超长引水隧洞安全监测系统组网研究

张俊杰 ，张 铎 ，周 楷 ，周克明 ，4

（1. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；3. 辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110000；4. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210024）

随着我国水利水电事业的蓬勃发展，大批的引水隧洞相继兴建，建成的各种水工隧洞总里程约有10 000 km，建设中的水工隧洞总里程约有 1 000 km，已规划尚未开工的水工隧洞总里程超过 2 000 km[1]。随着地下工程施工技术的迅猛发展，引水隧洞也朝着长距离、大断面方向发展。2009 年建成的辽宁大伙房输水隧洞全长达 85 km，正在建设中的引汉济渭秦岭输水隧洞全长达 82 km[2]，2013 年建成的锦屏二级水电站 1# 和 2# 引水隧洞开挖直径达 12.4～13.0 m[3]。但是，此类超长引水隧洞的建设，面临着地质条件复杂、高地应力、高地温等难题[4]，需在施工过程中及通水前后密切关注水工建筑物及围岩的稳定性，保证工程安全，因此，做好超长引水隧洞的安全监测尤其重要。由于传统的安全监测系统组网方式不再适用于此类隧洞工程，为此结合国内某超长引水隧洞（以下简称引水隧洞）的工程实际，对引水隧洞安全监测系统的组网方式进行研究。

1 监测仪器选择

传统岩土工程安全监测仪器的类型主要为差阻式和振弦式 2 类传感器，2 类传感器均为电信号式仪器，传感器与数据采集装置的连接电缆长度均有限制，一般振弦式仪器的连接电缆仅能达 1 km 左右[5]，差阻式仪器的连接电缆最远能达 2 km[6]，且2 种仪器均有较高的绝缘要求[7]，显然不适用于长距离、高水头的引水隧洞安全监测。

研究的某引水隧洞的工程实际情况如下：全长99 km，洞径为 7.3 m，设计水压为 0.85 MPa，沿线布置 6 条检修支洞，并设检修竖井和调压井，隧洞主洞线布设 25 个监测断面，监测断面平面布置示意图如图 1 所示。隧洞主洞线对 25 个断面进行安全监测，监测项目包括内外水压、结构应力应变、锚杆应力等。

结合工程实际情况，在引水隧洞工程中，使用426 支布拉格光栅（FBG）传感器作为安全监测仪器。FBG 传感器是一种新型的无源传感器，具有不受电磁干扰，传输距离长，易构建分布式传感器网络等优点，工作原理如图 2 所示。入射光谱光经过布拉格光栅，其中一部分光透射成为透射光，还有一部分满足公式（1）经过布拉格光栅反射：

图 1 监测断面平面布置示意图

式中：λB为反射波长；neff为光纤光栅的有效折射率，与光纤自身材质有关；Λ 为人工写入的光栅栅距，也称为光栅周期。当传感器发生应变时，光栅周期变化，导致反射波长 λB漂移，在光纤的弹性范围内，反射波长的漂移量 ΔλB与应变呈线性相关，只要根据波长的漂移量即可得到应变的变化量[8]。

图 2 光纤光栅传感器原理示意图

光纤光栅最早由美国的研究人员于 1989 年用于应变和温度传感，随后 10 a 内成为传感器领域内发展最快的技术，被广泛应用于土木工程、航空航天、航海等领域[9]。而在岩土工程安全监测中，发展形成了一系列实用可靠、运行稳定的监测仪器，例如光纤光栅钢筋计、应变计、渗压计、测缝计等等。光纤光栅仪器由于无绝缘要求、信号传输距离长等特点，是目前最适合用于高水头、长距离引水隧洞的安全监测仪器。

2 安全监测系统组网

2.1 监测断面内仪器组网

引水隧洞工程在主洞线布设 25 个监测断面，本研究选取其中 G07和 G182 个断面进行监测仪器的组网分析。G07断面埋设有 8 支 FBG 钢筋计、4 支FBG 应变计、1 支 FBG 无应力计，用于监测隧洞衬砌的钢筋应力和混凝土应变。G07断面监测仪器布置如图 3 所示。

图 3 G07 监测断面仪器布置图

G07断面布置的每支 FBG 仪器均为两端出缆，可将该断面的所有仪器按图 4 方式进行串联组网。

当使用光纤光栅解调仪进行数据采集时，只需将同一串联回路中的某一端光纤接入解调仪即可读取数据。当串联回路中某一处出现断点时，可以将另一端光纤也接入解调仪，即可读取到断点位置之后的监测仪器数据，所以当 FBG 传感器进行串联组网时，即使串联回路中出现 1 个断点，也能将该回路中所有的传感器数据传输至解调仪。

而某些 FBG 仪器由于仪器结构及封装技术的原因，只能单端出缆，例如 FBG 渗压计、水位计等。引水隧洞工程中，G18断面埋设有 5 支 FBG 渗压计，用于监测隧洞内水压力，G18断面监测仪器布置如图 5 所示。

G18断面内的 FBG 渗压计均为单端出缆，无法与其他仪器进行串联，对此，可以通过光纤分支器对 FBG 渗压计进行并联组网，并联组网示意图如图6 所示。

图 4 G07 监测断面内仪器串联示意图

图 5 G18 监测断面仪器布置图

图 6 G18 监测断面内仪器并联示意图

图 7 监测断面间组网示意图

一般光纤分支器型号为 1 分 2，1 分 4，1 分 8等，通过光纤分支器，1 芯主干光缆最多可并联 8 支传感器。

通过仪器的串联和并联，可以将同一断面内的所有仪器进行组网，再接入主干光缆，一般可以将主干光缆的芯数控制在 8 芯以内。监测断面内的仪器组网不仅可以减少主干光缆的芯数，也可以减少光纤光栅解调仪的通道数量，极大地减少工程成本。

2.2 隧洞内监测断面间组网

引水隧洞安全监测系统会在主洞线设置众多监测断面，一般根据隧洞岩层地质情况选取典型、重点断面进行安全监测。所设的各个监测断面间隔不等，近则几百 m，远则几千 m，对于隧洞内众多的监测断面，可以通过主干光缆进行连接组网。

引水隧洞在主洞桩号主 38 + 000、主 40 + 425、主 41 + 100（km + m）位置分别对应设立 G19，G20，G213 个安全监测断面。其中 G19断面通过 5 支FBG 渗压计监测内水压力，G20，G21断面各通过 6 支FBG 渗压计监测外水压力。根据工程实际情况，本研究采用 1 根 8 芯主干光缆对这 3 个监测断面进行组网连接，组网示意图如图 7 所示。

在监测断面间的组网过程中，主干光缆作为信号传输的载体，光学性能十分重要。在工程中，通常选用 G.652D 光纤作为光纤光栅仪器的通信光缆。G.652D 光纤在波长为 1 550 nm 处衰减最小，约为0.25 dB/km[10]。因此，大多数光纤光栅仪器的反射波长设定在 1 550 nm 附近，以最大限度地减少光损。

在传统的振弦式及差阻式传感器使用中，应当严格控制连接电缆的长度，过长的连接电缆必然导致所测电阻值偏大，会减弱电信号传输强度。根据相关工程实际，当连接电缆的长度超过 2 km 时，会增大传感器的测值误差，甚至导致传感器失效。在光纤光栅传感器的使用中，反射波长的漂移量是反映被监测体变化的唯一依据，而主干光缆的接入是否会对光纤光栅仪器反射波长的解调造成影响，需要进行实验验证。

实验选取 5 支不同类型的光纤光栅传感器，其中传感器 01 为光纤光栅钢筋计（量程为 300 MPa），传感器 0 2 和 0 3 为光纤光栅渗压计（量程为1.0 MPa），传感器 04 和 05 为光纤光栅应变计（量程为 ± 1 500 με），将这 5 支传感器接入不同长度的G.652D 单模光纤，对接入光纤前后传感器的反射波长进行统计，统计结果如表 1 所示。并对变化的波长值进行物理量计算，得到波长变化引起的物理量测值变化，计算结果如表 2 所示。

表 1 传感器数据统计表

表 2 传感器物理量测值统计表

从表 2 数据可以看出：接入光纤长度在 6.6 km以内时，传感器 01 的钢筋应力未发生变化，当接入 10.0 km 光纤时，钢筋应力数据略有变化；传感器 02 和 03 在接入光纤后水压数据略有变化，考虑到环境温度变化，接入光纤后温度数据基本稳定；传感器 04 和 05 在接入光纤后，应变数据均略有变化；所有仪器的数据变化范围，均在其满量程的 2‰以内。

规范 DL/T 1736—2017《光纤光栅仪器基本技术条件》[11]中规定，光纤光栅仪器综合误差应不大于满量程的 2%，根据实验得到的数据分析，在10.0 km 以内，光纤长度对于光纤光栅传感器的物理量测值基本没有影响，测值误差在规定范围内。在国内有关光纤光栅传感器相关实验中发现，当光损达到 6 dB 时，解调器便无法正常读取传感器的反射波长。按照 G.652D 单模光纤 0.25 dB/km 的光损计算，信号传输光缆理论上可达到的最大长度为24.0 km，该长度可满足绝大多数长距离引水隧洞的安全监测系统组网需要。

2.3 隧洞外数据采集站间组网

主干光缆在隧洞内对监测断面进行连接组网后，被敷设牵引至隧洞外的自动化数据采集站，数据采集站负责实现安全监测数据的自动采集和上报。超长引水隧洞在地理空间上跨度大，沿线地形地貌复杂，需要结合现场实际情况，选择合适的组网方式，将监测数据统一发送至数据管理中心。

引水隧洞在洞外布置了 11 个数据采集站，根据现场实际情况采用接入主干公网和 GPRS 无线传输2 种通信方式。

对于附近有主干公网经过的数据采集站，可以采用接入主干公网的方式进行采集站的通信组网。这种组网方式的优点是传输稳定，抗干扰能力强[12]。具体组网方案为，光纤光栅解调仪进行监测数据的采集，然后通过交换机接入主干公网，将数据传输至数据服务器，由数据服务器进行整编，最后通过管理工控机进行监测数据的展示。

在引水隧洞工程中，11 个数据采集站有 3 个采用接入主干公网的通信组网方式，其余 8 个数据采集站均采用 GPRS 无线通信方式。

由于超长引水隧洞数据采集站空间分布广，很多都布置在没有主干公网经过的位置，因此 GPRS无线通信成为主要的组网方式，组网示意图如图 8所示。

图 8 数据采集站 GPRS 组网示意图

通信组网进程如下：首先由 FBG 解调仪负责传感器数据的采集；其次通过 RS-232/485 接口将数据打包发送到 GPRS/CDMA 模块（DTU）；然后由DTU 模块通过以太网协议（TCP 或 UDP）连接到业主服务器的协议处理程序；接着在协议处理程序将数据包解析后，将有效数据保存到数据库；最后客户管理终端通过以太网协议连接业主服务器获取数据库数据，进行二次分析和展示。

GPRS 无线组网方式具有接入方式灵活，建设速度快，便捷高效，投入小等优点，但也存在信号不稳定，易受干扰等缺点。在工程运用中，需要在制定 GPRS 通信方案前，实地考察采集站现地的运营商数据网络信号强弱，保证数据的正常传输。

3 结语

结合相关工程实际，研究了光纤技术在高水头、大埋深、长距离的引水隧洞工程安全监测系统中的应用；分析了光纤光栅仪器相较于传统电测式仪器的优势，提出运用光纤光栅仪器串并联组网降低工程成本的方案。相关实验结果表明，通信光缆的接入并不会影响反射波长的解调，波长信号的传输距离满足绝大多数工程需要，建议隧洞外采集站间的数据传输通过接入主干公网或 GPRS 无线传输 2 种组网方式进行，因地制宜，保证监测数据上传可靠性的同时降低施工成本。本研究提出的整套超长引水隧洞安全监测系统组网方案合理可行，可为类似引水隧洞工程的安全监测工作提供参考。但由于超长引水隧道安全监测系统组网长线路、多层次、广领域的特点，组网系统发生局部故障的几率也相对较大，对于组网系统各环节可能出现的故障及失效风险值得进一步深入研究。