《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Automated ultra-weak Fiber Bragg Grating (uwFBG) shape sensing for 3D internal deformation monitoring of earth-rockfill dams
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范群英|徐斌|庞瑞|裴华富|陈世文|张思叶|钟宇文大连工业大学基础设施工程学院，中国大连116024摘要土石坝的内部变形监测对于确保其安全运行至关重要。尽管光纤形状感测在分布式变形监测方面具有优势，但其在该类坝体中的工程应用受到复杂变形模式、长距离误差累积以及应变传递不确定性的限
范群英|徐斌|庞瑞|裴华富|陈世文|张思叶|钟宇文
大连工业大学基础设施工程学院，中国大连116024
摘要
土石坝的内部变形监测对于确保其安全运行至关重要。尽管光纤形状感测在分布式变形监测方面具有优势，但其在该类坝体中的工程应用受到复杂变形模式、长距离误差累积以及应变传递不确定性的限制。为了解决这一问题，本文提出了一种将超弱光纤布拉格光栅（uwFBG）与简化的三维逆绝对节点坐标公式（iANCF S3D）相结合的内部变形监测方法。iANCF S3D能够在复杂变形条件下保证高计算精度。基于uwFBG的变形传感器和标准化的安装方法将复杂的分布式载荷转换为离散载荷，从而确保长距离计算精度并有效传递应变。模型测试表明，测量误差控制在5%以内，而在实际土石坝中的应用也证明了其可靠性。该方法为土石坝的变形监测提供了一种经济、可靠且易于部署的自动化解决方案。
引言
内部变形监测是确保高土石坝安全运行的关键组成部分[1]。随着水电开发的不断推进，土石坝的高度已达到300米的规模，相应的内部变形监测距离可延伸至数百米，这对变形监测技术提出了更高的要求[2]、[3]。然而，传统的监测技术（如水管沉降仪和拉线位移仪）存在以下局限性：需要单独的系统来监测土石坝的内部水平变形和沉降；长距离监测时测量误差会增加，难以保证稳定性和可靠性；严格的安装要求增加了施工复杂性，并干扰了坝体填筑进度[4]。因此，迫切需要开发一种适用于高土石坝的3D内部变形监测技术，以实现长距离测量、高精度和快速部署。
为满足这一工程需求，近年来全球研究人员探索了多种内部变形监测技术。其中，柔性倾斜仪已被应用于超高层土石坝的内部位移监测，证明了它们捕捉坝体内部变形信息的能力[5]、[6]。陈等人[7]、[8]引入了基于管道机器人的变形检测技术，拓宽了监测方法的选择。然而，管道安装成本高、自动化程度低以及大直径管道可能对坝体结构产生的不利影响限制了这些技术的实际应用。
相比之下，光纤传感技术因其独特的优势（包括分布式感测能力、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀性和适合长距离部署）为土石坝的内部变形监测提供了新的技术途径[9]。现有研究将布里渊光时域分析（BOTDA）与刚性基底（如I型钢梁或钢管）结合，通过测量基底应变来推断结构变形[10]、[11]。然而，实际工程应用表明，这些方法往往无法实现可靠的测量性能。原因主要有两方面：首先，刚性基底（如钢梁和钢管）与填筑材料的变形兼容性较差，无法准确反映坝体的变形行为；其次，大多数现有研究依赖于简化的形状感测方法（如直接积分或共轭光束理论）来计算位移。在长距离监测条件下，这些方法容易出现显著误差累积，导致末端精度失真。此外，布里渊光探测仪的高成本进一步限制了该技术在坝体工程中的大规模应用。综上所述，迫切需要一种兼具长距离感测能力、高精度变形重建和工程经济性的光纤变形监测系统，以用于高土石坝的内部变形监测。
近年来，新兴的uwFBG技术因其独特优势而受到越来越多的关注[12]、[13]。该技术的核心思想是将FBG与光时域反射仪（OTDR）集成，从而能够在单根光纤上复用大量光栅，实现长距离和高精度的监测。此外，uwFBG探测仪的成本远低于基于布里渊的光学系统，使其成为土石坝长距离内部变形监测的更具经济性的选择。形状感测方法是光纤分布式变形监测的核心，关键在于建立测量应变与空间结构变形之间的稳定映射关系[14]、[15]。传统的形状感测方法通常基于小变形假设和线性几何关系[16]、[17]，这些方法存在误差累积和鲁棒性不足的问题[18]、[19]，无法有效处理土石坝内部的长距离和复杂变形情况。吴等人[20]提出了逆绝对节点坐标公式（iANCF），通过基于绝对节点坐标构建非线性应变-位移映射框架，有效抑制了重建误差的传播和累积。在此基础上，范等人[21]进一步开发了iANCF S3D，并初步证明了其与OFDR技术的结合可行性。
尽管传感技术和形状感测方法取得了显著进展，但现有小规模验证结果与工程应用中的长距离监测实际需求之间仍存在较大差距[22]、[23]。为了弥合这一差距，本研究旨在解决以下研究问题：
(1)如何在长距离和复杂变形条件下抑制形状感测方法中的计算误差累积？基于小变形假设的传统方法在长距离下容易累积误差，导致测量结果不准确。
(2)如何减少复杂三维变形重建对高密度应变测量点的依赖？复杂变形模式需要密集的应变测量点，增加了形状感测重建的难度。
(3)如何减轻应变传递效率低、现场环境温度干扰以及光纤粘接和定位造成的误差对应变测量精度的影响？应变传递效率低会导致长距离测量结果失真。此外，与小规模实验室测试不同，现场应用中不能忽视温度对光纤测量的影响。
为了解决上述研究问题，本研究的主要贡献如下：1) 提出了一种基于iANCF S3D的形状感测方法，通过引入非线性应变-位移关系来保证长距离条件下的计算精度；同时采用对称应变测量点来减轻温度对光纤测量的影响。2) 设计了一种内外管嵌套结构的三维变形传感器，使用定制夹具将复杂分布式载荷转换为离散载荷，从而减少应变测量点和计算复杂性；光纤固定在内管表面以提高其耐久性。3) 开发了标准化的传感器组装和嵌入方案，确保应变测量的准确性和一致性。总之，所提出的变形监测方法在模型测试和实际土石坝项目中均表现出优异性能，为土石坝的三维变形监测提供了一种经济可靠的自动化解决方案。本研究的主要内容如图1所示。
章节摘录
监测原理
基于形状感测的变形监测主要包括两个关键部分：应变数据采集和形状重建。前者依赖于uwFBG技术，后者则依赖于形状感测方法。第2.1节介绍了uwFBG的基本原理，第2.2节介绍了形状感测方法及其在复杂变形条件下的精度验证。
传感器开发与优化
本节介绍了用于土石坝内部变形监测的传感器的设计、验证和优化过程，包括传感器的结构设计和组装过程（第3.1节）、光纤应变传递效率的影响（第3.2节）以及传感器压缩性能的验证（第3.3节）。
实验验证
本节介绍了传感器的实验验证结果，包括实验设计（第4.1节）和传感器测量结果分析（第4.2节）。
工程应用
本节介绍了所提出传感器在真实工程项目中的应用，包括项目背景（第5.1节）、传感器现场安装（第5.2节）以及监测结果分析（第5.3节）。
结论
本文探讨了土石坝长距离分布式光纤监测中的研究问题，包括累积计算误差、应变传递不确定性、温度效应和光纤耐久性限制。为了解决这些问题，开发了一种结合uwFBG技术和iANCF S3D的集成变形监测方法。该方法能够将分布式应变测量可靠地转换为精确的三维变形数据。
CRediT作者贡献声明
范群英：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、数据整理、概念化。徐斌：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。庞瑞：撰写——审稿与编辑、资源协调、资金获取、概念化。裴华富：撰写——审稿与编辑、软件开发、资源协调。陈世文：可视化、验证、数据整理。张思叶：可视化、形式分析、数据整理。钟宇文：验证、资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52579114、52279125、52379117、52279096）的支持。特此表示衷心感谢。
