AH-FBG水流流速传感器研制与试验研究

为了解决当前水流流速传感器易受电磁干扰、集成困难的问题,基于主动加热光纤布拉格光栅(AH-FBG)技术和热对流原理,研制了一种能够用于水流流速测量及流向初步识别的AH-FBG传感器.通过室内试验探究了该传感器用于水流流速测量和流向初步识别的可行性,以及加热功率对测量结果的影响.研究结果表明:AH-FBG传感器中6个光纤布拉格光栅(FBG)的温度特征值均与水流流速呈负相关关系,温度特征值与水流流速标定公式的拟合度高达0.98,可用于水流流速计算;传感器外部2组FBG可用于初步识别水流方向,利用每组中的具有较小温度特征值的FBG识别潜在迎水区,2个潜在迎水区的交集范围即为实际流向的范围;温度特征值增量与加热功率呈线性正相关关系,在一定范围内提高加热功率能够增强AH-FBG传感器对水流速度测量和流向识别的灵敏性.

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆之间的耦合性,是决定分布式光纤感测（DFOS）技术能否利用一个钻孔精细化监测钻孔地层剖面变形分布的关键。利用自主研制的可控围压光缆–土体相互作用特性试验装置,探究了0～1.6MPa围压下传感光缆与松填砂土以及击实砂–黏混合土之间的耦合性。试验与理论分析结果表明：在拉拔状态下,光缆–土体界面呈现渐进性破坏特征;在低围压下,光缆轴向应变随拉拔位移的增大而增大,且不断向光缆尾部传递;在高围压下,应变的扩展与传递被限制在很小的范围内;理想弹–塑性拉拔模型可较好地描述光缆–土体界面的渐进性破坏特性。提出采用光缆–土体耦合系数ζc–s定量描述光缆与土体之间的耦合性,将10000με下的ζc–s值作为评价长期监测条件下两者耦合性的指标,并根据0.5,0.75,0.9三个ζc–s值将两者的耦合性分为强、较强、较弱以及弱4类。一定围压下,光缆与土体具有强耦合性;对于松填砂土与击实砂–黏混合土,该临界围压值分别为0.55 MPa与0.17 MPa。以苏州盛泽地面沉降为例,分析了钻孔回填料与传感光缆之间的耦合性,结果表明：距地表约16 m深度以内两者具有较强耦合性;而约16m深度以下两者具有强耦合性,传感光缆的应变数据可准确反映地层的变形。这一研究成果为DFOS技术应用于钻孔剖面地面沉降监测提供了坚实的理论依据。

基于BOTDR与FBG的地裂缝定点分布式光纤传感监测技术研究

地裂缝监测是科学防治和有效治理地裂缝灾害必不可少的工作之一。本文结合现场工程实例,将基于BOTDR和FBG的定点分布式光纤传感监测技术应用于裂缝监测领域,详细介绍了BOTDR和FBG定点分布式感测原理,对感测光缆进行了室内标定试验,并以江阴市地裂缝为监测点进行了现场测试试验。结果表明:基于BOTDR与FBG的定点分布式光纤传感技术可有效捕捉到分布于2个定点间地裂缝的发生和发展过程;能有效的对已发育地裂缝进行监测,并能较好地预测潜在的地裂缝发育趋势,该技术稳定性好,测量精度可以达到0.15mm;通过网络化铺设方式加强地裂缝活跃区域的监测,提高地裂缝监测的密度,因此该技术在地裂缝监测领域有着较好的应用前景,对防治该类型地质灾害具有很好的现实意义。

微型FBG湿度传感器研发与试验研究

随着人们对环境湿度测量要求的不断提高,湿度传感测量技术也在不断创新。在总结现有湿度测量技术优劣和社会需求的基础上,提出了一种基于光纤布拉格光栅技术的蒸发式湿度测试方法。根据蒸发式湿度测量原理,自主设计出一种微型FBG湿度传感器。经过对比测试表明,该湿度传感器测得的湿度值与干湿球湿度计、电子式湿度计测量值之间的绝对误差分别为0.02%RH^4.87%RH、0.13%RH^2.29%RH,相对误差分别为0.03%~9.71%、0.25%~2.58%,比例系数分别为1.004 1、1.007 7,与两者结果基本一致。经过一周的环境湿度实测试验,表明该FBG湿度传感器测试结果准确,所测湿度变化趋势与环境天气变化完全吻合。该方法综合了干湿球湿度计和光纤感测技术的优势,集小型化、耐高温、抗电磁干扰、网络化、实时测量等特性于一体,值得应用推广。

地下连续墙受力变形光纤监测与数值模拟研究

地下连续墙是一种常见的深基坑支护方式,具有刚度大、防渗性能好、适应范围广等优点,但其受力变形规律较为复杂。基于超弱光纤光栅感测技术,对某地铁车站基坑地下连续墙水平位移进行实时监测。将监测数据与数值模拟结果进行对比,验证了数值分析模型选取的合理性,并基于该数值分析模型研究了不同厚度软土层中,地下连续墙水平位移的变化规律,通过墙体位移梯度(D_(w))和软土位移梯度(D_(r))进行临界厚度比计算。研究结果显示:水平位移随软土厚度的变化呈“凸肚”状,沿深度方向划分为相对稳定区、线性增长区、最大变形区和线性下降区。利用D_(w)和D_(r)标定出临界厚度比为0.24;土压力变化在基坑前四步开挖过程中较为稳定,而在第五步开挖与施工后40 d变化显著。上述研究结果为类似工程的设计、施工和监测方案的制定提供了重要参考。

基于密集分布式光纤光栅感测技术的基坑底部隆起研究

依托上海地铁轨道交通某地铁站工程,采用密集分布式光纤光栅感测技术(FBG)对深基坑开挖中坑内土体隆起、基坑上部结构沉降和中心立柱桩变形问题进行了研究,建立了基坑隆起剖面的光纤监测系统,获得基坑底部土体多场多参量随时空的变化。监测结果表明:FBG监测技术可以实现基坑开挖全过程的监测,能够获取从下到上不同深度处的土体的隆起量。基坑在开挖后,由于卸荷与土体的应力释放,底部土体的隆起会呈现中间大两侧小的现象,上部结构监测中也验证了这一点,布设在混泥土支撑上与中心立柱同一竖直方向的静力水准相较于两侧的静力水准产生了相对的隆起量。研究成果为实现基坑隆起的智能监测提供了技术支持,为基坑开挖的安全评价提供了参考依据。

光纤感测技术在轨道交通运营线路中的应用

为解决城市轨道交通工程在施工和后期运营过程中隧道差异沉降、结构变形、基坑渗水与失稳及周边建筑物变形等安全问题。依托宁波市轨道交通运1号运营线,采用分布式光纤传感技术实现长距离隧道的管片变形和差异沉降监测,利用布拉格光纤光栅技术实现了隧道断面和结构变形自动化监测,结果显示监测段隧道变形较小,较为稳定。项目的成功实施,证明了光纤传感技术在轨道交通工程结构监测中的有效性,具有广泛的应用和推广价值。

基于光纤感测技术的盐城陈家港地面沉降精细化过程研究

大量开采地下水引发的地面沉降破坏建筑物和生产设施,对人类生活、生产经济产生了巨大的影响。结合准分布式和全分布式光纤监测技术,对盐城市陈家港一个350 m深钻孔进行了两年半的监测,分析了该区域地下含水层水位变动情况及受水位变动影响的地下土层变形特征。监测结果表明:陈家港地层应变变化较为明显的是地表至地下25 m范围内,其余深度土层变形较为稳定;该地地下水呈季节性波动循环,土层变形总体呈现出压缩回弹的循环波动变形;深部含水层变形主要受水位变化影响,浅部含水层变形还受其他因素控制。光纤监测技术为研究地面沉降提供了更精细化的监测手段,对重点层位的控制与治理具有重要意义。

分布式温度感测技术在金坛地区地层导热性能评价中的应用

为了确定常州市金坛地区地下热物性系数,为浅层地热能的开发提供理论依据,基于线热源理论将分布式温度感测技术(distributed temperature sensing,DTS)与现场热响应技术(thermal response test,TRT)相结合,利用分布式热响应试验(distributed thermal response test,DTRT)及主动加热光纤的热响应试验(active heating optical fiber thermal response test,ATRT),对该地区不同深度地层的导热系数进行了监测计算和分析评价,并比较了不同技术的监测结果。试验结果表明:基于DTS技术的DTRT相比于传统TRT,可以实现各土层导热系数的分布式测试;ATRT计算得出的各层导热系数分布趋势与DTRT趋势大体相同,证明了将ATRT应用到导热系数的测试中的可行性。并且,相比TRT和DTRT,ATRT耗时更短耗能更低的优势,这也使得ATRT技术在地温场监测中具有较大的潜力。

分布式光纤感测技术在混凝土预制管桩测试中的应用研究

根据预应力高强度混凝土管桩(PHC桩)的沉桩特点,采用管桩内置梯型光纤钢筋架、水泥灌注封管的施工工艺将感测光纤植入到桩体。利用基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的光纤感测技术检测PHC桩在水平荷载作用下的桩身应变分布。试验结果表明:感测光纤保证成活;根据桩身应变可以计算得到桩身挠度分布;桩身挠度数据准确可信;可精确定位水平荷载对桩身的影响深度。BOTDA感测技术具有分布式特点,可避免漏检,可以在混凝土预制管桩测试实验中应用。

支持向量回归算法在土体含水率AHFO测试中的应用研究

主动加热光纤法(AHFO)可实现土体原位含水率的分布式测量,但受场地复杂环境的影响,现有含水率计算模型解译获得的测试结果容易发生较大误差。本文在试验研究的基础上,探究了土体干密度对AHFO法含水率计算的影响,并将支持向量回归(SVR)算法引入含水率的计算模型中,与传统计算模型进行了对比。研究结果表明:土体干密度是影响含水率计算模型精度的重要因素,干密度波动越大则传统计算模型的计算误差也越大,土体较高含水率下会降低计算模型的敏感性;与传统的含水率计算模型相比,考虑干密度影响的径向基核支持向量回归方法具有更高的计算精度,建议在含水率AHFO法的测试中推广应用。

软土-基岩条件下地铁车站施工间歇期的结构变形监测与分析

针对软土-基岩条件下地铁车站施工间歇期的结构变形监测与评价中存在的不足,将布拉格光纤光栅传感技术应用于车站施工间歇期的结构变形监测中。以深圳某地铁车站为例,将光纤传感器安装在车站主体结构上,远程自动化获取结构在施工间歇期的变形信息。监测结果表明:软土-基岩地基的主体结构在施工间歇期存在一定程度变形,监测期间车站底板的最大应变为62με,车站地下二层的墙柱结构最大变形为249με,位于软土-基岩分界面附近的墙柱结构同时受到剪切和压缩应力的影响,表明软土-基岩地基的车站设计应分别考虑底板和底层墙柱的抗弯和抗剪。

基于光纤光栅的水闸基坑支护结构变形自动化监测与分析

基坑的支护结构变形决定着基坑工程的安全性。针对目前临河基坑支护结构监测技术与分析的不足,将光纤监测技术应用于临河基坑工程。以绍兴某水闸的基坑工程为例,将光纤传感光缆和传感器分别安装在围护桩和支撑结构上,进而实现在开挖过程中远程自动化获取支护结构的精细化变形信息。监测结果表明:光纤监测技术能够及时准确获取支护结构的变形信息。通过分析支护结构监测结果与地下水位变化情况,得出基坑外部的地下水位快速下降是导致围护桩变形的主要原因。

基于蒸发增强型DTS技术的管道常温液体渗漏监测试验研究

管道渗漏的实时监测和渗漏点的精准定位对保障排水管道安全运行具有重要作用。为了弥补常规管道渗漏监测方法存在的不足,基于分布式温度感测技术,在蒸发式湿度测量原理的基础上提出了一种蒸发增强型分布式温度传感(EEDTS)监测法。通过室内试验研究了EEDTS光缆对管道常温液体渗漏监测的可行性,并探究了风速和湿度对监测结果的影响。试验结果表明:采用EEDTS法监测管道渗漏具有良好的可行性,当环境湿度为38%RH~73.9%RH时,实测温差为2.46~5.13℃,且风速大的环境形成的温差会更大,更有利于管道渗漏的识别。该方法简单易行,具有体积小、抗电磁干扰、分布式、实时监测等优点,为管道常温液体渗漏的监测提供了新的思路。

一种新型光纤光栅应变计的温度补偿方法研究

目的:为了降低光纤光栅应变传感器的温度影响程度,提高监测盾构隧道结构应变的准确性,需对该类传感器的温度补偿方法进行优化。方法:介绍了一种常用光纤光栅应变传感器的结构及工作原理,采用铝合金和铜2种已知热膨胀系数的材料作为传感器附着基底,开展了自由及约束状态下光纤光栅应变传感器的温度循环试验,基于测试结果,提出了在2种状态下的温度补偿方式,并对补偿后的可靠性进行了分析。将该类传感器应用于宁波轨道交通1号线天童庄出入段盾构隧道的管片应变监测,获取了温度影响下应变传感器的测试结果。结果及结论:相关试验及应用表明:在自由状态下应变计的温度系数近似等于光栅本身光学效应的温度系数加上温补光栅附着金属的膨胀系数。在约束下,应变光栅的温度系数近似等于光栅本身光学效应的温度系数加上待测基材的膨胀系数,该温度补偿方法能有效减少光纤光栅应变计进行温度补偿的误差,实际应用中得到了可靠的监测效果。

盾构隧道分布式沉降光纤监测技术应用研究

为解决城市轨道交通盾构隧道施工期及运营期长距离沉降监测的难题,基于布里渊(BOFDA)技术提出了一种长距离分布式沉降监测方法。建立了相应的应变–位移算法,并通过室内试验进行验证。将该方法应用至南京地铁2号线工程中,实现了1 km长度上的分布式沉降变形监测。结合人工水准测量数据,对光纤监测结果进行验证,研究结果表明:监测段隧道经过注浆修复后,达到了较为显著的稳固效果,3个月时间内整体变形量在±1 mm以内,变形规律与修复前基本一致。所提出的分布式光纤沉降监测技术可以实现隧道长距离、精准沉降监测。

土木与岩土工程监测新技术——BOFDA的性能与特点

在实验的基础上对新型分布式光纤监测技术——布里渊频域分析技术(BOFDA)的感测性能进行了测试与分析,其空间分辨率可达20cm,测试精度可达±2με,测试重复性为±4με;通过与布里渊光时域分析技术(BOTDA)测试性能的比较,对BOFDA的测试性能进行了评价,分析了应变过渡区产生的原因;通过BOFDA等强度梁实验,并与电阻应变片测试结果和理论计算值比较,证明了BOFDA优异的测试性能。最后,对BOFDA在各类工程防灾减灾监测中可能遇到传感光缆的保护及温度补偿问题进行了分析,并提出相应解决方案。

重大水利工程对长江中下游干流河槽和岸线地质环境影响研究

本文主要采取历史水下地形和水位数据分析、干流河槽现场测量、室内测试和综合评价等方法对重大水利工程影响长江中下游干流河槽和岸线进行了分析和研究,取得如下新进展:(1)创新构建了一套多模态传感器系统,实现陆上和水下一体化水动力、沉积和地貌特征测量与数据采集。(2)调查研究发现,长江干流河槽冲刷强烈,岸线窝崩、条崩发育。(3)悬沙和床沙粗化,河床阻力下降,发育侵蚀型链珠状沙波,长江大桥主桥墩冲刷严重。(4)潮区界显著上移,潮区界变动河段地貌发生重要变化。在此基础上,研究认为应该加强长江中下游干流河槽、沿岸高陡岸坡、支流入汇干流河口、崩岸以及跨江大桥桥墩冲刷等调查、监测和成因机理分析。上述研究成果对长江岸滩防护和修复、航道整治、沿岸防洪、长江大桥桥墩维护等具有重要意义。

地面变形分布式光纤监测模型试验研究

地面变形监测在防治地面塌陷、地面沉降和地裂缝等危害中有着极其重要的地位。本文采用气囊法对地面变形的发育过程展开了分布式光纤监测模型试验研究,详细介绍了分布式光纤监测的技术原理和试验方案,并对不同工况条件下分布式光纤监测结果进行了对比研究。研究结果表明:分布式光纤监测技术能够有效地捕捉不同条件下土体的变形情况,其"马鞍型"应变分布曲线能够清晰地定位底部拱形的形成区域以及地面变形可能发育的位置,该技术可应用于地面变形发育过程中土体的变形监测。

地面沉降分布式光纤监测土–缆耦合性分析

地层、钻孔回填材料和传感光缆之间的耦合性是决定地面沉降钻孔全剖面分布式光纤监测精度的关键因素。提出了地层-钻孔回填材料-传感光缆耦合性的明确定义和地层变形光纤监测数据有效性的评价方法。地层、回填材料和传感光缆达到完全耦合应满足两个条件:地层-回填材料界面与回填材料-传感光缆界面剪应力均不能超过其抗剪强度;地层应变能有效地传递至纤芯。提出了回填材料与传感光缆处于黏结状态的临界围压与临界深度;传感光缆弹性模量、半径或最大应变梯度越小,则临界围压或深度也越小;当回填材料、传感光缆及其界面参数确定时,临界围压或深度仅与最大应变梯度有关。基于经典应变传递模型与Goodman假设建立了地层-钻孔回填材料-传感光缆应变传递模型,并研究了传感光缆、回填材料以及地层性质对应变传递特性的影响,结果表明:传感光缆半径和弹性模量、钻孔半径、地层剪切模量越小,或回填材料剪切模量、地层-回填材料界面黏结系数越大,则应变传递性能越好;围压对应变传递特性的影响则取决于回填材料与地层参数之间的相对关系。最后,采用苏州盛泽地面沉降光纤监测数据验证了该评价方法的有效性。研究结果为钻孔地层剖面的全剖面、精细化分布式光纤监测提供了理论依据。