CN108469229B - 一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置及监测方法。该装置包括光纤组合束、光纤固定装置、光纤下放定位装置、光纤组合定向装置。以单根单模光纤为中心加装固定装置，同时以固定装置中间管轴线为中心线，周围以相等角度布设光纤；在固定装置的外围指定方向加装矩形定位装置；在边坡可能的滑动坡体表面钻m个矩形孔，将加设有矩形定位装置的多根光纤按定位方向放入钻孔。通过将光纤组合定向装置应用于边坡监测，挖掘同一位置不同方向上光纤监测应变数据的大小特征，准确确定边坡滑动方向。该装置系统设置合理、监测准确性高、费用低、现场操作方便。

Description

一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置及其监 测方法

技术领域

本发明涉及边坡工程稳定性监测领域，特别涉及一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置及其监测方法。

背景技术

滑坡是我国西南地区一种常见的地质灾害，滑坡地质灾害的频发给所在地区的人民群众造成重大的人身及财产损失。由于岩土体所处工程地质条件的复杂性和多变性，边坡的安全系数处于动态的变化中，如何对边坡进行实时监测，以掌握其边坡稳定性变化，必要时进行预警，就显得十分必要。常见的边坡稳定性监测侧重于边坡形变、滑动面形状、滑动面位置等的监测及判定，而对边坡滑动方向的监测与判定却相对较少。边坡滑动方向的确定对于判定滑坡体的体积，对边坡进行稳定性计算、确定滑坡加固治理措施以及加固方向具有重要意义。

现有确定滑坡滑动方向的方法主要有理论分析方法、数值模拟方法、地质分析法等。

理论分析方法和数值模拟方法通过获取边坡岩土体参数、地质构造、水文地质等，采用极限平衡法或有限元分析等对边坡进行稳定性分析，进而确定边坡的滑动方向，由于所获取的岩土体参数的准确性、岩土体本构关系的复杂性以及边坡三维稳定性分析理论的不完善等原因，采用这两种方法确定的滑动方向与实际状况存在一定差异。

地质分析法对边坡进行稳定性分析时，常用赤平投射投影图解法进行边坡滑动方向的确定，主要应用于岩质边坡。通过对边坡岩体结构面以及坡面的产状及其空间组合关系进行分析，初步判定边坡的稳定性以及滑动方向，但不能对滑动方向进行准确判定。

由于边坡所处地质环境的复杂性，现有技术方法无法方便快捷的对滑坡滑动方向进行准确判定。因此，亟需开发一种方便快捷,可以对边坡滑动方向进行准确判定，实现实时监测边坡滑动方向的监测装置及其监测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置及其监测方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置，包括布设在钻孔内的光纤组合束，以及数量相等的若干个固定装置和定位装置。

所述钻孔为矩形孔。所述钻孔钻设在待检测的边坡上。

所述光纤组合束包括多根集束排列在一起的应变感测光纤。所述应变感测光纤包括中心光纤和若干周围光纤。

所述固定装置包括正方形外框。所述外框的四角处设置有固定连接部Ⅰ，框内设置有圆形固定板。所述固定板与外框固定连接在一起。所述固定板的圆心处设置有中心孔，圆周上均匀设置有若干个容置豁口。所述固定装置沿光纤组合束的长度方向间隔设置。所述中心光纤插入各固定板的中心孔中，所述周围光纤卡和在各固定板的容置豁口中。

所述定位装置包括矩形框和4根连接杆。所述矩形框的四角处设置有固定连接部Ⅱ。所述矩形框布设在外框的外侧。每根连接杆的两端分别连接固定连接部Ⅱ和固定连接部Ⅰ。相邻两个定位装置之间通过若干根杆件连接。所述光纤组合束、固定装置和定位装置共同构成光纤组合定向装置S。

工作时，所述光纤组合定向装置S放置在钻孔内。每根应变感测光纤均通过光纤引线与应变分析仪连接。所述应变分析仪与计算机连接。

当边坡出现滑移时，各应变感测光纤所受应力发生变化。应变信号经过应变分析仪处理后，计算机中显示应变的可读信息。

进一步，所述固定装置采用PVC材料制得，定位装置采用铝合金材料制得。

进一步，所述矩形框的最大外边长为a；所述钻孔的最大边长为b；其中，a＝80～180mm，b＝100～200mm，且10mm≤b-a≤20mm。

本发明还公开一种使用上述监测装置的监测方法，包括以下步骤：

1)在待检测的边坡上钻设m个钻孔。其中，m≥1。

2)将光纤组合定向装置S下放至钻孔指定位置。

3)对各应变感测光纤的监测位置进行标识。将钻孔采用填充物填充并压实。

4)连接各应变感测光纤与应变分析仪及计算机。

5)监测各应变感测光纤的应变信息。通过同一位置不同方向上光纤监测应变数据的大小特征，确定边坡滑动方向。

进一步，在步骤1)之前，还具有进行地质勘探工作，确定钻孔的布置方案的相关步骤。

进一步，对于土质边坡，步骤1)中钻孔的钻入角度垂直于潜在滑动面的方向。

进一步，对于顺层岩质边坡或岩土混合边坡，步骤1)中钻孔的钻入角度垂直于边坡节理面、基岩面方向。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可通过1个钻孔位置的应变测量，得到所监测边坡的滑动方向；

B.采用分布式监测，可以对单个边坡上多个滑动体的滑动方向进行实时监测；

C.监测装置设计简单，系统设置合理、监测准确性高、费用低、操作简单。

附图说明

图1为光纤组合束示意图；

图2为固定装置结构示意图；

图3为光纤组合定向装置示意图；

图4为光纤组合定向装置结构示意图；

图5为钻孔布置示意图；

图6为监测装置布置示意图；

图7为应变感测光纤工作示意图。

图中：光纤组合定向装置S、光纤组合束1、中心光纤101、周围光纤102、固定装置2、固定板201、中心孔2011、容置豁口2012、外框202、固定连接部Ⅰ2021、定位装置3、矩形框301、固定连接部Ⅱ3011、连接杆302、杆件303、钻孔4、边坡5、滑动面501、应变分析仪6、计算机7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置，包括布设在钻孔4内的光纤组合束1，以及3个固定装置2和3个定位装置3。

参见图5，所述钻孔4为矩形孔。所述钻孔4钻设在待检测的边坡5上。所述钻孔4的最大边长为b。其中，b＝100～200mm。

参见图1，所述光纤组合束1包括多根集束排列在一起的应变感测光纤。所述应变感测光纤包括中心光纤101和6根周围光纤102。

参见图2，所述固定装置2采用PVC材料制得。所述固定装置2包括正方形外框202。所述外框202的四角处设置有固定连接部Ⅰ2021，框内设置有圆形固定板201。所述外框202围住固定板201的圆周外侧。所述固定板201的部分外沿与外框202固定连接在一起。所述固定板201的圆心处设置有中心孔2011，圆周上均匀设置有6个容置豁口2012。所述固定装置2沿光纤组合束1的长度方向间隔设置。所述中心光纤101插入各固定板201的中心孔2011中，所述周围光纤102卡和在各固定板201的容置豁口2012中。以中心光纤101为中心线，周围光纤102等角度等距离布设在中心光纤101周围。在同一截面上，相邻两根周围光纤102的圆心与中心光纤101的圆心连线之间的夹角为60°。周围光纤102和中间光纤101的纤芯距离为10mm。

参见图3，所述定位装置3包括矩形框301和4根连接杆302。所述矩形框301的四角处设置有固定连接部Ⅱ3011。所述矩形框301布设在对应固定装置2的外框202的外侧。每根连接杆302的两端分别连接固定连接部Ⅱ3011和固定连接部Ⅰ2021，将定位装置3和对应固定装置2连接固定。所述矩形框301的最大外边长为a。其中，a＝80～180mm，且10mm≤b-a≤20mm。相邻两个定位装置3之间通过杆件303连接。所述定位装置3采用铝合金材料制得。所述光纤组合束1、固定装置2和定位装置3共同构成光纤组合定向装置S。

参见图6，工作时，所述光纤组合定向装置S放置在钻孔4内。每根应变感测光纤均通过光纤引线与应变分析仪6连接。所述应变分析仪6与计算机7连接。

当边坡5出现滑移时，应变感测光纤某段受到滑坡蠕动的岩石或土体的挤压，所受应力发生变化，那么应变感测光纤就会发生变形。变形处应变感测光纤的光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)会发生变化，成为被调制的信号源。在地表，应变分析仪6接收此信号。应变分析仪6对信号的到达时间、振幅幅度或波长等数据进行分析处理后，计算机7中显示应变的可读信息。其中，所述可读信息包括应变感测光纤所受应变、应变变化和应变变化位置等信息。

实施例2：

一种使用实施例1所述监测装置的监测方法，包括以下步骤：

1)进行地质勘探工作。根据所监测边坡5所处的工程地质条件，结合工程实践经验或者借助极限平衡法和有限元数值模拟判定边坡可能的滑动面形状及位置，确定钻孔4的布置方案。

2)在边坡5可能的滑动坡体表面钻设4个钻孔4。可以对单个边坡上多个滑动体的滑动方向进行实时监测。钻孔4的深度在预测的滑动面501位置以下。在实际生产中，通过单个钻孔即可确定边坡滑动方向。

3)将光纤组合定向装置S沿钻孔4的某个边慢慢下放至钻孔4指定位置。同时轻轻转动矩形定位装置，使其一边和矩形钻孔对应的边平行。

4)对各应变感测光纤的监测位置进行标识,并留足光纤引线。将钻孔4采用填充物填充并压实。

5)连接各应变感测光纤与应变分析仪6及计算机7。

6)监测各应变感测光纤的应变信息。通过同一位置不同方向上光纤监测应变数据的大小特征，准确确定边坡滑动方向。监测同一钻孔中各根光纤应变发生突变位置处的应变，比较这一位置处各根光纤所监测的应变数值的大小，所测应变最小的光纤相对中心光纤所在方向即为边坡滑动方向。参见图7所示，在边坡下滑力作用下，光纤组合定向装置S中的光纤组合束1发生弯曲变形，边坡滑动方向上，最早受到边坡下滑力作用的光纤应变量大，最后受到边坡下滑力作用的光纤应变量小，所测应变最小的应变感测光纤相对中心光纤101所在位置方向即为边坡滑动方向。

值得说明的是，步骤1)中，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。钻孔4的钻入角度相交于潜在滑动面的方向。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。钻孔4的钻入角度相交于边坡节理面、基岩面方向。

Claims (7)

1.一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置，其特征在于，包括布设在钻孔(4)内的光纤组合束(1)，以及数量相等的若干个固定装置(2)和定位装置(3)；

所述钻孔(4)为矩形孔；所述钻孔(4)钻设在待检测的边坡(5)上；

所述光纤组合束(1)包括多根集束排列在一起的应变感测光纤；所述应变感测光纤包括中心光纤(101)和若干周围光纤(102)；

所述固定装置(2)包括正方形外框(202)；所述外框(202)的四角处设置有固定连接部Ⅰ(2021)，框内设置有圆形固定板(201)；所述固定板(201)与外框(202)固定连接在一起；所述固定板(201)的圆心处设置有中心孔(2011)，圆周上均匀设置有若干个容置豁口(2012)；所述固定装置(2)沿光纤组合束(1)的长度方向间隔设置；所述中心光纤(101)插入各固定板(201)的中心孔(2011)中，所述周围光纤(102)卡和在各固定板(201)的容置豁口(2012)中；

所述定位装置(3)包括矩形框(301)和4根连接杆(302)；所述矩形框(301)的四角处设置有固定连接部Ⅱ(3011)；所述矩形框(301)布设在外框(202)的外侧；每根连接杆(302)的两端分别连接固定连接部Ⅱ(3011)和固定连接部Ⅰ(2021)；相邻两个定位装置(3)之间通过若干根杆件(303)连接；所述光纤组合束(1)、固定装置(2)和定位装置(3)共同构成光纤组合定向装置(S)；

工作时，所述光纤组合定向装置(S)放置在钻孔(4)内；每根应变感测光纤均通过光纤引线与应变分析仪(6)连接；所述应变分析仪(6)与计算机(7)连接；

当边坡(5)出现滑移时，各应变感测光纤所受应力发生变化；应变信号经过应变分析仪(6)处理后，计算机(7)中显示应变的可读信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置，其特征在于：所述固定装置(2)采用PVC材料制得，定位装置(3)采用铝合金材料制得。

3.根据权利要求1所述的一种基于多根光纤组合确定边坡滑动方向的监测装置，其特征在于：所述矩形框(301)的最大外边长为a；所述钻孔(4)的最大边长为b；其中，a＝80～180mm，b＝100～200mm，且10mm≤b-a≤20mm。

4.一种使用权利要求1所述监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待检测的边坡(5)上钻设m个钻孔(4)；其中，m≥1；

2)将光纤组合定向装置(S)下放至钻孔(4)指定位置；

3)对各应变感测光纤的监测位置进行标识；将钻孔(4)采用填充物填充并压实；

4)连接各应变感测光纤与应变分析仪(6)及计算机(7)；

5)监测各应变感测光纤的应变信息；通过同一位置不同方向上光纤监测应变数据的大小特征，确定边坡滑动方向。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤1)之前，还具有进行地质勘探工作，确定钻孔(4)的布置方案的相关步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：对于土质边坡，步骤1)中钻孔(4)的钻入角度垂直于潜在滑动面的方向。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：对于顺层岩质边坡或岩土混合边坡，步骤1)中钻孔(4)的钻入角度垂直于边坡节理面、基岩面方向。

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