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摘要：郑州引黄灌溉龙湖调蓄工程是我国少有的几个全部使用光纤光栅式传感器的大型水利工程之一。本文通过龙湖工程，研究了光纤光栅式传感器在水位与渗流监测的适用性；阐述了龙湖工程监测成果的分析方法；并总结了光纤光栅式仪器的施工经验。其应用效果及工程经验对于光纤光栅式传感器在土木水利工程中的发展普及有一定的借鉴意义。
关键词：光纤光栅式传感器；水利工程；水位与渗流监测
光纤光栅式传感器具有测量精度高、耐腐蚀、适合远程传输与监控等优点。1989年美国布朗大学的Mendez等人首先提出把光纤传感器用于混凝土结构健康监测，此后国内外研究人员对光纤光栅传感系统在工程中的应用做了大量的研究工作，但由于其抗剪能力差、受施工干扰的影响较大，目前除了在施工干扰及施工交叉较小的桥梁工程中有一些应用，在国内外土木水利工程中并没有得到广泛应用。郑州引黄灌溉龙湖调蓄工程是一项为郑州市农业灌溉调节水量为主，兼顾生态、景观的综合性水利工程。工程共计安装埋设1006光纤光栅式渗压计，主要用于监测水位及防渗墙的渗漏情况，是国内少有的几个全部使用光纤光栅式传感器的大型水利工程之一，其施工经验及成果对光纤光栅式仪器在以后水利工程中的应用有一定参考价值。
一、光纤光栅式仪器在龙湖水利工程中的技术优势
龙湖工程的跨度长、分布面积大，传输距离从几百米到几十公里，传统的电学量传感设备组成的监测系统在长期稳定性和分布范围方面都不能很好的满足龙湖工程的需求。对于差阻式仪器，采用四芯制电桥测量时，接长的黑白芯线电阻变差0.003Ω，就会造成电阻比0.01%的跳动；钢弦式仪器测量和传输的是频率信号，在远距离传输方面优于差阻式仪器，但传输过程中容易受到外界环境的干扰，同时弦的弹性模量与土壤的弹性模量不一致也会引起测量误差。光纤光栅传感器既是监测设备同时又是良好的传输媒介。有结果表明：光纤光栅式仪器工作状态的误差小于0.5%；且受传输距离的影响很小，信号不会随传输距离的增加而失真。因此在龙湖工程安全监测中，光纤光栅传感监测系统具有很大优势。
二、监测原理
工程使用的仪器为BGK-FBG-4500S-350KPa型光纤光栅式渗压计。光纤光栅式渗压计计算压力的公式为：其中，GP为渗压计的直线系数，K为温度修正系数，GT为温度计算系数；λ1、λ2为光栅当前波长值（大-小），λ10、λ20为光栅初始波长值（大-小）
三、监测成果分析
（一）监测成果分析方法由于监测仪器沿湖分布，比较分散且跨度较大，仪器所处的工作状态环境有所不同。因此进行数据分析时需要结合仪器附近位置的施工、蓄水情况，才可合理解释数据的变化及监测位置的真实状态。工作过程中，需要定期巡视并记录各个监测断面附近的施工、蓄水等情况，便于资料的整理及监测成果分析。
（二）蓄水过程的水位计监测成果分析设计Y1、Y2、Y5、Y6共计四支水位计监测外湖水位。由于水位计均埋设在湖底位置，蓄水后孔口位置将被淹没，需要将仪器测头牵引至蓄水水位以上，四支水位计的光缆沟开挖及接线牵引工作于10月02日~10月16日间完成，如图3-1。2012年10月18日郑州引黄灌溉龙湖调蓄工程正式开始蓄水。蓄水过程中，Y6、Y5、Y2、Y1依次被淹没。蓄水过程中的水位与温度变化过程线如图3-2：截止2012年12月30日，湖水水位上升幅度变小，此时各水位计的读数分别为：Y1为79.51m；Y2为79.58m；Y5为79.56m；Y6为79.52m。测量满足测量精度要求。
（三）基坑施工过程的监测成果分析基坑监测可以实时的提供现场动态信息，是确定合理施工方案、避免事故发生的重要环节，龙湖工程在桥梁、引水渠等建筑施工区域也布设有光纤光栅式仪器。2015年1月初N0+406监测断面附近的桥梁施工开始动工，并于2月6日起开始桥墩基坑的施工，施工过程中水位变化过程线如图3-3：由图可知：在桥梁基坑在施工过程中水位逐渐缓慢下降且最终趋于稳定；同时由于S1测点在防渗墙之内，且离桥墩基坑位置较近，因此S1测点处水位下降更为明显，监测成果能如实的反映施工处的水位变化情况，为基坑施工及时提供了监测资料。
四、结语
结合光纤光栅式仪器在龙湖工程中的实际应用，施工经验总结如下：（1）在远距离自动化集成方面，光纤光栅式仪器与传统差阻式、电阻式、振弦式仪器相比具有明显的优势，因此更适合中大型水利、水电、风电及桥梁工程的远程实时监测；（2）光纤光栅式仪器适用于施工交叉较小及隐蔽性覆盖工程；（3）光纤光栅式仪器在交叉施工中容易损坏，因此做好工程的整体规划、合理调整施工顺序以减少施工交叉，对于保证光纤光栅式仪器的成活率有重要意义；龙湖工程为光纤光栅式仪器在水利工程中的应用积累了宝贵的经验。随着光纤光栅传感技术的发展与工程需求的衔接，其在中大型水利、风电、桥梁等工程中将会有更广泛的应用。
参考文献：
[1]王建平.光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用[J].贵州工业大学学报，2004(33):77-84．
[2]王丹生，朱宏平.光纤光栅传感技术在桥梁结构健康监测中的应用[J].中外公路，2002(22):31-43．
[3]钟江.光纤光栅传感器在长距离有压引水隧洞中的应用[J].甘肃水利水电技术，2009（12）30-33.
作者：刘玉帅 刘强 郑涛 单位：浙江华东测绘与工程安全技术有限公司