基于POF-OTDR的分布式混凝土坝裂缝传感理论和方法

The present optical fiber crack sensing techniques can only detect the presence of cracks, or crack locations and crack orientations have to be known a-priori. Silica optical fibers are used in these techniques. They are small in diameter and brittle and easy to break, so they are difficult to survive under the harsh construction environment of water conservancy and civil projects. To solve these problems, polymer optical fibers (POF) with good flexibility and high survivability rate are proposed to replace silica optical fibers. In this investigation theoretical analysis, physical experiments and numerical simulation will be used. The POF crack sensing patterns and the crack induced optical power loss theory will be studied. The POF-OTDR based crack detection and monitoring method will be explored. A POF-OTDR based fiber configuration will be proposed and the distributed crack sensing network will be constructed to realize the distributed crack detection and monitoring with knowledge of crack locations, orientations and widths.

现有光纤传感技术或仅能够探测到裂缝的存在与否、或必须事先知道裂缝的准确位置、或必须事先知道裂缝的开展方向等，不能实现裂缝的分布式探测与监测，且采用的单模石英光纤纤细脆弱，不仅在裂缝扩展中容易折断，而且在水利、土木的恶劣、粗放型施工环境中难以存活。针对上述问题，本课题拟采用韧性好、存活率高的多模塑料光纤（POF）替代石英光纤。采用理论分析、物理模型实验和数值模拟相结合的方法，研究裂缝的POF光纤传感模式及裂缝引致的POF光损耗理论，探索基于POF-OTDR技术的裂缝探测与监测方法，提出基于POF-OTDR的光纤新布型，构建分布式裂缝传感网络，实现对混凝土坝裂缝定位、定向和定宽的分布式探测与监测。

裂缝是混凝土坝常见的病害问题，是大坝发生病变失稳的前兆，及时探测其发生并监测其发展过程，对保障大坝安全、防范灾害事件发生、充分发挥工程效益等具有重要意义。本项目采用理论分析、物理模型试验和数值模拟相结合的方法，研究了基于塑料光纤光时域反射技术（POF-OTDR）的混凝土坝裂缝监测方法，实现了对混凝土坝裂缝定位、定向和定宽的分布式探测和监测。本项目主要研究内容和成果有：（1）充分考虑实际应用中带涂覆层POF与混凝土可能的结合方式，建立了不同结合方式下POF与混凝土之间应变传递关系的理论模型，运用数值仿真方法对该模型的正确性进行了验证；利用该模型研究了POF纤芯与混凝土之间应变传递的效果及影响因素，提出了利于POF与混凝土之间应变传递的结构及材料参数组合。（2）对POF进行了基本力学性能测试，获取了其基本力学参数；依据混凝土坝的典型开裂形式，研究了POF在轴向拉伸、非轴向拉伸、垂直于轴向受剪、绕轴向扭转、宏弯曲等条件下的变形能力和力光转换特性，同时还研究了温度对POF内部光学特性的影响；基于试验成果，分析了开裂条件下POF的力光转换规律，探讨了POF对结构开裂的感知能力。（3）在试验研究基础上，运用波动光学和几何光学理论，结合数值仿真，剖析了基于POF光损耗特性的裂缝感知机制，揭示了POF对裂缝的感知机制是POF在裂缝处的微弯曲变形引起其内光传输模式发生变化而产生光损耗，而POF上应力集中和径向收缩变形所引起的光损耗量有限，据此提出了实际应用中提高POF裂缝感知敏感度的措施。（4）研究了POF-OTDR技术对多条裂缝监测的复用能力；建立了基于POF的裂缝监测模型，并提出了基于双支POF的裂缝定量监测方法，在此基础上，提出了可用于混凝土坝裂缝监测的POF网络和布设方法。