CN104404986B - 一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，该方法采用BOTDR/BOTDA分布式光纤传感技术，对边坡岩体进行分布式温度检测，得到降雨入渗引起的岩体温度变化，通过边坡各监测孔中将岩性、张开度和地下水位变化等参数与岩体温度变化进行关联分析，确定边坡的雨水入渗结构面，并结合分布式变形检测时边坡滑动位置的对比分析，识别边坡潜在滑动面；本发明方法具有方法简单、操作方便、安全可靠的优点，适用于降雨引起的岩质边坡潜在滑动面的确定。
Description
技术领域
本发明属于地质灾害监测技术，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法。
背景技术
在降雨条件下，雨水沿岩体裂隙向下入渗，会增加岩体的渗透力、降低结构面的抗剪强度，从而导致边坡的失稳破坏。因此，通过掌握岩体中降雨入渗后地下水流动状况，准确地确定边坡潜在滑动面，可以为滑坡治理方案设计提供科学依据。目前有关边坡滑动面识别方法方面，主要有工程勘察法、瞬态瑞雷波勘探法及地质雷达探测法等。其中工程勘察法是根据监测孔勘察和工程经验，通过技术人员的分析、判断，提出滑动面位置。但受结构面的复杂程度影响，易导致滑动面的错判和漏判。对于瞬态瑞雷波法和地质雷达法等物探方法，利用不同介质材料中波速等传播介质的差异，确定结构面的方法。此法易受边坡地层性质、地形起伏及人为主观因素影响，其检测结果的可靠性差异较大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分布式光纤传感技术的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，采用BOTDR/BOTDA(布里渊光时域发射仪/布里渊光时域分析仪)分布式光纤传感技术，对边坡岩体进行分布式温度检测，得到降雨入渗引起的岩体温度变化，通过关联规则分析，确定地下水的渗流通道，并结合分布式变形检测时边坡滑动位置的对比分析，识别边坡潜在滑动面；本发明方法具有方法简单、操作方便、安全可靠的优点，适用于降雨引起的岩质边坡潜在滑动面的确定。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，包括传感器的铺设、岩体变形的分布式检测以及潜在滑动面的定量识别步骤，具体为：
(1)传感器的铺设
(1.1)沿边坡坡面的倾向和走向布置监测孔阵列；
(1.2)将传感光缆呈U字形铺设于监测孔内，具体步骤为：
(1.2.1)设计配重：配重的纵截面为U字形，配重的上端面设置有与钻杆插接用的连接头，在配重的侧表面设置有两条U形凹槽，两条U形凹槽所在的平面垂直相交，且交线与配重的中轴线重合；
(1.2.2)在配重的两条U形凹槽内分别铺设温度传感光缆和应变传感光缆，即将温度传感光缆和应变传感光缆的中部铺设在配重的两条U形凹槽内，并使用粘结剂固定，温度传感光缆和应变传感光缆的两端延伸出，然后将配重安装在钻杆前端；
(1.2.3)通过钻杆的推力将配重输送至监测孔内的预定埋深；温度传感光缆和应变传感光缆的两端沿钻杆外侧向远离配重的一端延伸，除与配重接触的部分外，铅直布置在监测孔内，温度传感光缆和应变传感光缆的两端在监测孔外侧均有余留；
(1.3)取出钻杆，根据监测孔深度范围内岩体的性质，由下而上缓慢填充监测孔，并在监测孔的顶部使用钢板和混凝土材料进行封孔，以防雨水或异物进入监测孔内；
(1.4)将余留在监测孔外的温度传感光缆采用熔接的方式串联，引入监测室；将余留在监测孔外的应变传感光缆采用熔接的方式串联，引入监测室；
(2)岩体变形的分布式检测
(2.1)岩体温度的检测，具体为：
(2.1.1)在检测岩体温度前，对温度传感光缆进行预热，并通过温控器调节温度传感光缆的温度；
(2.1.2)雨水沿结构面入渗后会流经监测孔内的温度传感光缆，由于雨水温度与温度传感光缆温度之间存在差异，会降低雨水入渗结构面位置处温度传感光缆的温度；通过BOTDR/BOTDA的分布式检测，得到温度传感光缆的温度变化区间，确定监测孔内雨水入渗结构面的位置和张开度；
(2.2)岩体应变的检测，具体为：在包括降雨在内的外力作用下，边坡沿结构面滑动时，应变传感光缆与周围的岩体协调变形；通过BOTDR/BOTDA的分布式检测，得到应变传感光缆的变形状况，确定监测孔内边坡结构面的滑动位置和产状；
(3)潜在滑动面的定量识别
(3.1)根据监测孔的钻孔资料得到监测范围内岩体的厚度、性质和产状，将监测孔内由于雨水入渗引起的温度变化量在设定范围内的位置进行连接；
(3.2)边坡各监测孔中分别将包括岩性、张开度和地下水位变化等参数依次作为相关因素序列，以监测孔内的温度作为行为数据序列进行关联分析，计算关联度，确定边坡的雨水入渗结构面；
(3.2)当边坡的雨水入渗结构面经过各监测孔内的边坡滑动位置时，将此雨水入渗结构面确定为边坡潜在滑动面。
优选的，所述温度传感光缆的结构为：包括0.9mm直径的紧套传感光纤、碳纤维加热丝和护套，其中碳纤维加热丝位于紧套传感光纤和护套之间并均匀布置，紧套传感光纤在护套内松弛布置，不受应力作用。
优选的，所述应变传感光缆的结构为：包括0.9mm直径的紧套传感光纤，在紧套传感光纤表面粘贴护套；监测孔内应变传感光缆的对称铺设平面与边坡的倾向一致。
优选的，所述监测孔的深度大于等于所处位置的地面到稳定基岩的铅直高度，监测孔的直径在75～110mm范围内，沿边坡坡面的倾向和走向，相邻监测孔之间的水平距离在3～10m范围内。
优选的，所述配重的直径小于监测孔的直径，U形凹槽的宽度和深度均大于温度传感光缆和应变传感光缆的直径，可以统一设置为10mm。
优选的，所述步骤(2.1.1)中，在检测岩体温度前，对温度传感光缆进行预热，预热温度基于外界温度、地下水温度等条件变化，一般通过温控器调节温度传感光缆的温度在25～40℃范围内。
优选的，所述步骤(1.3)中，基于周围岩体性质，采用粘土、膨润土、细砂或中砂等材料由下而上缓慢填充监测孔，确保地下水沿原有结构面方向流动，防止沿监测孔上下流动。
有益效果：本发明提供的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，具有如下优点：
1、基于BOTDR/BOTDA的结构面温度检测方法，具有分布式、精度高及成本低廉等优点，适用于岩体温度场的检测；
2、采用粘土、膨胀土、细砂及中砂等材料填充监测孔，使降雨入渗之后地下水在原有结构面流动，能够防止沿监测孔上下流动；
3、通过温控器调整温度传感光缆的温度，当雨水沿雨水入渗结构面流动并经过监测孔内的温度传感光缆时，由于存在着温度差异而降低温度传感光缆温度，从而识别有关雨水入渗结构面的位置和张开度；
4、基于BOTDR/BOTDA的岩体变形检测，得到边坡滑动位置，通过雨水入渗结构面与边坡滑动位置的对比分析，确定边坡潜在的危险结构面，实现边坡滑动面的定量识别；
5、由于接触式检测，不受地面起伏和地层倾向的影响，测量结果准确可靠。
附图说明
图1(a)为边坡潜在滑动面检测的纵剖面图；
图1(b)为边坡潜在滑动面检测的横剖面图；
图2为监测孔和传感光缆布置示意图；
图3(a)为温度传感光缆结构示意图；
图3(b)为应变传感光缆结构示意图；
图4(a)为配重结构纵剖面示意图；
图4(b)为配重结构横剖面示意图；
图中：1-应变传感光缆，2-温度传感光缆，3-紧套传感光纤，4-碳纤维加热丝，5-监测孔，6-边坡潜在滑动面，7-配重，8-钻杆，9-U形凹槽，10-护套，11-温控器的测温传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种岩质边坡潜在滑动面6的定量识别方法，包括传感器的铺设、岩体变形的分布式检测以及潜在滑动面的定量识别步骤，具体为：
(1)传感器的铺设
(1.1)如图2，沿边坡坡面的倾向和走向布置监测孔5阵列；所述监测孔5的深度大于等于所处位置的地面到稳定基岩的铅直高度，监测孔5的直径在75～110mm范围内，沿边坡坡面的倾向和走向，相邻监测孔5之间的水平距离在3～10m范围内；监测孔内应变传感光缆的对称铺设平面与边坡的倾向一致，温度传感光缆的对称铺设平面与边坡的走向一致；
(1.2)如图1(a)和1(b)，将传感光缆呈U字形铺设于监测孔5内，具体步骤为：
(1.2.1)按图4(a)设计配重7：配重7的纵截面为U字形，配重7的上端面设置有与钻杆8插接用的连接头；如图4(b)，在配重7的侧表面设置有两条U形凹槽9，两条U形凹槽9所在的平面垂直相交，且交线与配重7的中轴线重合；配重7的直径小于监测孔5的直径，U形凹槽9的宽度和深度均设计为10mm；
(1.2.2)在配重7的两条U形凹槽9内分别铺设温度传感光缆2和应变传感光缆1，即将温度传感光缆2和应变传感光缆1的中部铺设在配重7的两条U形凹槽9内，并使用粘结剂固定，温度传感光缆2和应变传感光缆1的两端延伸出，然后将配重7安装在钻杆8前端；
(1.2.3)通过钻杆8的推力将配重7输送至监测孔5内的预定埋深；温度传感光缆2和应变传感光缆1的两端沿钻杆8外侧向远离配重7的一端延伸，除与配重7接触的部分外，铅直布置在监测孔5内，温度传感光缆2和应变传感光缆1的两端在监测孔5外侧均有余留；
(1.3)取出钻杆8，根据监测孔5深度范围内岩体的性质，采用粘土、膨润土、细砂或中砂等材料由下而上缓慢填充监测孔5，确保地下水沿原有结构面方向流动，防止沿监测孔5上下流动；在监测孔5的顶部使用钢板和混凝土材料进行封孔，以防雨水或异物进入监测孔5内；
(1.4)将余留在监测孔5外的温度传感光缆2采用熔接的方式串联，引入监测室；将余留在监测孔5外的应变传感光缆1采用熔接的方式串联，引入监测室；
(2)岩体变形的分布式检测
(2.1)按图1(b)检测岩体温度，具体为：
(2.1.1)在检测岩体温度前，对温度传感光缆2进行预热，并通过温控器调节温度传感光缆2的温度；
(2.1.2)雨水沿结构面入渗后会流经监测孔5内的温度传感光缆2，由于雨水温度与温度传感光缆2温度之间存在差异，会降低雨水入渗结构面位置处温度传感光缆2的温度；通过BOTDR/BOTDA的分布式检测，得到温度传感光缆2的温度变化区间，确定监测孔5内雨水入渗结构面的位置和张开度；
(2.2)按图1(a)检测岩体应变，具体为：在包括降雨在内的外力作用下，边坡沿结构面滑动时，应变传感光缆1与周围的岩体协调变形；通过BOTDR/BOTDA分布式检测，得到应变传感光缆1的应变情况，确定监测孔5内边坡结构面的滑动位置和产状；
(3)潜在滑动面的定量识别
(3.1)根据监测孔5的钻孔资料得到监测范围内岩体的厚度、性质和产状，将监测孔5内由于雨水入渗引起的温度变化量在设定范围内的位置进行连接；
(3.2)边坡各监测孔5中分别将岩性、张开度和地下水位变化等参数依次作为相关因素序列，以监测孔5内的温度作为行为数据序列进行关联分析，计算关联度，确定边坡的雨水入渗结构面；
(3.2)当边坡的雨水入渗结构面经过监测孔5内的边坡滑动面时，将此雨水入渗结构面确定为边坡潜在滑动面6。
如图3(a)所述温度传感光缆2的结构为：包括0.9mm直径的紧套传感光纤3、碳纤维加热丝4和护套10，其中碳纤维加热丝4位于紧套传感光纤3和护套10之间并均匀布置，紧套传感光纤3在护套10内松弛布置，不受应力作用。在实施步骤(2.1.1)时，需要将温控器的测温传感器11设置在紧套传感光纤3和碳纤维加热丝4之间，对碳纤维加热丝4进行通电加热，加热温度基于外界温度、地下水温度等条件变化，一般通过温控器控制温度传感光缆2的温度在25～40℃范围内。
如图3(b)所述应变传感光缆1的结构为：包括0.9mm直径的紧套传感光纤3，在紧套传感光纤3表面粘贴护套10；监测孔5内的应变传感光缆1所在平面与边坡的倾向方向一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：包括传感器的铺设、岩体变形的分布式检测以及潜在滑动面的定量识别步骤，具体为：
(1)传感器的铺设
(1.1)沿边坡坡面的倾向和走向布置监测孔阵列；
(1.2)将传感光缆呈U字形铺设于监测孔内，具体步骤为：
(1.2.1)设计配重：配重的纵截面为U字形，配重的上端面设置有与钻杆插接用的连接头，在配重的侧表面设置有两条U形凹槽，两条U形凹槽所在的平面垂直相交，且交线与配重的中轴线重合；
(1.2.2)在配重的两条U形凹槽内分别铺设温度传感光缆和应变传感光缆，即将温度传感光缆和应变传感光缆的中部铺设在配重的两条U形凹槽内，并使用粘结剂固定，温度传感光缆和应变传感光缆的两端延伸出，然后将配重安装在钻杆前端；
(1.2.3)通过钻杆的推力将配重输送至监测孔内的预定埋深；温度传感光缆和应变传感光缆的两端沿钻杆外侧向远离配重的一端延伸，除与配重接触的部分外，铅直布置在监测孔内，温度传感光缆和应变传感光缆的两端在监测孔外侧均有余留；
(1.3)取出钻杆，根据监测孔深度范围内岩体的性质，由下而上缓慢填充监测孔，并在监测孔的顶部使用钢板和混凝土材料进行封孔；
(1.4)将余留在监测孔外的温度传感光缆采用熔接的方式串联，引入监测室；将余留在监测孔外的应变传感光缆采用熔接的方式串联，引入监测室；
(2)岩体变形的分布式检测
(2.1)岩体温度的检测，具体为：
(2.1.1)在检测岩体温度前，对温度传感光缆进行预热，并通过温控器调节温度传感光缆的温度；
(2.1.2)雨水沿结构面入渗后会流经监测孔内的温度传感光缆，由于雨水温度与温度传感光缆温度之间存在差异，会降低雨水入渗结构面位置处温度传感光缆的温度；通过BOTDR/BOTDA的分布式检测，得到温度传感光缆的温度变化区间，确定监测孔内雨水入渗结构面的位置和张开度；
(2.2)岩体应变的检测，具体为：在包括降雨在内的外力作用下，边坡沿结构面滑动时，应变传感光缆与周围的岩体协调变形；通过BOTDR/BOTDA的分布式检测，得到应变传感光缆的变形状况，确定监测孔内边坡结构面的滑动位置和产状；
(3)潜在滑动面的定量识别
(3.1)根据监测孔的钻孔资料得到监测范围内岩体的厚度、性质和产状，对监测孔内由于雨水入渗引起的温度变化量在设定范围内的位置进行标记；
(3.2)边坡各监测孔中分别将包括岩性、张开度和地下水位变化在内的参数依次作为相关因素序列，以监测孔内的温度作为行为数据序列进行关联分析，计算关联度，确定边坡的雨水入渗结构面；
(3.3)当边坡的雨水入渗结构面经过各监测孔内的边坡滑动位置时，将此雨水入渗结构面确定为边坡潜在滑动面。
2.根据权利要求1所述的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：所述温度传感光缆的结构为：包括0.9mm直径的紧套传感光纤、碳纤维加热丝和护套，其中碳纤维加热丝位于紧套传感光纤和护套之间并均匀布置，紧套传感光纤在护套内松弛布置，不受应力作用。
3.根据权利要求1所述的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：所述应变传感光缆的结构为：包括0.9mm直径的紧套传感光纤，在紧套传感光纤表面粘贴护套；监测孔内应变传感光缆的对称铺设平面与边坡的倾向一致。
4.根据权利要求1所述的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：所述监测孔的深度大于等于所处位置的地面到稳定基岩的铅直高度，监测孔的直径在75～110mm范围内，沿边坡坡面的倾向和走向，相邻监测孔之间的水平距离在3～10m范围内。
5.根据权利要求1所述的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：所述配重的直径小于监测孔的直径，U形凹槽的宽度和深度均大于温度传感光缆和应变传感光缆的直径。
6.根据权利要求1所述的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：所述步骤(2.1.1)中，在检测岩体温度前，对温度传感光缆进行预热，通过温控器调节温度传感光缆的温度在25～40℃范围内。
7.根据权利要求1所述的岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，其特征在于：所述步骤(1.3)中，基于周围岩体性质，采用粘土、膨润土、细砂或中砂由下而上缓慢填充监测孔，确保地下水沿原有结构面方向流动，防止沿监测孔上下流动。
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