CN106767476B - 一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法 - Google Patents

一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法，在岩土质边坡坡顶和坡面位置沿着与潜在滑动面或节理面、基岩面相垂直的方向钻若干个钻孔，在每个钻孔中埋设一根全光纤综合测管。各段光纤相互熔接并组成一个全光纤传感网络，连接到光纤解调仪上，测量各光纤的应变、温度分布。在早期监测结果的基础上选取边坡垂向应变特征值，再获得边坡的安全系数，从而掌握垂向应变特征值与安全系数的经验关系。根据垂向应变特征值的实测结果推算边坡的安全系数，实现边坡失稳的预警预报。基于光纤监测数据能够准确识别边坡潜在滑动面的孕育、发生、发展过程，以及多级潜在滑动面的位置。

Description

一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报 方法
技术领域
本发明涉及边坡稳定性监测领域，尤其是涉及一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法。
背景技术
对于地质灾害易发区，滑坡问题一直是阻碍经济发展和社会稳定的拦路石，所以如何进行边坡体的变形监测、失稳预测和预警预报成为当前研究的热点，现行边坡的位移监测方法及其特点如下：
1.坡面监测：通常使用经纬仪、全站仪、GPS、InSAR等技术进行定点坡面监测，但滑坡体可能存在坡面位移与坡体内部位移不一致的情况。监测数据不仅受到天气状况的影响，而且也不能真实地反映边坡内部的应力应变状态。
2.坡体内部监测：传统的边坡内部监测方法多采用钻孔测斜仪、多点位移计等，根据滑坡体位移测值来评价边坡的整体稳定状态。而大量研究数据表明，滑坡体在滑移前，其坡体内部的位移值可能很小，而传统的岩土监测设备受到随机和系统误差等因素的影响，往往不能识别出很小的位移阈值，难以满足滑坡预警的精度要求。另一方面，从监测技术角度来考虑，当前边坡监测技术大多使用电学类、振弦类等传感器，与光纤传感等新技术相比，其精度、稳定性以及实时性、集成性均处于劣势。
光纤传感技术具有灵敏度高、防腐蚀、抗电磁干扰、多参量监测等优点，能较为全面地监测边坡体在内外动力地质作用下深部应变场、渗流场、位移场的变化过程。近年来，该技术逐渐开始被应用于边坡稳定性监测，但成功的案例不多。国内外目前的应用多采用以光纤布拉格光栅为传感元件的固定式测斜仪、沉降仪，或者将应变感测光纤沿竖向和水平向埋设于边坡体中，监测精度、灵敏度受到安装工艺和周围环境变化的影响，不能充分发挥光纤传感技术在探测滑动面、评估边坡稳定性方面的长处。
本发明基于全光纤传感网络，提出了边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法，为边坡稳定性科学评估、滑动面探测和滑前预报提供了一种新的技术方法。
发明内容
本发明正是考虑到传统边坡监测方法在数据精度、稳定性、实时性等方面的不足，改进了基于光纤传感的边坡监测方法，采用一种全光纤传感网络的方式来监测边坡的垂向应变、土壤含水率，从而获取边坡体内的变形和应力应变状态，以此来实现边坡稳定性的评估和滑动面的探测。
为实现上述目的，本发明的采取的技术方案是：一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，对岩土质边坡采用全取芯方式进行钻孔施工，在每个钻孔中埋设一根全光纤综合测管，通过数据传输光缆连接全光纤综合测管和光纤解调仪、无线传输设备及计算机，共同组成一个边坡稳定性监测和滑坡预警预报装置；所述的全光纤综合测管包括一段用于土壤含水率探测的温度感测光纤、两段用于滑动面剪切变形监测的应变感测光纤和一段温度补偿光纤，按照温度感测光纤、一段应变感测光纤、温度补偿光纤再一段应变感测光纤的顺序串联，所述的温度感测光纤在全光纤综合测管的外部，两段应变感测光纤分别固定在全光纤综合测管的内壁两侧，中间为温度补偿光纤，四段光纤大体呈“W”型布置。
全光纤综合测管埋设于所述边坡坡顶和坡面不同位置处的钻孔内，钻孔直径范围是100-200mm，沿着与土质边坡潜在滑动面或者顺层岩质边坡和岩土混合边坡节理面、基岩面相垂直的方向。
所述的温度感测光纤为碳纤维护套光缆用于土壤含水率监测，所述的应变感测光纤为紧包光缆，所述的温度补偿光纤为松套光缆。
所述的全光纤综合测管的直径为30-100mm，材料为PVC、ABS或铝合金。
所述的温度感测光纤的结构为：中间为0.9mm直径的单模单芯温度感测光纤，外面松套碳纤维丝和高分子护套，所述的温度感测光纤的外径为3-5mm，通过碳纤维丝对光纤均匀加热，并通过散热曲线间接测得土壤含水率。
所述应变感测光纤的结构为：中间为0.9mm直径的单模单芯应变感测光纤，光纤外面紧包高分子护套，所述的应变感测光纤的外径为1.5-4mm。
所述温度补偿光纤的结构为：中间为0.9mm直径的单模单芯光纤，光纤外面松套Kevlar纤维或金属管，所述的温度补偿光纤的外径为2-5mm。
钻孔深度为到达基岩层以下20-50cm。
基于所述的方法的滑坡预警预报方法，
第一步，监测获取数据：按照上述施工完成后，对一定时期内边坡的受力变形和含水率情况进行监测，然后结合极限平衡、有限元强度折减方法获取该状态下的边坡安全系数；
第二步，建立应变数据库：根据获得的监测数据，将每个钻孔中的测管两侧应变感测光缆的应变测值进行算术平均处理，并基于温度补偿光缆的读数扣除温度的影响，得到该钻孔的实际应变数据库；
第三步，选取垂向应变特征值：从钻孔应变数据库中选取边坡垂向应变特征值，该特征值选取为边坡所有垂向应变监测线上应变最大值的平均值，每个钻孔中垂向应变值中的最大值，或者所有钻孔中光纤垂向应变最大值的平均值；
第四步，建立模型得到安全系数：通过现场实测数据的积累，建立边坡垂向应变特征值与边坡安全系数的经验关系；然后，根据实时应变监测值推算出此时边坡的安全系数；当安全系数大于1.2时，边坡处于安全状态；当安全系数介于1.2-1.0之间时，处于预警状态；当安全系数等于1.0时，处于临界滑动状态。
基于所述的方法的滑动面定位和滑动位移估算方法，每根全光纤综合测管实时记录应变数据，当滑坡体内部应力集中导致边坡逐渐下滑时，应变数据在每个钻孔的某些部位达到突变峰值，该突变峰值区域即对应于钻孔和边坡潜在滑动面的交点，应变感测光缆所测得的应变数据和该处滑坡面的剪切位移成正比，连接不同监测线上的应变突变峰值区域即得到该滑坡的临界滑动面位置，根据光纤监测数据，能够准确识别滑动面的孕育、发生和发展整个过程，并判断多级潜在滑动面的位置。
该发明与传统的边坡位移监测法以及近年来提出的横向应变监测法相比，有如下有益效果：
1.传统的边坡位移监测法通过钻孔测斜仪等设备监测边坡体内位移状态存在因位移值较小而不易被测斜仪捕捉等问题，而全光纤综合测管可捕捉低于1～10με的微小应变，可实时准确地获取边坡内部的变形和稳定状态。
2.工程实践中钻孔很难横向钻进，通过在垂向钻孔中布设光纤回路，可获取边坡体内部垂向应变状态，提高监测灵敏度，对土质边坡、顺层岩质边坡或岩土混合边坡的滑动面进行高精度的定位。
3.本发明提供了一种全新的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法。该发明通过建立垂向特征应变与安全系数的经验关系，可准确地识别边坡体的临界安全状态，实现了边坡体内部垂向应变的测量，为边坡稳定性评价提供了一种新的研究思路。
本发明给出了一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法，下面将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
附图1是基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测系统示意图；
附图2(a)是边坡钻孔中全光纤综合测管纵向切面示意图；
附图2(b)是边坡钻孔中全光纤综合测管横向切面示意图；
附图3(a)是土质边坡监测布设示意图；
附图3(b)是顺层岩质边坡监测布设示意图；
附图4是边坡垂向应变特征值与安全系数关系图。
其中，1是全光纤综合测管，2是数据传输光缆，3是光纤解调仪，4是计算机，5是滑坡体，6是边坡潜在滑动面，7是碳纤维护套光缆，8是应变感测光缆，9是温度补偿光缆，10是隔离温度补偿光缆的金属管，11是钻孔灌浆材料或回填土，12是钻孔，13是垂向应变分布曲线，14是边坡节理面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的基于边坡分布式垂向应变状态监测的预警方法作进一步的说明。
一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法，由埋设于若干个钻孔内的全光纤综合测管、光纤解调仪、无线传输设备、计算机等部分组成，以此来监测边坡不同位置处的垂向应变、土壤含水率。上述的全光纤综合测管埋设于岩土质边坡坡顶和坡面不同位置处的钻孔内，钻孔沿着与潜在滑动面(对于土质边坡来说)或节理面、基岩面(对于顺层岩质边坡和岩土混合边坡来说)相垂直的方向。在每个钻孔中埋设一根全光纤综合测管，并采用泥浆或细砂回填封孔。该测管上有一段用于土壤含水率探测的温度感测光缆，两段用于滑动面剪切变形监测的应变感测光缆，以及一段温度补偿光缆。各段光缆相互熔接，并与光纤解调仪连接，组成回路，基于DTS、BOTDA或FBG等光纤传感技术读数到电脑上，并实现数据无线传输，以上装置共同组成一个边坡稳定性监测和滑坡预警系统。同时，在早期监测结果的基础上选取边坡垂向应变特征值，再通过极限平衡、有限元强度折减等方法获得边坡的安全系数，从而掌握垂向应变特征值与安全系数的经验关系。在一定时期内，可根据垂向应变特征值的实测结果推算边坡的安全系数，实现边坡失稳的预警预报。除此之外，基于光纤监测数据能够准确识别边坡潜在滑动面的孕育、发生、发展过程，以及多级潜在滑动面的位置。本发明为边坡稳定性的在线分析和滑坡实时预警预报提供了一种新的方法。
边坡上钻孔的布置原则和步骤是：
首先根据区域内的大地构造、断裂构造，进行地质勘探工作，确定可以布设钻孔的大体区域。然后沿边坡的走向和倾向各布设若干个钻孔，使钻孔尽可能地在坡体上形成监测网。
钻孔钻入角度的原则是：
1.对于土质边坡，首先通过极限平衡、有限单元强度折减等方法，确定边坡的潜在滑动面，紧接着将钻孔沿着垂直于滑动面的方向钻入边坡中。
2.对于顺层岩质边坡或岩土混合边坡，通过勘探法确定边坡的产状，然后按照垂直于边坡节理面、基岩面的方向布设钻孔。
全光纤综合测管制作和布设的原则和步骤是：
每根全光纤综合测管外部自上而下安装一段具有碳纤维护套的光缆，再采用全黏贴方式将一段紧包光缆自下而上固定在测管一侧管壁上，并串联一段松套光缆由测管顶部绕回测管内部，延伸至管底后再串联一段紧包光缆，紧紧黏贴在测管的另一侧管壁上直至顶部，总体上使四段光缆在测管上呈“W”型连接。其中测管外部的一段碳纤维护套光缆为土壤含水率监测光缆，紧紧黏贴在测管管壁上的两段紧包光缆为应变感测光缆，而测管内部的一段松套光缆为温度补偿光缆
作为优选，所述光缆依附的测管的规格为：直径为30-100mm，材料为PVC、ABS等高分子材料，或者铝合金等金属材料。
作为优选，粘贴在测斜管上的感测光缆需要施加一定大小的预应力，使光缆有一定的初始应变。
作为优选，所述温度补偿光缆内部为0.9mm直径的单模单芯光纤，光纤外面松套Kevlar纤维或金属管，光缆外径为2-5mm
作为优选，所述应变感测光缆内部为0.9mm直径的单模单芯应变感测光纤，光纤外面紧包高分子护套材料，光缆外径为1.5-4mm；
作为优选，所述碳纤维护套光缆内部为0.9mm直径的单模单芯温度感测光纤，光纤外面松套碳纤维丝和高分子护套材料，光缆外径为3-5mm。通过碳纤维丝可以对光缆均匀加热，并通过光纤各点的散热曲线间接测得周围土壤的含水率。
作为优选，所述垂向钻孔的直径范围为100-200mm。
作为优选，钻孔达到的深度到达基岩层以下20-50cm。
进一步地，本发明还提供了上述基于边坡垂向应变状态的预警方法，包括如下步骤：
按照上述监测系统的安装和布设方法，对一定时期内边坡的受力变形和含水率情况进行监测，然后结合极限平衡、有限元强度折减等方法获取该状态下的边坡安全系数。根据获得的监测数据，将每个钻孔中的测管两侧应变感测光缆的应变测值进行算术平均处理，并基于温度补偿光缆的读数扣除温度的影响，得到该钻孔的实际应变数据库。从钻孔应变数据库中选取边坡垂向应变特征值。该特征值可取为边坡所有垂向应变监测线上应变最大值的平均值，每个钻孔中垂向应变值中的最大值，或者所有钻孔中光纤垂向应变最大值的平均值。通过现场实测数据的积累，建立边坡垂向应变特征值与边坡安全系数的经验关系。在此基础上，根据实时应变监测值可推算出此时边坡的安全系数。当安全系数大于1.2时，边坡处于安全状态；当安全系数介于1.2(包括1.2)和1.0之间时，处于预警状态；当安全系数等于1.0时，处于临界滑动状态。
除了上面所述的边坡稳定性监测方法之外，本发明还提供了一种滑动面定位和滑动位移估算的思路。具体的实施方式如下：每根全光纤综合测管会实时记录应变数据，当滑坡体内部应力集中导致边坡逐渐下滑时，应变数据会在每个钻孔的某些部位达到突变峰值，该突变峰值区域即对应于钻孔和边坡潜在滑动面的交点。应变感测光缆所测得的应变数据和该处滑坡面的剪切位移成正比。连接不同监测线上的应变突变峰值区域即得到该滑坡的临界滑动面位置。根据光纤监测数据，能够准确识别滑动面的孕育、发生和发展整个过程，并判断多级潜在滑动面的位置。
实施例
一种边坡分布式垂向应变监测预警方法，首先包括全光纤综合测管1、若干根数据传输光缆2、光纤解调仪3和计算机4等共同组成一个边坡稳定性监测系统。所述全光纤综合测管外部自上而下安装一段具有碳纤维护套的光缆7，再采用全黏贴方式将一段紧包光缆自下而上固定在测管一侧管壁上，并串联一段松套光缆由测管顶部绕回测管内部，延伸至管底后再串联一段紧包光缆，紧紧黏贴在测管的另一侧管壁上直至顶部，总体上使四段光缆在测管上呈“W”型连接。其中测管外部的一段碳纤维护套光缆为土壤含水率监测光缆，紧紧黏贴在测管管壁上的两段紧包光缆为应变感测光缆8，而测管内部的一段松套光缆为温度补偿光缆9，该光缆外套有金属管10。
所述全光纤综合测管埋设于岩土质边坡坡顶和坡面不同位置处的钻孔12内，钻孔沿着与潜在滑动面(对于土质边坡来说)或节理面、基岩面(对于顺层岩质边坡和岩土混合边坡来说)相垂直的方向，并采用泥浆或细砂11回填封孔。
边坡上钻孔的布置原则和步骤是：
首先根据区域内的大地构造、断裂构造，进行地质勘探工作，确定可以布设钻孔的大体区域，并尽可能地布置在坡体顶部区域。然后沿边坡的走向和倾向各布设若干个钻孔，使钻孔尽可能地在坡体上形成监测网。
钻孔钻入角度的原则是：
1.对于土质边坡，首先通过极限平衡、有限单元强度折减等方法，确定边坡的潜在滑动面，紧接着将钻孔沿着垂直于滑动面的方向钻入边坡中。
2.对于顺层岩质边坡或岩土混合边坡，通过勘探法确定边坡的产状，然后按照垂直于边坡节理面、基岩面的方向布设钻孔。因节理面的方向大体一致，因此钻孔的布设方向基本平行。
图1为基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测系统示意图。对于一待监测的均质土坡，边坡坡角为30度，该边坡岩土材料设为级配良好砂，其物理力学指标均已知。
实例采用坡顶加载方式获取边坡体受力变形特性，坡顶荷载为分级施加，每级荷载下的边坡安全系数K可通过极限平衡法计算得到。坡顶加载过程中，通过所述光纤解调仪3测量综合测管1的光纤应变、温度实测值，并实时传输至计算机4，构建一个钻孔应变数据库。
根据获得的监测数据，将每个钻孔中的测管两侧应变感测光缆的应变测值进行算术平均处理，并基于温度补偿光缆的读数扣除温度的影响，得到该钻孔的实际应变数据库。从钻孔应变数据库中选取边坡垂向应变特征值
Figure BDA0001150306140000051
该特征值可取为边坡所有垂向应变监测线上应变最大值的平均值，或者每个钻孔中垂向应变值中的最大值，亦或者所有钻孔中光纤垂向应变最大值的平均值。通过现场实测数据的积累，建立边坡垂向应变特征值
Figure BDA0001150306140000052
与边坡安全系数K的经验关系
Figure BDA0001150306140000053
即
Figure BDA0001150306140000054
以上关系可采用线性、双曲线函数、指数函数、幂函数等进行拟合，获得经验关系式。在此基础上，根据实时应变监测值可推算出此时边坡的安全系数。当安全系数大于1.2时，边坡处于安全状态；当安全系数介于1.2(包括1.2)和1.0之间时，处于预警状态；当安全系数等于1.0时，处于临界滑动状态。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明。除上述实施例外，本发明不局限于所描述的实施方式，还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或者等效变换方式形成的技术方案，均落入本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：对岩土质边坡采用全取芯方式进行钻孔施工，在每个钻孔中埋设一根全光纤综合测管，通过数据传输光缆连接全光纤综合测管和光纤解调仪、无线传输设备及计算机，共同组成一个边坡稳定性监测和滑坡预警预报装置；所述的全光纤综合测管包括一段用于土壤含水率探测的温度感测光纤、两段用于滑动面剪切变形监测的应变感测光纤和一段温度补偿光纤，按照温度感测光纤、一段应变感测光纤、温度补偿光纤再一段应变感测光纤的顺序串联，所述的温度感测光纤在全光纤综合测管的外部，两段应变感测光纤分别固定在全光纤综合测管的内壁两侧，中间为温度补偿光纤，四段光纤大体呈“W”型布置；
全光纤综合测管埋设于所述边坡坡顶和坡面不同位置处的钻孔内，钻孔直径范围是100-200mm，沿着与土质边坡潜在滑动面或者顺层岩质边坡和岩土混合边坡节理面、基岩面相垂直的方向。
2.根据权利要求1所述的基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：所述的温度感测光纤为碳纤维护套光缆，用于土壤含水率监测；所述的应变感测光纤为紧包光缆；所述的温度补偿光纤为松套光缆。
3.根据权利要求1所述的基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：所述的全光纤综合测管的直径为30-100mm，材料为PVC、ABS或铝合金。
4.根据权利要求1所述的基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：所述的温度感测光纤的结构为：中间为0.9mm直径的单模单芯温度感测光纤，外面松套碳纤维丝和高分子护套；所述的温度感测光纤的外径为3-5mm，通过碳纤维丝对光纤均匀加热，并通过光纤各点的散热曲线间接测得周围土壤的含水率。
5.根据权利要求1所述的基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：所述应变感测光纤的结构为：中间为0.9mm直径的单模单芯应变感测光纤，光纤外面紧包高分子护套，所述的应变感测光纤的外径为1.5-4mm。
6.根据权利要求1所述的基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：所述温度补偿光纤的结构为：中间为0.9mm直径的单模单芯光纤，光纤外面松套Kevlar纤维或金属管，所述的温度补偿光纤的外径为2-5mm。
7.根据权利要求1所述的基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报施工方法，其特征在于：钻孔深度为到达基岩层以下20-50cm。
8.基于权利要求1-7任一所述的方法的滑坡预警预报方法，其特征在于，
第一步，监测获取数据：按照上述施工完成后，对一定时期内边坡的受力变形和土体含水率情况进行监测，然后结合极限平衡法、有限元强度折减法获取该状态下的边坡安全系数；
第二步，建立应变数据库：根据获得的监测数据，将每个钻孔中的测管两侧应变感测光缆的应变测值进行算术平均处理，并基于温度补偿光缆的读数扣除温度的影响，得到该钻孔的实际应变数据库；
第三步，选取垂向应变特征值：从钻孔应变数据库中选取边坡垂向应变特征值，该特征值选取为边坡所有垂向应变监测线上应变最大值的平均值，或者每个钻孔中垂向应变值中的最大值，亦或者所有钻孔中光纤垂向应变最大值的平均值；
第四步，建立模型得到安全系数：通过现场实测数据的积累，建立边坡垂向应变特征值与边坡安全系数的经验关系；然后，根据实时应变监测值推算出此时边坡的安全系数；当安全系数大于1.2时，边坡处于安全状态；当安全系数介于1.2-1.0之间时，处于预警状态；当安全系数等于1.0时，处于临界滑动状态。
9.基于权利要求1-7任一所述的方法的滑动面定位和滑动位移估算方法，其特征在于，每根全光纤综合测管实时记录应变数据，当滑坡体内部应力集中导致边坡逐渐下滑时，应变数据在每个钻孔的某些部位达到突变峰值，该突变峰值区域即对应于钻孔和边坡潜在滑动面的交点，应变感测光缆所测得的应变数据和该处滑坡面的剪切位移成正比，连接不同监测线上的应变突变峰值区域即得到该滑坡的临界滑动面位置，根据光纤监测数据，能够准确识别滑动面的孕育、发生和发展整个过程，并判断多级潜在滑动面的位置。
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