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水利工程河道防洪堤光纤式智能监测的应用策略

2022-05-30 72 上传者：管理员

摘要：具有高稳定性的防洪堤能够有效防止洪灾的发生。采用施加垂直荷载的方式，利用地测和光纤设备系统对河堤的变形进行了监测分析。结果表明地测设备的动态测量精度约为1mm，无法解决单个加载步骤的连续高精度测量，但使用光纤传感器连接河堤上的点，可显著提高监测系统的灵敏度。此外，光纤光栅传感器还可以描述单个加载步骤的变形。因此，光纤传感器可以对常规的大地变形测量仪器进行补充监测，能够对小尺度变形进行高精度测量，因此对于防洪堤水位变化引起的险情能够进行精准监测。

关键词：
光纤式
智能监测
水利工程
河道防洪
防汛管理
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近年来，随着我国社会经济不断发展，城市规模不断扩大，城市经济已成为国民经济重要组成部分，复杂多变的气候环境对城市防汛排涝预警工作提出了更高的要求，进入夏季以来，我国很多地区突发暴雨，多数城市出现了城区内涝的状况，特别是局部地方特大暴雨来临时，积水有的竟高达1m以上，且长时间无法及时排走，给居民的生活及出行带来很大不便，同时也严重影响了社会经济活动顺利开展。因此建设河道防汛监测预警系统，极为必要，它既可以为管理部门提供河道水位和道路积水的实时信息，同时也为防汛管理机构提供决策支撑[1,2,3]。

目前国内外对防洪监测开展了部分研究。舒博宁等[4]在总结济宁城市防洪存在问题的基础上，提出了济宁城市防洪水文监测预警系统建设的目标、任务和方案，并详细设计了水文监测站、城区低洼地水深监测站、雨量站等基础设施等。林冬萍[5]以福建省晋江市霞浯溪河道防洪堤为例，根据现场多种方法结合的监测结果，分析软土地基在施工期间的沉降、水平位移和孔隙水压力的变化规律和发展趋势，评价地基稳定性，为软土地基施工控制提供可靠依据，可为同类工程提供参考。钱睿智等[6]以扬州市城市防洪排涝水文应急监测为基础，详细介绍了监测实施基本断面设置、水位流量观测方案设置、监测实施和数据处理等方法和步骤，为防汛指挥部门提供及时准确的水文基础信息，具有一定的适用性。此外还有部分学者采用软件和监测手段对防洪系统进行研究[7,8]。本文以某防洪堤模型为例，采用地测设备和光纤对河堤的变形进行了监测分析，并对比了两者的监测精度，结果表明使用光纤传感器可以显著提高监测系统的灵敏度，对于防洪堤水位变化引起的险情能够进行精准测量。

1、地测设备布置

由于在大型洪水的冲击下，河堤会发生突然坍塌。因此，需要高精度和高采样率的连续三维测量。本文使用2个全站仪监测斜坡上的2个点，监测精度约为1mm、采样率约为8Hz。每个插销锚定器的锚定头上安装了带有特殊适配器的棱镜。图1左侧显示了一个锚头的特写视图。为了测量插销锚的倾角变化，还安装了在锚头上安装了倾角计。图1右显示了总体设置。棱镜P1由全站仪T1(徕卡地球系统TS15)跟踪，棱镜P2由全站仪T2(徕卡地球系统TPS1200)跟踪。此外，在防洪堤底板上安装第三个点P3作为参考点，并对其稳定性进行控制。全站仪的位置在实验开始时使用本地参考点确定，并在实验结束时再次控制。本文还收集了用于距离测量大气校正的气象数据。2个全站仪都是远程控制的，并利用EGMS开发了转向软件和数据分析软件。

采用新型扫描全站仪徕卡地理系统多站MS50对整个河堤面进行扫描可以快速直接驱动，每秒可测量1000个点。对于这种应用，它比激光扫描仪更适合，因为不需要特殊的参考目标，也不需要在办公室进行后期处理。在每个加载步骤结束时重复表面扫描。此外，MS50还用于评估2个全站仪T1和T2的跟踪性能。这些精确的单点测量(精度约为0.2mm)后来用于验证其他两个全站仪的连续跟踪结果。完成单点测量后，MS50返回扫描模式。

2、光纤布置

为了尽可能早发现溃堤和调查蠕变效应，必须进行高频率的测量，精度需超过1/100mm。为此，本文在河堤表面安装了基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤监测系统。使用FBG传感器测量锚定点P1和P2(FBG1)之间以及P2和参考点P3(FBG2)之间的距离变化，如图2所示。然而，由于安装后插销锚的位置可能偏离其初始位置5～10cm,因此必须使用长度可调的FBG传感器。因此，开发了用于调整裸光纤长度的圆柱形适配器(如图1所示)。FBG传感器对应变和温度变化敏感，必须通过适当的转换函数将原始波长测量值转换为应变值或温度值。对于本文使用的FBG传感器，制造商没有提供适当的应变和温度灵敏度值。因此，这些系数必须通过实验确定。

3、实验设置

本文总共进行了7次实验。在每个试验中，垂直荷载通过钢导线和2台液压机施加在坝顶上。图3左大坝未进行加固，图3中用两个插口锚进行加固，图3右用2个插口锚和1块土工布进行稳定。插销锚由铁锚头和铁棒组成，铁棒以不同角度通过锚头拧入地面。为了评估大坝的稳定性，必须测量大坝表面对施加荷载的反应。监测系统由1个大地测量组件和1个光纤组件组成，由于其精度和信息内容不同，这2个组件相辅相成。

4、监测结果分析

图4为施加荷载与锚头移动规律。如图4所示，当荷载逐渐增加至650kN/m2时，锚头开始发生移动。2个全站仪的跟踪数据如图4右侧点所示。由图可知，P1和P2点均经历不同的变形行为，P1的移动主要是水平的，而P2的水平和垂直移动量几乎相同。P1的总移动量约为4.8mm,P2的总移动量约为3.2mm,表明插销锚具有很高的稳定性。此外，跟踪数据的噪声主要由全站仪测距噪声引起。对于三维位置，可以达到0.9mm(1σ)的精度。如前所述，使用MS50进行单点测量，以验证其他2个全站仪的连续跟踪数据。MS50测量的3D点精度可从周围控制网络的测量值计算得出。由本次监测结果得出，0.2mm(1σ)的三维点精度比跟踪数据的精度高约4倍。

锚头的相对运动可根据大地测量三维位置计算，或直接使用光纤传感器测量。图5给出了动态光纤测量的结果。可以看出，FBG传感器描绘了荷载增加后锚定点之间的相对运动。此外，通过这些测量可以看到河堤类似蛇形运动轨迹，例如12∶18和12∶25之间。锚头P1和P2(FBG1)之间的距离以及P2和固定参考点P3(FBG2)之间的距离呈减小趋势。实验结束时，P1-P2的长度变化约为0.8mm(约600με),P2-P3的长度变化约为2.7mm(约2200με)。通过分析初始稳定期的数据，评估了FBG的测量噪声。图6空载状态下5min内的测量变化。从这两个传感器的数据中可以得出优于7μm的标准偏差。为了验证结果，我们将FBG测量值与TS15全站仪测量值进行了比较。图6显示了2种不同测量技术的结果。显示锚定点P1和固定参考点P3之间的距离变化。这对应于2个FBG读数之和。对于大地测量数据，根据P1的连续跟踪3D坐标和固定参考点P3的已知坐标计算距离。尽管大地测量和光纤测量技术的精度完全不同，但可以看出，整体变形也可以通过动态和静态大地测量进行检测。然而，单个加载步骤和蠕变行为引起的变形只能通过光纤传感器测量。

5、结语

本文以防洪堤的变形监测为研究对象，通过室外试验得出了三维绝对变形位移可以可靠地从大地测量点获得，其中动态测量的3D点精度约为0.9mm(1σ),静态测量的3D点精度约为0.2mm(1σ)。即使在高负荷情况下，锚头的绝对移动也非常小，小于5mm。然而，由于大地测量的精度有限，无法解决单个加载步骤的测量，但使用光纤传感器可以显著提高监测系统的灵敏度。在现场试验中，精度达到7μm以上。这种高精度允许分析每个加载步骤的变形行为，包括河堤的蠕变行为，因此对于防洪堤水位变化引起的险情能够进行精准测量。

参考文献:

[1]孙培峰,徐高欢.防洪排涝水泵机组健康监测系统的建立与开发[J].浙江水利水电学院学报,2020,32(3):42-45.

[2]李晓春,张生.防洪水闸泵闸监测系统研究及应用[J].装备制造技术,2019(5):148-151.

[3]蔡益文.基于3S技术的防洪泛滥区监测与灾后损失评估的研究[J].珠江水运,2019(7):5-6.

[4]舒博宁,马阔,曾光.济宁城市防洪水文监测预警系统建设探讨[J].山东水利,2019(1):3-5.

[5]林冬萍.霞浯溪防洪堤软基施工现场监测资料分析[J].水利科技,2017(4):27-30.

[6]钱睿智,顾春锋,王永东.扬州市城市防洪排涝水文应急监测[J].江苏水利,2016(1):40-41,44.

[7]贾瑞红.水库在防洪作业中实现水资源防洪系统的最优调度[J].水利技术监督,2013,21(6):13-15.

[8]王晓强,贾丽丽,沈长江.新疆阿克苏温宿县东——干渠防洪系统布设[J].水利技术监督,2009,17(6):46-47.

文章来源：秦兆明.水利工程河道防洪堤光纤式智能监测研究[J].水利技术监督,2022,(06):60-62.