CN100383556C - 一种崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法 - Google Patents

Abstract

一种崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法，按以下步骤进行：a、在欲监测的崩塌滑坡部位采用钻进工艺钻孔，让所钻孔的终孔部位穿过崩塌滑坡部位的滑带并进入完整基岩；b、先在同一单膜量测光纤上安装若干个光纤压力传感器而构成光纤压力传感器组，然后将光纤压力传感器组中的各光纤压力传感器固定在地质套管的外管壁上，最后将安装有光纤压力传感器的地质套管逐根对接后置入上述钻孔内；c、在安装有光纤压力传感器的地质套管与钻孔之间的间隙内灌注水泥砂浆；d、用光电探测器在单膜量测光纤的测试端注入光脉冲进行探测，并将所得到的后向散射光信号转换为电信号后传送给计算机进行分析处理。

Description

一种崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法

技术领域

本发明涉及一种崩塌滑坡岩体的推力监测方法。

背景技术

中国是一个地质灾害多发的国家，据由国土资源部发布的2002年度《中国地质环境公报》称：2002年度，全国共发生滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等突发性地质灾害4.8万余起，其中重大地质灾害333起。除上海市外，其余30个省(区、市)(不含港、澳、台)都因突发性地质灾害造成了直接经济损失，其中福建、湖南、云南、四川、重庆、广西、湖北、新疆和浙江9省(区、市)占到了全国地质灾害发生总数的98％。全国因地质灾害造成962人死亡(包括109人失踪)、1797人受伤，直接经济损失近51亿元。地质灾害分布广、影响大、严重威胁着地质灾害分布区人民生命和财产的安全，影响着部分地区国民经济的发展。党和政府对地质灾害的防治工作高度重视，公布了《地质灾害防治条例》，标志着我国的地质灾害防治工作进入了新的阶段。

山体滑坡对桥梁、水利、建筑等工程的危害巨大，对其进行预警监测有十分重要的意义。目前主要有地下水位监测法、降雨量监测法或以位移为主的监测方法。以位移为主的监测方法，如机械--电子位移测量、精密大地测量、钻孔斜仪法等，一般是通过在钻孔中进行滑体位移变化大小和变化速率的监测，了解地层的连续变化。这些监测方法存在多点测量周期长、无法实现自动测量和数据处理等缺点。单点式的监测方法不适于各向异性的岩土层山体滑坡内压力的监测。其二是打平硐，在滑动面部位粘玻璃片、砂浆块等，这种方法仅作定性监测，通过监测探索和确定临界值为预报提供依据。由于在钻孔岩体中直接监测和捕捉滑动岩体的滑动力变化在技术上较为困难，因此，国内外有关单位进行这方面工作也很少。我国三峡水利枢纽的永久船闸边坡，在岩体和混泥土结构中埋设压力盒进行应力变化测量，采用计算机软件仿真，由于数学模型的多样性，以及边界条件确定的误差，造成最终结果的不确定。

据国内外调研情况表明，光纤传感器与其它类型的传感器相比，抗电磁干扰、结构简单、性能可靠、耐水性及电绝缘好、耐腐蚀；测量对象广泛，适用于多种物理量的监测；对待测场能够进行远距离、连续实时、分布式测量，因而在许多安全监测领域逐步受到人们的注意，目前将光纤传感器应用于岩体的监测，尚处于研究中。

欧美发达国家对光纤光栅传感技术在桥梁、水坝、管线、隧道、矿厂、核存储容器、天然气压力罐、建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到广泛应用。日本、韩国等利用光纤BOTDR原理，研制了AQ8603型光纤应变分析仪，但费用贵；一家加拿大公司利用光纤法一布(FB)腔原理，研制了单点式土压力计；国内的重庆大学也利用光纤法一布(FB)腔原理，研制了单点式土压力计，三峡大学利用光纤OTDR(光时域反射)原理，研制了大坝位移监测仪，清华大学、武汉理工大学利用光纤受压变形光能量损失的原理，研制了单点式土压力计。近年来国内一些科研院校，也通过改装用于光纤通讯的BOTDR或OTDR分布式光纤在线故障检测仪，使之用于岩土层滑坡体的应变监测。但由于应用领域的不同，上述光纤通讯在线故障检测仪在岩土层滑坡体应变监测领域中的使用受到很大的局限。例如，光纤通讯线故障检测要求测量范围百公里以上，仅需发现故障的位置就行，但用于监测岩土层滑坡体的变形位置检测时，仅仅发现故障的位置就不能达到监测的要求；现有光纤通讯在线故障检测仪对“故障”点的量化(即测点的变化量)以及岩土层滑坡体上测点的应变大小不太关注，而在岩土层滑坡体监测中，应变监测却是必须解决的问题。

其中最引人注目的是美国斯坦福大学，将多种光纤传感器埋入一栋建筑物的不同位置，构成一个神经系统，用来测量振动、风压、使用期内载荷、混凝土徐变、温度、裂缝等有关建筑物的安全信息。日本、美国、意大利等国，在隧道、硐室和建筑物中测量应力变化工作较为广泛，但在国内外都未见有在滑坡地下滑体中开展滑动力测量的报导。因此，若能采用光纤应变传感器对滑坡崩塌岩体滑体推力进行监测，预测预报其灾害的发生，对滑坡崩塌岩体防治工程的监测，检测其施工质量，都有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的即是提供一种崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法。

本发明的崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法是按以下步骤进行：a、在欲监测的崩塌滑坡部位采用钻进工艺钻孔，让所钻孔的终孔部位穿过崩塌滑坡部位的滑带并进入完整基岩；b、先在同一单膜量测光纤上安装若干个光纤压力传感器而构成光纤压力传感器组，然后将光纤压力传感器组中的各光纤压力传感器固定在地质套管的外管壁上，并记录下各光纤压力传感器在地质套管外管壁上的安装位置及方位，最后将安装有光纤压力传感器的地质套管逐根对接后置入上述钻孔内；c、在安装有光纤压力传感器的地质套管与钻孔之间的间隙内灌注水泥砂浆；d、用光电探测器在单膜量测光纤的测试端注入光脉冲进行探测，并将所得到的后向散射光信号转换为电信号后传送给计算机进行分析处理。

在本发明方法的步骤a中，所说的钻进工艺可以是常规钻进工艺，为了便于其后的数据处理，通常可钻为垂直孔，但在必要时也可以钻为斜孔。

在本发明方法的步骤b中，在同一地质套管的外管壁上通常可以固定多个光纤压力传感器，且同一地质套管的外管壁上固定的光纤压力传感器可以分属于不同的光纤压力传感器组，另外，还可以通过工艺制作，让不同组的光纤压力传感器固定联接为一体，以便于在地质套管上的固定。在同一钻孔内，可以设置1个或多个(2个及2个以上)光纤压力传感器组。

在本发明方法的步骤c中，在地质套管与钻孔之间的间隙内灌注水泥砂浆的目的是让安装在地质套管外壁上的光纤压力传感器与钻孔周围的围岩相偶合。在水泥砂浆凝结后，就可以通过该水泥砂浆将钻孔周围围岩的受力传递给光纤压力传感器。

在本发明方法的步骤d中，所采用的光电探测器可以是现有的市售产品，该产品既能在单膜量测光纤的测试端注入光脉冲，又能接收光纤在光纤压力传感器处产生的后向散射光信号，并将所得到的后向散射光信号转换为电信号后传送给计算机进行分析处理。

与前述现有方法相比，本发明的崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法具有较高的空间分辨率和测量灵敏度，工程实用性好。

本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

附图说明

图1是实施例中所采用的光纤压力传感器的结构及工作原理示意图。

具体实施方式

本实施例的监测方法按以下步骤进行：

a、在欲监测的崩塌滑坡部位采用钻进工艺钻孔，让所钻孔的终孔部位穿过崩塌滑坡部位的滑带并进入完整基岩；b、先在同一单膜量测光纤上安装若干个光纤压力传感器而构成光纤压力传感器组，然后将光纤压力传感器组中的各光纤压力传感器固定在地质套管的外管壁上，并记录下各光纤压力传感器在地质套管外管壁上的安装位置及方位，最后将安装有光纤压力传感器的地质套管逐根对接后置入上述钻孔内；c、在安装有光纤压力传感器的地质套管与钻孔之间的间隙内灌注水泥砂浆；d、用光电探测器在单膜量测光纤的测试端注入光脉冲进行探测，并将所得到的后向散射光信号转换为电信号后传送给计算机进行分析处理。

步骤a的具体做法是：

1)在选定部位采用适宜钻进工艺，钻铅直孔，误差≤±5％，终孔孔径Φ110mm。

2)成孔后采用声波测井和孔内电视对孔内地质情况进行了解，特别对软弱夹层的层位、深度、厚度、滑带等进行描述，作钻孔柱状图。

3)为防止塌孔，并为将来进行孔口保护做好准备，孔口段下入相应的层套管。

4)钻孔终孔按设计穿过滑带，进入完整基岩约6米，达到设计要求。

步骤b的具体做法是：

使用Φ57的地质套管，每根地质套管长4米，中间通过地质套管接头(Φ89)或传感器接头(Φ89)进行连接，用M20的螺栓。在地质套管外壁的四个方向上有四个传感器安装平面，以安装Φ56光纤压力传感器。先在同一单膜量测光纤上安装若干个光纤压力传感器而构成光纤压力传感器组，在本实施例中，同一钻孔内采用2个光纤压力传感器组。用M2.5的螺栓将光纤压力传感器在地质套管外壁的安装平面上固定，并记录下各光纤压力传感器在地质套管上的位置与方位。将地质套管逐根对接后下入钻孔内。本实施例在安装地质套管时还注意了以下几点：

1)为了使钻孔中的堆积物不塌孔，保证地质套管的顺利下入，在钻探开孔时所用的护孔套管均部分保留。保留套管的长度一般不应小于1.0m，或根据滑坡堆积层厚度而定。

2)进行应力与推力监测的钻孔，终孔孔径不小于Φ110，所有钻孔终孔后均校正了孔深。孔深最大误差不得大于1％，孔斜顶角最大允许弯曲度，每百米孔深不得超过2°，随孔深增加可递增计算，顶角如超过5度后要测方位角。

3)事先确定好光纤压力传感器埋设的孔位和方位，配置好地质套管长度与接头或传感接头端用M20螺栓连接，并在地质套管上作上母线标志，以保证地质套管下放钻孔后方位的确立，按顺序编号，并用胶带将地质套管与接头连接处缠绕平整，以免毛刺端面锐角划断光纤。

4)下放的第一根地质套管加装了一个接头，以免光纤直接与孔壁相撞。

5)在同一钻孔内采用2个光纤压力传感器组，每个光纤压力传感器组中共有8个按顺序排列的光纤压力传感器，每个光纤压力传感器组中的每一个光纤压力传感器都作有标识，即编号与位置(米)。例如：一根光纤上的光纤压力传感器按顺序编为1、2、3、4、5、6、7、8号，则另一根光纤上的光纤压力传感器按顺序编为A、B、C、D、E、F、G、H号。本例中在地质套管外壁的四个方向上都安装光纤压力传感器，且让2根光纤均在其中部进行对叠，即让同一条光纤的头、尾均位于钻孔的孔口处，而让其中部位于孔底附近，那么，在孔内则可以在四个方向和四个不同的孔深位置安装四组，2个光纤压力传感器组中的16个光纤压力传感器从最深孔深计为一组，则第一组(最深孔深处)安装编号为D、E、4、5的四个光纤压力传感器，第二组安装编号为C、F、3、6的四个光纤压力传感器，第三组则安装编号为B、G、2、7的四个光纤压力传感器，第四组(最浅孔深处)则安装编号为A、H、1、8的四个光纤压力传感器。

6)用两根细钢丝绳穿过地质套管接头或传感器接头，绞车挂住钢绳，并将光纤多余长的部分用胶带缠于地质套管上，不让光纤打折。光纤压力传感器安装在传感器接头上并记录下位置、方位，下放入钻孔，地质套管接头在孔口处与一垫叉(可打开，锁口，分为两瓣，口径略大于地质套管直径，小于接头直径，高5cm-10cm)相托。下放稳后，取下钢绳，再穿过另一根地质套管连接孔，用绞车挂住钢绳，两根光纤四个方位，四个接头在安装时注意安放在四个方向上，以防缠绕打结。用胶带包扎好连接头，将毛刺或台阶部分用胶带包扎平整，整个光纤压力传感器也用宽胶带包扎平整。在光纤压力传感器接头两端打上小孔以便注浆，使光纤压力传感器与围岩耦合好。下放的过程中让一对光纤压力传感器受力方向与预计变型或滑移方向相近，地质套管埋设深度在稳定层下4～5m。

步骤c的具体做法是：

从地质套管中孔通过底部返浆法，用C25水泥砂浆灌注，为了使环状间隙灌实形成整体，因此采水泥砂浆配合比为1∶2，灌浆完毕后，做好孔口保护，安装好测试平台(1.5×1.5m2)。注意在光纤接头部分，不要踩坏或灌入水泥浆液，并做好四个接头的方向标记符号，作好安装记录。

步骤d的具体做法是：

1)仪器连接：将光电探测器及电源从箱中取出，并连接好对应电源插头，从孔口保护管中取出光纤接头，小心剥去防水胶带，拔下保护盖，观察插头有无异物，用乙醇(酒精)、长纤维纤纸清洗干净，再对正插口导槽，将插头插入光纤插座并拧到位。

2)仪器检查：仔细检查各插头是否接正确，将逆变电源处于逆变状态打开，逆变输出后，打开光电探测器电源，光电探测器启动，经计算机进行分析处理后得到相关数据。

在本实施例中，数据记录分为现场数据采集记录表和现场安装下管记录表：

数据采集记录表：记录下孔号、日期、传感器编号、方向、位置、采集光纤头编号，采集文件，推力。

现场安装下管记录表：记录下地质管长度、采用接头数、传感器接头数、孔深等，记录下孔号主滑方向、传感器的安装方向、孔深度。

本实施例方法的监测原理如下：

由于光纤的弯折和组分的非均匀性，使得在光纤中传播的光脉冲发生瑞利散射。一部分散射光沿着光脉冲传输相反的方向传输，这种现象称为瑞利后向散射，它提供了与光纤长度、弯折有关的衰减细节。

实施例中所采用的光纤压力传感器的结构如图1所示，弹膜片1固定在刚性壳体上，由动齿板2和定齿板3组成了齿形压板。动齿板2固定在弹膜片1的中心，定齿板3固定在刚性壳体的底座上。压力P作用于弹膜片1并产生压应变w，固定在弹膜片中心的动齿板2产生相应的位移，改变齿形压板间光纤4的微弯幅度，使微弯损耗产生变化。当沿光纤轴向敷设多个光纤压力传感器时，就可用OTDR探测微弯损耗，实现对沿光纤轴向分布压力的分布式传感。在测量过程中，当均布载荷P作用于光纤压力传感器的弹模1时，弹模1发生微应变w，并使动齿板2的压齿及光纤4产生相应的压应变，亦即是将光纤芯中的导模藕合到辐射模，引起微弯功率损耗的变化，只要能测得此微弯功率损耗的变化值，就能量测到均布载荷P的变化值。

设由光电探测器注入光纤的光脉冲峰值功率为P₀，则光脉冲沿光纤传输到的Z＝Z_s处，在光脉冲输入端所得到后向散射功率为P_s，即在注入光脉冲后，经过时间t得到的后向散射功率P_s应为：

$P_s\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_s{v}_{\mathrm{\τ}}{P}_0{e}^{-\mathrm{\αvgt}}S-------\left(1\right)$

其中：S后向散射系数

$S=\frac{3}{2n^2{w_0}^2{(\mathrm{\ω}/c)}^2}\≈\frac{3/2}{{(w_0/\mathrm{\α})}^2{v}^2}\left(\frac{{n_1}^2-{n_2}^2}{{n_1}^2}\right)\≈0.038{(\mathrm{\λ}/n_{1}w)}^2$

τ脉冲宽度；α光纤的衰减系数；αs光纤的衰减散射系数；v单模光纤的归一化频率；a单模光纤的芯径；v_g群速度；n1，n2单模光纤的芯区和包层折射率；λ波长；w模场宽度；令

Ps(t)＝P₀τηexp(-αv_gt)-------------(2)

通常称η为后向散射因子，单模光纤的η通常为10W/J左右。从公式(1)和(2)可以看出后向散射功率与时间的关系，这就是OTDR称为光时域反射计的原因。由于光脉冲传输的距离z与时间t的关系为 $z=\frac{1}{2}{v}_{g}t$ ，这里的

是考虑光在光纤中往返两次传输，后向散射功率方程可改写为与距离有关的方程：

Ps(z)＝P₀τηexp(-2αz)-------------(3)

到此就得到单模光纤后向散射功率方程与时间或者与距离有关的两种表达式。后向散射功率的大小不仅与后向散射系数S或后向散射因子η有关，而且与入射的初始光功率P₀、散射衰减系数α_s、衰减系数α等有关。单模光纤的后向散射功率方程是进行OTDR设计的理论基础。

设注入光脉冲峰值功率为P₀，如果能测得z₁、z₂处的瑞利后向散射光回传到光脉冲注入端的光功率P(z₁)、P(z₂)，即可求得z₁和z₂间前后向传输的平均衰减系数α：

$\mathrm{\α}=\frac{5}{z_2-z_1}\log \frac{P\left(z_1\right)}{P\left(z_2\right)}------\left(4\right)$

在OTDR测量中，与距离有关的信息是通过时间信息而得到，OTDR测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差，利用折射率n值将这一时域信息转换成距离Z。

$Z=\frac{\mathrm{ct}}{2n}------\left(5\right)$

式中c为真空中的光速(3×10⁸m/s)。

另外，均布载荷、应力与应变(γ＝0.3)关系：

$w=0.171{(1-k^2)}^2{m}^4\frac{\mathrm{pt}}{E}$

$w_{\max }=w_{k=0}=0.171m^4\frac{\mathrm{pt}}{E}------\left(6\right)$

$p=\frac{E{w}_{\max }}{0.171m^{4}t}------\left(7\right)$

${\mathrm{\σ}}_r=\left(\begin{array}{c}-\\ +\end{array}\right)(0.488-1.24k^2)m^{2}p$

${\mathrm{\σ}}_Q=\left(\begin{array}{c}-\\ +\end{array}\right)(0.488-0.713k^2)m^{2}p$

σ_max＝(σ_r)_k＝1＝(±)0.750m²p------------(8)

在以上各式中，p-为均布载荷；w-为应变，向下为正；r-为所求点半径；E-为弹性模量； $k=\frac{r}{a};$ $m=\frac{a}{t};$ t-为板厚；σ_r、σ_Q-为板上、下表面处的径向与周向弯曲应力，在公式(8)内，式前的“+”，“-”号中，上面的指上板面，下面的指下板面。

利用公式(5)，OTDR可以进行准确的事件定点。OTDR可以非常精确地测量后向散射光功率，并通过公式(4)、公式(5)与公式(6)来测量沿光纤长度上任一点光纤链路衰减特性的微小变化，在此即图1中的压应变w，再通过公式(7)与公式(8)求得均布载荷P与应力σ_max的值。

通过测得设计安装孔深位置的四个方向(按滑带层位分段)上各光纤压力传感器所受压力，按分段积分方式求出各孔段所受推力，从而可以确定滑带层受力情况，并提供全孔段受力随时间变化曲线等。

一般情况下每月监测一次或按设计进行，施工期根据防治工作需要，增加测次，压力明显加大时也应适当增加监测密度。

Claims (1)

1.一种崩塌滑坡岩体光纤推力监测方法，其特征是按以下步骤依次进行：

a、在欲监测的崩塌滑坡部位采用钻进工艺钻孔，让所钻钻孔的终孔部位穿过崩塌滑坡部位的滑带并进入完整基岩内；

b、先在同一单膜量测光纤上安装若干个光纤压力传感器而构成光纤压力传感器组，然后将光纤压力传感器组中的各光纤压力传感器固定在地质套管的外管壁上，并记录下各光纤压力传感器在地质套管外管壁上的安装位置及方位，最后将安装有光纤压力传感器的地质套管逐根对接后置入步骤a得到的上述钻孔内；

c、在通过步骤b将安装有光纤压力传感器的地质套管逐根对接并置入步骤a得到的钻孔内之后，再在安装有光纤压力传感器的地质套管与上述钻孔之间所形成的间隙内灌注水泥砂浆；

d、在步骤c灌注的水泥砂浆凝结后，用OTDR光时域反射计在单膜量测光纤的测试端注入光脉冲进行探测，并接收光纤在光纤压力传感器处产生的后向散射光信号，将所得到的后向散射光信号转换为电信号后传送给计算机进行分析处理；所述单膜量测光纤光纤为经步骤b置入钻孔内的地质套管上的光纤压力传感器组中的单膜量测光纤；

在上述步骤a中，所钻钻孔为垂直孔或斜孔；成孔后对钻孔内地质情况进行了解，对软弱夹层的层位、深度、厚度、滑带进行记录；

在上述步骤b中，在同一地质套管的外管壁上可以固定多个光纤压力传感器，且同一地质套管的外管壁上固定的光纤压力传感器可以分属于不同的光纤压力传感器组；在同一钻孔内，可以设置1个或多个光纤压力传感器组；

在上述步骤c中，在地质套管与钻孔之间的间隙内所灌注的水泥砂浆让安装在地质套管外壁上的光纤压力传感器与钻孔周围的围岩相偶合；在水泥砂浆凝结后，通过该凝结后的水泥砂浆将钻孔周围围岩的受力传递给光纤压力传感器；

在上述步骤d中，在对光纤压力传感器处产生的后向散射光信号进行分析处理时，利用OTDR光时域反射计测量后向散射光功率，并由此计量沿光纤长度上任一点光纤链路衰减特性的微小变化，再求得作用于光纤压力传感器上的均布载荷P与应力σ_max的值；通过测得各光纤压力传感器所受压力，按分段积分方式求出钻孔的各孔段所受推力，从而确定滑带层受力情况。

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