CN103487130B - 地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构、施工工艺以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构、施工工艺以及方法，其中光纤穿设在管道中，所述管道的下方由上往下依次铺设第一砾石层和第一土工布层，所述管道上匀距垂直放置有立柱，同时在管道上方铺设有第二砾石层，并覆盖立柱，所述第二砾石层上铺设有第二土工布层，所述第二土工布层上铺设由土层。本发明通过在地面下构筑的立柱，通过物理传递的信号放大光纤振动感应信号，有效的实现监测系统对入侵信号的及早反映，准确报警。

Description

地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构、施工工艺以及方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种提高光纤长距离监控定位精度的技术。

背景技术

维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。对通信光缆（包括海底光缆）、高压电网、输油管道、输气管道、电缆沟等基础设施进行安全监测，不仅是这些设施实现技术性功能的保障，更是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。特别是随着基础设施建设的快速发展，呈现出区域分布广、复杂程度高、重要性进一步提高的新特点，这就使得基础设施受到危害的范围、频率也随之增加，安全监测的难度、重要性也相应增加。据不完全统计，仅中国每年因外界破坏而造成的管道泄漏或爆炸上千余次，直接经济损失达几亿元。由此带来的环境污染、商业信用等损失更是难以估量。

为了维护干线的完整性，防止第三方破坏，直接负责管道、电网、通信网等运营部门已经投入了巨大的人力和财力。各级政府和社会各界也非常关注，从专项立法到具体防范、舆论宣传、专项治理等方面都做了大量的工作。国务院曾召开电视电话会议，部署开展输油管道生产治安秩序专项行动，公安部也加大了打击盗油犯罪的力度，并收到了一定的成效。

各种管道运输安全监测技术在这种强烈的市场需求中应运而生并不断发展，目前已有的管道安全生产监测技术主要有“管内流体力学状态检测技术”、“分布式光纤温度和应力监测技术”、“声波监测技术”、“M-Z光纤干涉技术”、“OTDR光时域反射技术”、“单芯反馈式光纤干涉技术”等。

由于长距离干线的监测，容易受电磁干扰的影响且长距离供电的困难性，因此，光纤类技术成为了进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。光纤传感器是以光学理论为基础，将非光量转化为光量进行测量。以光纤作为信息传递媒介的传感器具有一系列其它传感器无法比拟的优点：不受电磁场干扰，能应用在强电磁场的场合；不会产生电磁骚扰；感应端无需供电，使用、维护方便；耐腐蚀、本质安全等等。而且光纤定位监测能够对威胁管道安全的各种行为进行早期监测、定位和预警，“未雨绸缪”，给管道维护者留出足够时间来制止破坏或强化防范的话，就会彻底扭转运营部门当前这种被动堵漏的不利局面，从根本上避免损失。

目前已有的光纤类长距离定位监控技术主要包括“分布式光纤温度和应力监测技术”、“M-Z光纤干涉技术”、“OTDR光时域反射技术”、“单芯反馈式光纤干涉技术”，各类技术原理相异，达到的效果也各有不同。但基本的原理都是通过光纤感应直接触及光缆，或通过土壤、构筑物等介质传递的机械振动、冲击量等振动信号。而需要进行安全监控的油气管道、通信干线光缆、电缆等物质往往埋于地下，所以用于安全监测的光缆也需沿监护管线进行埋设。因此，光缆是通过土壤传递的机械振动、冲击量来进行入侵振动判断。而土埋对于机械振动、冲击量等振动信号会形成一个极大的消振作用，造成入侵行为发生时间很长一段时间内，系统还不能感应到足够的振动信号，进行安全警报。现实应用过程当中，往往要入侵行为确实已经很接近防护物的时候，系统才发出警报，给出警留出了极为有限的时间。如果出警不及时，防护物就可能已经被破坏，达不到“未雨绸缪”、“事前监控”的效果。因此，如何放大光缆感应入侵事件的振动信号，对于系统预期的监控目的十分关键。

发明内容

针对现有光纤类长距离定位监控技术中光缆不能及时感应到足够的振动信号的问题，本发明的目的在于提供一种放大光纤感应振动信号的光纤结构。

作为本发明的第二目的，本发明还提供一种放大光纤感应振动信号结构的施工工艺。

作为本发明的第三目的，本发明还提供一种放大光纤感应振动信号的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，所述结构包括光纤，所述光纤穿设在管道中，所述管道的下方由上往下依次铺设第一砾石层和第一土工布层，所述管道上匀距垂直放置有立柱，同时在管道上方铺设有第二砾石层，并覆盖立柱，所述第二砾石层上铺设有第二土工布层，所述第二土工布层上铺设由土层。

在该结构的优选实例中，所述结构中铺设两个管道，每个管道中铺设有两根光纤。

进一步的，所述两个管道为外径20-40mm的PPR管和镀锌金属管。

进一步的，所述每个管道中铺设的两根光纤分别为直径1-4mm的带铠光纤和直径0.5-1.5mm的紧包光纤。

进一步的，所述第一砾石层的厚度为2-6cm。

进一步的，所述立柱的底面为100*100-150*150mm，高为300-600mm。

进一步的，所述第二砾石层厚度为30-60cm。

进一步的，所述土层的厚度为12-20cm。

作为本发明的第二目的，一种放大光纤感应振动信号结构的施工工艺，所述工艺包括如下步骤：

（1）沿着待监测管线，在其正上方挖沟渠；

（2）在沟渠底部线铺设一层土工布；

（3）在土工布上方铺设第一层砾石层；

（4）在第一层砾石层上铺设管道，光缆从管道穿过；

（5）在管道上匀距设置一放置点，在每个放置点上垂直放置一个立柱，使得立柱底面与管可靠接触；

（6）沟渠内填充砾石；

（7）在砾石表层布设一层土工布；

（8）在土工布上铺土层。

作为本发明的第三目的，一种地埋立柱式放大光纤振动感应信号的方法，所述方法包括如下步骤：

首先，待监测管线上部的土层将外界的振动传递给砾石区域以及砾石区域中立柱的四周；

接着，作用于砾石区域的振动，经砾石区域减弱后传递至铺设光缆的管道上；同时，作用于立柱四周上的振动对立柱形成机械性撞击，立柱将撞击产生的机械能量直接传递至铺设光缆的管道上；

最后，管道经由空腔放大，将放大后的振动信号传递给内部的传感光缆。

本发明通过在地面下构筑的立柱，通过物理传递的信号放大光纤振动感应信号，有效的实现监测系统对入侵信号的及早反映，准确报警。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中地埋立柱式放大光纤振动感应信号结构的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明利用地面下构筑的立柱，通过物理传递的信号放大光纤振动感应信号，以便于系统对入侵信号的及早反映，准确报警。

为此，本发明提供一种地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构。参见图1，其所示为地埋立柱式结构的示意图。由图可知，该结构100中主要光纤101、管道102、第一砾石层103、第一土工布层104、立柱105、第二砾石层106、第二土工布层107以及土层108配合形成。

其中光纤101铺设在管道102中，并自然落于管道102内，光纤101用于感应相应的震动信号，而管道102利用其自身的空腔对外界的振动信号振动放大，使得套管作为振动信号放大的介质物，同时还对内部穿套的光纤起到很好的保护作用。

为了进一步提高感应效果，本发明可平行铺设两种管道：为外径20-40mm的PPR（或与硅芯管相近材质）管和镀锌金属管，作为举例可采用外径为30、32或35mm的PPR（或与硅芯管相近材质）管和镀锌金属管。

同时在每个管内穿两根光纤/缆：直径为1-4mm的带铠光纤和直径0.5-1.5mm的紧包光纤，作为举例可采用直径为2或3mm的带铠光纤和直径为0.7、0.9或1mm的紧包光纤。其中带铠光纤的内部光纤为0.5-1.5mm紧包光纤，铠外有金属丝网。

第一砾石层103铺设在管道102的下方，其厚度为2-6cm，作为举例可以为4cm。

该第一砾石层103目的是在铺设光缆的管道底部给予光缆一个反向的作用力，当有振动信号传递至铺设光缆的管道时，底部能够同时给予一个反向作用力，保证振动信号不会被减弱。

第一土工布层104铺设在第一砾石层103，并直接与地表200接触。其用于保证砾石层与铺设管道的分离，防止因砾石层中存在的少量泥土流动下沉，在铺设管道附近堆积太多的软性土壤，从而减弱振动信号的传递。

立柱105沿管道102方向匀距垂直放置在管道102上，该立柱105会与其四周的振动产生机械性撞击，立柱在经由机械性撞击之后，将撞击的机械能量很快的传递至铺设光缆的管道上，而且对传递的机械能量减弱较少。

具体的，在管道102上每隔4米设置一放置点，同时立柱105底面与管可靠接触（可考虑立柱留绑扎孔）。由于本方案中铺设两个管道，故在放置立柱时，每根立柱仅放置在一根管上。

再者，该立柱105为方柱，其尺寸：底面为100*100-150*150mm，高为300-600mm，可为水泥浇注。作为举例，该立柱105的底面为120*120mm或130*130mm，其高度可以为400mm或500mm。

第二砾石层106铺设在管道102的上方，并对放置在管道上的立柱105进行全覆盖。该第二砾石层厚度为30-60cm，作为举例，该第二砾石层厚度可以为40mm或50mm。

第二砾石层106用于将土层传递的振动传递给管道，并对立柱形成支撑。由于砾石层对于机械波的传递性较立柱稍弱，但较土层要强，因此当有机械能量作用于砾石层上，砾石层会将机械能量较少的减弱后传递至铺设光缆的管道。第二土工布层107铺设在第二砾石层106上。第二土工布层107用于保证砾石层与土层的分离，防止因土层中的泥土流动下沉，造成砾石层的板结，影响砾石层较为松动的结构对振动传递的影响效果。

在上述的举例中，两层工布层（即第一工布层和第二工布层）之间相距大约54cm。

土层108铺设在第二土工布层107上，厚度为12-20cm，作为举例可以为13、15、16、18cm。由此形成地埋立柱式放大光纤振动感应信号结构，其整体厚度大约为70cm。

针对上述方案形成的地埋立柱式放大光纤振动感应信号结构，其通过如下的施工工艺形成（参加图1）：

（1）沿着待监测管线，在其正上方挖沟渠，例如：宽50cm，深70cm。

（2）在沟渠底部线铺设一层土工布104。

（3）在土工布上方铺设第一层砾石层103，厚度约4cm。

（4）在第一层砾石层上铺设管道102，光缆101从管道穿过。为了进一步提高效果，可采用如下管道铺设方案：

平行铺设两种管道：

1）管道规格：外径32mm，PPR（或与硅芯管相近材质）；

2）镀锌金属管；

每个管内穿两根光纤/缆：

1）直径3mm的带铠光纤（内部光纤为0.9mm紧包光纤，铠外有金属丝网）；

2）直径0.9mm的紧包光纤；

（5）将立柱105垂直放在管道上，具体的，在管道102上每隔4米设置一放置点，且对于两管道，一个立柱仅放置在一根管上，立柱底面与管可靠接触（可考虑立柱留绑扎孔）。立柱尺寸：底面（120*120mm），高500mm，可为水泥浇注。

具体的在立柱放置前，在放置位置的管道102两旁布少许石子，厚度以不超过管高度，又能支撑立柱为宜。

（6）沟渠内填充砾石，形成第二砾石层106，其厚度50cm，（可能需少许压实）。

（7）在第二砾石层106表层布设一层土工布107。

（8）在土工布107上铺土层108，厚度约16cm左右。

通过上述施工方案，形成地埋立柱式放大光纤振动感应信号结构后，该结构对振动信号的感应过程如下：

当有建筑施工工程或者恶意侵入行为通过工程机械、钻探工具作用在被监控保护的管道附近区域时，自上而下的机械性挖、刨、钻等行为会作用于被监控保护管道上部的土层。

土层将这些机械性行为传递并作用在砾石区域与作用在立柱上，对于铺设于管道当中的光缆所产生的波形是不同的：

对于砾石区域，由于砾石层对于机械波的传递性较弱，会减弱一部分机械能量后将振动传递至铺设光缆的管道上；同时作用在立柱周界的机械振动，将与立柱产生机械性撞击，立柱在经由机械性撞击之后，会将撞击的机械能量很快的传递至铺设光缆的管道上。

而管道经由空腔放大，将振动信号传递给传感光缆；同时当有振动信号传递至铺设光缆的管道时，位于管道底部的砾石层同时给予管道一个反向作用力，保证振动信号不会被减弱。

最后，系统后端根据探测到的机械波形，判断事件的行为特征，从而报警。

由此，该方案在实际应用时，当大型机械的施工力度连续夯砸砾石层，即威胁性机械施工触及到砾石层（含立柱）时，光缆将能够及时且感应到足够的振动信号，使得监控系统能够及时发出报警。

再者，由于本方案在布设中，共有两种管道和两种光缆，构成4种感应组合，具体采用何种组合方式，可通过现场试验，确定最佳的组合方式。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，所述结构包括光纤，其特征在于，所述光纤穿设在管道中，所述管道的下方由上往下依次铺设第一砾石层和第一土工布层，所述管道上匀距垂直放置有立柱，同时在管道上方铺设有第二砾石层，并覆盖立柱，所述第二砾石层上铺设有第二土工布层，所述第二土工布层上铺设有土层。

2.根据权利要求1所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述结构中铺设两个管道，每个管道中铺设有两根光纤。

3.根据权利要求2所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述两个管道为外径20-40mm的PPR管和镀锌金属管。

4.根据权利要求2所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述每个管道中铺设的两根光纤分别为直径1-4mm的带铠光纤和直径0.5-1.5mm的紧包光纤。

5.根据权利要求1所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述第一砾石层的厚度为2-6cm。

6.根据权利要求1所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述立柱的底面为100*100-150*150mm，高为300-600mm。

7.根据权利要求1所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述第二砾石层厚度为30-60cm。

8.根据权利要求1所述的地埋立柱式放大光纤振动感应信号的结构，其特征在于，所述土层的厚度为12-20cm。

9.一种放大光纤振动感应信号结构的施工工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：

(1)沿着待监测管线，在其正上方挖沟渠；

(2)在沟渠底部先铺设一层土工布；

(3)在土工布上方铺设第一层砾石层；

(4)在第一层砾石层上铺设管道，光缆从管道穿过；

(5)在管道上匀距设置一放置点，在每个放置点上垂直放置一个立柱，使得立柱底面与管可靠接触；

(6)沟渠内填充砾石；

(7)在砾石表层布设一层土工布；

(8)在土工布上铺土层。

10.一种地埋立柱式放大光纤振动感应信号的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

首先，待监测管线上部的土层将外界的振动传递给砾石区域以及砾石区域中立柱的四周；

接着，作用于砾石区域的振动，经砾石区域减弱后传递至铺设光缆的管道上；同时，作用于立柱四周上的振动对立柱形成机械性撞击，立柱将撞击产生的机械能量直接传递至铺设光缆的管道上；

最后，管道经由空腔放大，将放大后的振动信号传递给内部的传感光缆。