CN110360984A - 一种地表沉降的大范围分布式监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地表沉降的大范围分布式监测系统及方法，属于工程监测技术领域。监测方法的过程为：监测各测点处光纤的应变；根据光纤的应变变化，计算获得光纤长度的变化差值；根据光纤长度的变化差值，计算获得各测点的沉降。本发明将沉降监测转化为光纤应变的变化监测，提供了新方法，开拓了沉降监测的思路，为保障工程安全建设和运营提供技术支持；解决了地表沉降难以准确、及时、全面监测的困境。

Description

一种地表沉降的大范围分布式监测系统及方法

技术领域

本发明属于工程监测技术领域，具体涉及一种地表沉降的大范围分布式监测系统及方法。

背景技术

城市基础设施的大规模建设严重扰动了地下土层结构，影响地层的承载力，从而进一步影响工程结构设施的使用和安全，因此，在施工期或运营期，对工程设施周边的地表沉降实施监测具有重要的意义。例如，城市隧道建设期间，需要进行基坑开挖，规范规定必须对周边地表沉降进行施工期的监测。目前，一般采用全站仪进行沉降观测，具有技术成熟、成本低、规范体系化程度高等优点。但是，也存在一些显著的不足，如自动化水平低、测量精度易受人工影响、无法在线实时长期监测、对于一些突发情况反应显著滞后等。因此，需要提出更先进的在线监测方法。

现有的基于布里渊散射机理的分布式光纤传感技术，具有测量距离大(最高可达50km)、精度高(可达7.5με)、分布式测量(采样空间间隔达5cm)、不受电磁干扰、稳定性好、系统集成性高等优点，在长期监测领域被不断研究和应用。该技术的基本原理是，入射光沿光纤传播过程中，在光纤每个位置都会产生布里渊散射光，布里渊散射光的中心频率与发生散射位置的光纤应变和温度状态成线性关系，通过收集并解析散射光的中心频率即可实现光纤不同位置应变和温度的分布式测量。在实际中，光纤的成本较低，1km长度的裸光纤成本在1000元左右，是实现长距离分布式监测的另一重要前提条件。

本发明拟通过利用布里渊分布式光纤测量技术，提出一种适合地表沉降的大范围分布式监测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种地表沉降的大范围分布式监测系统及方法，通过对光纤应变的变化监测实现沉降监测，可准确及时的计算获取地表沉降。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种地表沉降的大范围分布式监测系统，其特征是，在待测的地表土层设定若干个测点，若干个测点位于同一条直线上间隔部署，第一个测点作为参考点，并将此测点记为参考点P₀，第二个测点记为测点P₁，其他测点按照部署位置排序依次记为测点P₂，……P_i，……P_n，n为测点的总数，

在参考点和每个测点处均竖向安装有锚固杆，参考点处的锚固杆下端嵌入稳定土层，其他测点处的锚固杆下端嵌入地表土层，相邻锚固杆上横向连接有连接杆，连接杆的两端与两侧相邻锚固杆的连接处通过铰固定，使连接杆和锚固杆之间可绕铰接点旋转，且连接杆的两端与两个铰的铰接点位于同一条水平线上，

在每个测点处沿竖向排布有两个锚固区且相邻测点处的两个锚固区位于对立面，上下两个锚固区位于同一条竖直线上，位于上方的锚固区粘贴在连接杆上且位于铰的右侧，位于下方的锚固区粘贴在锚固杆上，

光纤的一端沿参考点P₀与测点P₁之间的连接杆横向走线敷设、然后在测点P₁沿上下方锚固区竖向走线敷设、再次沿测点P₂与测点P₃之间的连接杆横向走线敷设、然后在测点P₃处沿上下方锚固区竖向走线敷设，以此类推依次敷设直至到测点P_n处，然后在测点P_n处绕到反面继续按照类似的线路敷设，在测点Pn处绕到反面在测点P_n与测点P_n-1之间横向走线敷设，在测点P_n-1处沿下上方锚固区竖向走线敷设，再次沿测点P_n-1与测点P_n-2之间的连接杆横向走线敷设，在测点P_n-3处沿下上方锚固区竖向走线敷设，再次沿测点P_n-3与测点P_n-4之间的连接杆横向走线敷设，以此类推依次敷设直至到参考点P₀。

进一步的，相邻测点的间隔距离范围为3m-10m。

进一步的，锚固杆采用不锈钢材料制备。

进一步的，连接杆采用纤维复合材料制备。

进一步的，光纤采用紧套光纤。

相应的，利用上述监测系统实现地表沉降监测的方法，包括以下过程：

监测各测点处两个锚固区内光纤的应变；

根据光纤的应变变化，计算获得光纤长度的变化差值；

根据光纤长度的变化差值，计算获得各测点的沉降。

进一步的，根据光纤的应变变化计算获得光纤长度的变化差值包括：

对于测点P_i处，光纤长度的变化差值Δ_i表示为：

Δ_i＝ε_iH_i (1)

其中，ε_i为测点P_i处光纤长度H_i范围内的平均应变，正值表示测点P_i相对于测点P_i-1位移向上，负值表示测点P_i相对于测点P_i-1位移向下；H_i为测点P_i处两个锚固区之间的光纤长度。

进一步的，根据光纤长度的变化差值计算获得测点的沉降包括：

根据几何关系，测点P_i相对于测点P_i-1的相对位移d_i可近似表示为：

式中，L_i为测点P_i和测点P_i-1之间的水平距离；t_i表示测点P_i处位于上方的锚固区与相邻铰之间的水平距离；

以参考点为0位移点，测点P_i的绝对位移D_i表示为：

此绝对位移D_i即为测点P_i的沉降。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明中采用了可大规模分布式监测的布里渊分布式光纤技术，解决了地表沉降难以准确、及时、全面监测的困境，具有较强的适用性及市场竞争力；

2、本发明中将沉降监测转化为材料传感特性(光纤应变)的变化监测，提供了新方法，开拓了沉降监测的思路，为保障工程安全建设和运营提供技术支持；

3、本发明中传感结构简单，大范围布设的传感成本低，市场竞争力强，为保障国家基础设施安全和财产安全产生有益效果。

附图说明

图1为本发明的地表沉降监测系统正面示意图；

图2为本发明的地表沉降监测系统反面示意图；

图3为本发明的地表沉降监测系统中相邻测点的详细结构示意图；

图4为本发明的地表沉降监测原理图。

附图标记：1、地表土层，2、锚固杆，3、连接杆，4、铰，5、光纤，6、光纤解析仪，7、锚固区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种地表沉降的大范围分布式监测系统，参见图1至图4所示，在待测的地表土层1设定若干个测点，若干个测点位于同一条直线上间隔部署，第一个测点作为参考点，并将此测点记为参考点P₀(也可称为测点P₀)，第二个测点记为测点P₁，其他测点按照部署位置排序依次记为测点P₂，……P_i，……P_n，n为测点的总数，可根据实际监测需要来确定，在本发明实施例中n取值5。

参见图1和图2所示，在参考点和每个测点处均竖向安装有锚固杆2，参考点处的锚固杆下端嵌入稳定土层，其他测点处的锚固杆2下端嵌入地表土层，相邻锚固杆2上横向连接有连接杆3，连接杆3的两端与两侧相邻锚固杆2的连接处通过铰4固定，使连接杆和锚固杆之间可绕铰接点旋转，且连接杆3的两端与两个铰4的铰接点位于同一条水平线上，当竖向的锚固杆下沉时，横向的连接杆可绕铰点旋转。

考虑到经济性和实际监测需求，相邻测点的间隔距离一般设为3m-10m(m是单位米)。在此监测系统中，参见图3所示，将位于测点P_i和测点P_i-1之间的连接杆3上两个铰4间的水平距离为参考点P₀与测点P₁之间的间隔距离，此距离记为L_i，L_i的取值范围为3m-10m。

锚固杆2可采用不锈钢材料制备；连接杆3采用纤维复合材料(FRP)制备，可减轻自重、增大长度；在监测期内，参考点P₀处的竖向位移要求为0，因此，在实际中参考点P₀处的锚固杆2需要锚固到稳定土层。稳定土层位于地表土层下方，一般不发生显著的沉降变形。

参见图1和图2所示，在每个测点处沿竖向排布有两个锚固区(一般采用树脂作为粘结剂，长度不小于5cm)且相邻测点处的两个锚固区位于对立面(如图所示，测点P₁、P₃…奇数测点处的锚固区位于正面，测点P₂、P₄…偶数测点处的锚固区位于反面)，上下两个锚固区7位于同一条竖直线上，位于上方的锚固区7粘贴在连接杆3上且位于铰4的右侧，位于下方的锚固区7粘贴在锚固杆2上，并记测点P_i处上下两个锚固区7之间距离为H_i(此距离也是两个锚固区7之间光纤5的长度)，测点P_i处上下两个锚固区7之间光纤5的应变为ε_i。

光纤的一端沿参考点P₀与测点P₁之间的连接杆横向走线敷设、然后在测点P₁沿上下方锚固区竖向走线敷设、再次沿测点P₂与测点P₃之间的连接杆横向走线敷设、然后在测点P₃处沿上下方锚固区竖向走线敷设，以此类推依次敷设直至到测点P_n处，然后在测点P_n处绕到反面继续按照类似的线路敷设，如参考图2所示，在测点Pn处绕到反面在测点P_n与测点P_n-1之间横向走线敷设，在测点P_n-1处沿下上方锚固区竖向走线敷设，再次沿测点P_n-1与测点P_n-2之间的连接杆横向走线敷设，在测点P_n-3处沿下上方锚固区竖向走线敷设，再次沿测点P_n-3与测点P_n-4之间的连接杆横向走线敷设，以此类推依次敷设直至到参考点P₀。本发明采用布里渊分布式光纤技术来测量光纤的应变，此技术可实现大规模分布式监测。在实施例中采用现有技术中的光纤解析仪来实现，位于参考点处的光纤两端连接光纤解析仪，此光纤解析仪用来计算获取光纤的应变。

光纤5可采用现有技术中的紧套光纤，其外部树脂保护层应选用耐环境性能好的改性树脂；锚固区7内采用环氧树脂将光纤5分别锚固在竖向锚固杆2和横向连接杆3表面。

如图3和图4所示，本发明的监测系统实现地表沉降监测的基本原理是：

当测点P_i处发生相对于测点P_i-1的相对沉降位移d_i时，连接杆3位于测点P_i的一端将向下移动，此连接杆相较于之前水平位置产生转角为θ_i的转动，并且位于测点P_i处上方锚固区也会向下移动，则两个锚固区7之间光纤5长度H_i将发生变化，也即该段光纤5的应变ε_i会发生变化，而光纤5长度的变化差值Δ_i与沉降位移d_i是成比例的。

因此，通过测量两个锚固区7之间光纤5的应变ε_i，然后计算出该段光纤长度的变化差值Δ_i，就可以进一步计算出测点P_i相对于测点P_i-1的相对位移d_i，具体计算方法如下：

对于测点P_i处，光纤5长度的变化差值Δ_i表示为：

Δ_i＝ε_iH_i (1)

其中，ε_i为测点P_i处光纤5长度H_i范围内的平均应变，正值表示测点P_i相对于测点P_i-1位移向上，负值表示测点P_i相对于测点P_i-1位移向下；H_i为测点P_i处两个锚固区7之间的光纤5净长度，是光纤安装好未发生变形的长度，可采用米尺直接测量。

根据几何关系，测点P_i相对于测点P_i-1的相对位移d_i可近似表示为：

式中，L_i为测点P_i和测点P_i-1之间的水平距离；t_i表示测点P_i处位于上方的锚固区7与相邻铰4之间的水平距离。

进一步，以参考点为0位移点，测点P_i的绝对位移(即沉降)D_i表示为

实施例

根据以上所述，采用上述监测系统对地表沉降进行监测的具体过程为：

第一步，监测系统安装：将各锚固杆2按照设计位置嵌入地表土层1，通过铰4将连接杆3固定在相邻竖向锚固杆2上，之后利用锚固区7将光纤5依次粘贴在锚固杆2和连接杆3上，光纤5的两端连接光纤解析仪6，最终形成监测系统；

第二步，应变数据采集和处理：利用光纤解析仪6测量获得沿光纤的应变分布，然后利用无应力区段监测的数据(只由温度变化引起的散射光中心频率变化)对应力区段(即两个锚固区7之间)实施温度补偿(此温度补偿是现有光纤解析仪常规手段，为了提高采集精度)，即将应力区段测量的数值扣除无应力区段测量的数值，并提取各应力区段内补偿后应变数据，然后对每个区段内的应变数据进行平均化处理；

第三步，沉降分析：将各测点处理后的平均应变ε_i及各相关参数输入公式1～3，依此计算长度的变化差值Δ_i、相对位移d_i和绝对位移(即沉降)D_i。

本发明利用相邻竖向锚固杆发生相对沉降后，会引起光纤的应变变化，利用几何关系，解析获得沉降。本发明引用了先进的布里渊分布式光纤传感技术，结合地表沉降的特点，解决了地表沉降难以准确、及时、全面监测的困境，保障了国家基础设施安全和财产安全，而且结构简单、成本低、具有较强的适用性及市场竞争力。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种地表沉降的大范围分布式监测系统，其特征是，在待测的地表土层设定若干个测点，若干个测点位于同一条直线上间隔部署，第一个测点作为参考点，并将此测点记为参考点P₀，第二个测点记为测点P₁，其他测点按照部署位置排序依次记为测点P₂，……P_i，……P_n，n为测点的总数，

在参考点和每个测点处均竖向安装有锚固杆，参考点处的锚固杆下端嵌入稳定土层，其他测点处的锚固杆下端嵌入地表土层，相邻锚固杆上横向连接有连接杆，连接杆的两端与两侧相邻锚固杆的连接处通过铰固定，使连接杆和锚固杆之间可绕铰接点旋转，且连接杆的两端与两个铰的铰接点位于同一条水平线上，

在每个测点处沿竖向排布有两个锚固区且相邻测点处的两个锚固区位于对立面，上下两个锚固区位于同一条竖直线上，位于上方的锚固区粘贴在连接杆上且位于铰的右侧，位于下方的锚固区粘贴在锚固杆上，

光纤的一端沿参考点P₀与测点P₁之间的连接杆横向走线敷设、然后在测点P₁沿上下方锚固区竖向走线敷设、再次沿测点P₂与测点P₃之间的连接杆横向走线敷设、然后在测点P₃处沿上下方锚固区竖向走线敷设，以此类推依次敷设直至到测点P_n处，然后在测点P_n处绕到反面继续按照类似的线路敷设，在测点Pn处绕到反面在测点P_n与测点P_n-1之间横向走线敷设，在测点P_n-1处沿下上方锚固区竖向走线敷设，再次沿测点P_n-1与测点P_n-2之间的连接杆横向走线敷设，在测点P_n-3处沿下上方锚固区竖向走线敷设，再次沿测点P_n-3与测点P_n-4之间的连接杆横向走线敷设，以此类推依次敷设直至到参考点P₀。

2.根据权利要求1所述的一种地表沉降的大范围分布式监测系统，其特征是，相邻测点的间隔距离范围为3m-10m。

3.根据权利要求1所述的一种地表沉降的大范围分布式监测系统，其特征是，锚固杆采用不锈钢材料制备。

4.根据权利要求1所述的一种地表沉降的大范围分布式监测系统，其特征是，连接杆采用纤维复合材料制备。

5.根据权利要求1所述的一种地表沉降的大范围分布式监测系统，其特征是，光纤采用紧套光纤。

6.根据权利要求1至5任一项所述监测系统实现地表沉降监测的方法，包括以下过程：

监测各测点处两个锚固区内光纤的应变；

根据光纤的应变变化，计算获得光纤长度的变化差值；

根据光纤长度的变化差值，计算获得各测点的沉降。

7.根据权利要求6所述的方法，根据光纤的应变变化计算获得光纤长度的变化差值包括：

对于测点P_i处，光纤长度的变化差值Δ_i表示为：

Δ_i＝ε_iH_i (1)

其中，ε_i为测点P_i处光纤长度H_i范围内的平均应变，正值表示测点P_i相对于测点P_i-1位移向上，负值表示测点P_i相对于测点P_i-1位移向下；H_i为测点P_i处两个锚固区之间的光纤长度。

8.根据权利要求7所述的方法，根据光纤长度的变化差值计算获得测点的沉降包括：

根据几何关系，测点P_i相对于测点P_i-1的相对位移d_i可近似表示为：

式中，L_i为测点P_i和测点P_i-1之间的水平距离；t_i表示测点P_i处位于上方的锚固区与相邻铰之间的水平距离；

以参考点为0位移点，测点P_i的绝对位移D_i表示为：

此绝对位移D_i即为测点P_i的沉降。