理工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示。

在引水隧洞工程中，11 個數(shù)據(jù)采集站有 3 個采用接入主干公網(wǎng)的通信組網(wǎng)方式，其余 8 個數(shù)據(jù)采集站均采用 GPRS 無線通信方式。

由于超長引水隧洞數(shù)據(jù)采集站空間分布廣，很多都布置在沒有主干公網(wǎng)經(jīng)過的位置，因此 GPRS無線通信成為主要的組網(wǎng)方式，組網(wǎng)示意圖如圖 8所示。

圖 8 數(shù)據(jù)采集站 GPRS 組網(wǎng)示意圖

通信組網(wǎng)進(jìn)程如下：首先由 FBG 解調(diào)儀負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集；其次通過 RS-232/485 接口將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到 GPRS/CDMA 模塊（DTU）；然后由DTU 模塊通過以太網(wǎng)協(xié)議（TCP 或 UDP）連接到業(yè)主服務(wù)器的協(xié)議處理程序；接著在協(xié)議處理程序?qū)?shù)據(jù)包解析后，將有效數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫；最后客戶管理終端通過以太網(wǎng)協(xié)議連接業(yè)主服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，進(jìn)行二次分析和展示。

GPRS 無線組網(wǎng)方式具有接入方式靈活，建設(shè)速度快，便捷高效，投入小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在信號不穩(wěn)定，易受干擾等缺點(diǎn)。在工程運(yùn)用中，需要在制定 GPRS 通信方案前，實(shí)地考察采集站現(xiàn)地的運(yùn)營商數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)弱，保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。

3 結(jié)語

結(jié)合相關(guān)工程實(shí)際，研究了光纖技術(shù)在高水頭、大埋深、長距離的引水隧洞工程安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用；分析了光纖光柵儀器相較于傳統(tǒng)電測式儀器的優(yōu)勢，提出運(yùn)用光纖光柵儀器串并聯(lián)組網(wǎng)降低工程成本的方案。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通信光纜的接入并不會影響反射波長的解調(diào)，波長信號的傳輸距離滿足絕大多數(shù)工程需要，建議隧洞外采集站間的數(shù)據(jù)傳輸通過接入主干公網(wǎng)或 GPRS 無線傳輸 2 種組網(wǎng)方式進(jìn)行，因地制宜，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳可靠性的同時降低施工成本。本研究提出的整套超長引水隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)方案合理可行，可為類似引水隧洞工程的安全監(jiān)測工作提供參考。但由于超長引水隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)長線路、多層次、廣領(lǐng)域的特點(diǎn)，組網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生局部故障的幾率也相對較大，對于組網(wǎng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的故障及失效風(fēng)險(xiǎn)值得進(jìn)一步深入研究。