Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) состоит из 3-х основных компонентов: анализатор, протяженный (непрерывный) волоконно-оптический сенсор и специализированное программное обеспечение (см. рис.1). Диапазон действия одного анализатора, основанного на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), составляет до 80 км (длина сенсора), а с использованием встроенного оптического переключателя для последовательного опроса сенсора в обе стороны от анализатора – до 160 км. Использование внешнего оптического переключателя и топологии типа «звезда» позволяет увеличить число подключаемых к одному анализатору сенсоров до 21.
Сенсор представляет собой непрерывный волоконно-оптический кабель специальной конструкции в зависимости от назначения и условия применения. Сенсор является эквивалентом огромного количества точечных датчиков (исходя из пространственного разрешения анализатора можно считать, что каждые 50 см сенсора являются отдельным независимым точечным датчиком; таким образом участок сенсора длиной 50 км будет эквивалентом 100 000 !!! точечных датчиков). Сенсор – полностью пассивное устройство, подключается с одного или двух концов к анализатору и размещается вдоль всего объекта, который необходимо контролировать. Оптическое волокно внутри сенсора изменяет свои оптические характеристики при изменениях различных внешних параметров (температуры, растяжения/сжатия, акустического давления и т.д.). Отсюда вытекают и различные применения системы.
Возможность контролировать протяженный объект в каждой точке, где инсталлирован сенсор в совокупности с очень высокой точностью и автономной работой в режиме реального времени делают систему уникальной и безальтернативной для большого количества различных применений.
Рисунок 1 – Элементы системы ВОС ГТМ: А) стойка или шкаф с измерительным анализатором и вспомогательным оборудованием; Б) волоконно-оптический сенсор; В) специализированное программное обеспечение (ставится на сервер)
Мониторинг таких сложных и значимых сооружений, как мосты, дает следующие преимущества:
Для новых мостов стоимость системы мониторинга составляет от 0,5% до 3% от стоимости строительства моста (чем больше объем работ по строительству, тем ниже эта цифра). В эту стоимость входит стоимость оборудования, инсталляции и настройка системы мониторинга. Ежегодное обслуживание составляет от 5% до 20% от стоимости системы мониторинга. Другими словами, для типового моста средней протяженности эксплуатация системы мониторинга в течении первых 10 лет (за этот период выявляется большинство скрытых дефектов, особенностей поведения мостового сооружения в реальных условиях эксплуатации и т.д.) составляет от 2% до 5% от стоимости постройки мостового сооружения.
Эти финансовые вложения в систему мониторинга окупаются собственником моста следующим образом:
Возврат вложенных в систему мониторинга средств:
После анализа результатов работы системы мониторинга обнаружится (консервативная оценка):
Причинами мостовых деформаций могут быть как медленные, но постоянные процессы (почвенные процессы в области фундамента моста, старение и коррозия материалов и т.д.), так и быстрые, но периодические процессы (ветровая нагрузка, температурные градиенты, движение транспорта по мосту (распределение масс) и т.д.).
Поэтому в зависимости от конструкции моста (висячий, балочный, арочный, пилонный, консольный и т.д.; длины пролетов и т.д.), вида применяемых материалов (преднапряженный либо обычный бетон, цельнометаллическая конструкция и т.д.), особенностей местности (состояние почв, климатические условия) и условий эксплуатации (транспортный трафик) определяются критические элементы моста и по каким параметрам эти элементы крайне желательно контролировать.
Например, для висячих мостов (и как их разновидности – вантовых мостов) основное внимание следует уделять состоянию поддерживающих автомобильное полотно вантам на предмет отсутствия у них перенапряженности; контролировать вибрацию дорожного полотна, поскольку такие мосты имеют повышенную гибкость конструкции; контролировать угловое смещение пилонов (вследствие их высокой склонности к кручению вследствие ветровых нагрузок). У арочных мостов основное внимание уделяется состоянию опор, поскольку на них передаются не только вертикальные, но и горизонтальные нагрузки от достаточно тяжелой верхней части моста (арок и мостового полотна). И т.д.
Основные риски, которым подвергаются мосты, в зависимости от их типа, приведены ниже в таблице.
Мониторинг технического состояния протяженных и сверхпротяженных мостовых сооружений оказывается более эффективным с использованием системы мониторинга с непрерывным волоконно-оптическим сенсором (ВОС), который прокладывается по всей длине контролируемых элементов конструкции моста. Использование системы мониторинга с непрерывным ВОС эффективно как с точки зрения стоимостной эффективности, так и с точки зрения эффективности объема и качества предоставляемой информации о состоянии контролируемого объекта.
С помощью такой системы мониторинга в режиме реального времени и по всей длине контролируемой конструкции можно определять следующие параметры мостового сооружения:
Волоконно-оптические сенсоры можно инсталлировать следующими способами:
Приведенный на рис.1 стальной балочный мост было решено не сносить, а продлить его эксплуатацию еще на 15 лет с одновременным повышением уровня контроля за состоянием моста с помощью системы мониторинга с использованием непрерывных ВОС. Общая длина балок моста составляет ~ 9 км, длина контролируемых балок составила ~ 4,5 км (основные несущие балки), контролируются деформации балок и возникновение трещин (режим опроса – каждые 2 часа).
Рисунок 2 – Балочный многопролетный мост GÖTAÄLV, Швеция (54 пролета, 950 м общая длина моста).