CN110440696A - 一种边坡深部连续位移监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边坡深部连续位移监测装置和方法，所述监测装置包括分布式光纤、BOTDR分布式光纤传感系统、多个测斜管和套管，分布式光纤设置于测斜管的内置光纤槽之内，分布式光纤与内置光纤槽之间的空间设置有粘结剂，以使分布式光纤的形状与测斜管的形状相互配合，分布式光纤利用BOTDR分布式光纤传感系统对边坡深部的连续位移进行监测。本发明提供的技术方案克服了现有技术的缺点，工艺和材料原理清晰可行，试验可操作性极强，埋设方便，施工速度快，成本低。本发明提供的技术方案可以直接计算出土体不同深度的水平位移，提前预测安全状态，为正确判断结构的安全提供准确可靠的依据，及时采取措施防止安全事故的发生。

Description

一种边坡深部连续位移监测装置和方法

技术领域

本发明涉及位移监测技术领域，尤其涉及一种边坡深部连续位移监测装置和方法。

背景技术

在边坡工程监测中，深部土体的水平位移是判断边坡安全最重要指标。随边坡开挖打破原平衡状态，支护结构和周围岩土体在外侧土压力作用下会发生水平变形。为了观测深层土体水平侧向位移，判断深部土体向临空面的位移和沿滑移面的深层位移，保证施工人员安全和结构的可靠性，岩土工程监测中常使用测斜管与测斜仪器。

传统的测斜仪器一般包括测斜探头、绞线和读数仪，测斜探头利用重力原理来分析，内部埋设重力加速度计，进而分析仪器的倾斜程度，绞线提供探头所在深度，读数仪采集和显示数据。测斜监测的流程主要包括安装测斜管、读取数据和数据处理。每个监测过程中均需利用绞线将测斜探头沿测斜管下降至一定深度，测量出测斜管不同深度的变形，然后对相应数据进行处理。

一般30m深度的测斜管监测需要工作2小时，监测方法费时费力，并且沿深度方向上监测数据不连续，易导致错失关键的变形层位。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种边坡深部连续位移监测装置，包括分布式光纤、BOTDR分布式光纤传感系统、多个测斜管和套管，所述分布式光纤设置于所述测斜管的内置光纤槽之内，所述分布式光纤与所述内置光纤槽之间的空间设置有粘结剂，以使所述分布式光纤的形状与所述测斜管的形状相互配合，所述分布式光纤利用所述BOTDR分布式光纤传感系统对所述边坡深部的连续位移进行监测；

所述测斜管设置有两对内置光纤槽，每对内置光纤槽具有两个内置光纤槽，两个内置光纤槽在所述测斜管的纵截面上为U型结构，两对内置光纤槽在所述测斜管的横截面上相互垂直；

所述测斜管与所述测斜管之间使用套管进行连接，所述测斜管的外壁上设置有四个凸肋，四个所述凸肋与四个所述内置光纤槽分别对应设置，所述套管的内壁上设置有四个凹型导向滑槽，四个所述凸肋与四个所述凹型导向滑槽对应设置，所述凸肋与所述凹型导向滑槽相互配合，以使上下测斜管对齐。

可选的，所述内置光纤槽的横截面为正方形或者圆形，所述正方形的边长范围为4-6mm，所述圆形的直径范围为4-6mm。

可选的，所述测斜管的外直径范围为70-80mm，厚度为10-15mm，单节长度范围为3-5m，所述凸肋的高度范围为2-3mm。

可选的，所述套管的外直径范围为80-100mm，厚度范围为10-20mm，单节长度范围为200-400mm，所述凹型导向滑槽的深度范围为深2-3mm。

可选的，所述测斜管的构成材料包括聚氯乙烯或者塑料。

本发明还提供一种边坡深部连续位移监测方法，所述监测方法使用上述任一所述的监测装置，所述监测方法包括：

形成安装孔，所述安装孔的竖向轴线的垂直偏差小于5°；

组装所述监测装置的分布式光纤、测斜管和套管；

将组装之后的测斜管安装在所述安装孔之内，所述测斜管的管口与地面之间的高度范围为0.5-1m；

转动所述测斜管，直至所述测斜管的其中一对凸肋垂直于测量边坡面，另外一对凸肋平行于测量边坡面；

在所述测斜管与所述安装孔之间设置回填材料，以固定所述测斜管；

拉紧所述分布式光纤，以使所述分布式光纤沿着所述测斜管垂直设置；

将所述粘结剂注入所述内置光纤槽，直至充满所述内置光纤槽；

将所述分布式光纤分别插入所述BOTDR分布式光纤传感系统的数据接头入口和数据接头出口；

使用所述BOTDR分布式光纤传感系统根据布里渊频移-单位分辨率应变函数获得所述测斜管在不同深度的变形。

可选的，所述使用所述BOTDR分布式光纤传感系统根据布里渊频移-单位分辨率应变函数获得所述测斜管在不同深度的变形的步骤包括：

顺直展开所述测斜管管顶位置的分布式光纤进行测量，记录布里渊频移与位置曲线；

以150°以上的角度对折所述测斜管处的分布式光纤，再次记录布里渊频移与位置曲线；

根据两次得到的布里渊频移与位置曲线，获得所述测斜管处的分布式光纤在所述布里渊频移与位置曲线的位置；

在所述BOTDR分布式光纤传感系统之中设置函数：

ε＝f(v_b) (1)

其中，ε为分布式光纤单位分辨率应变，f()为光纤的布里渊频移-单位分辨率应变函数，v_b为光纤的布里渊频移；

根据单位变形与角度的关系获得：

其中，为所述分布式光纤在沿深度方向的倾角，为第j次沿四个方向分别获得的读数；

获得所述测斜管在不同深度的变形：

其中，S_x为边坡垂直于坡面方向的变形，S_y为边坡平行与坡面方向的变形。

可选的，所述形成安装孔的步骤之后包括：

对所述安装孔进行洗孔处理和抽水处理；

所述将所述粘结剂注入所述内置光纤槽，直至充满所述内置光纤槽的步骤之后包括：

封闭所述安装孔。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的边坡深部连续位移监测装置，包括分布式光纤、BOTDR分布式光纤传感系统、多个测斜管和套管，分布式光纤设置于测斜管的内置光纤槽之内，分布式光纤与内置光纤槽之间的空间设置有粘结剂，以使分布式光纤的形状与测斜管的形状相互配合，分布式光纤利用BOTDR分布式光纤传感系统对边坡深部的连续位移进行监测。本发明提供的技术方案克服了现有技术的缺点，工艺和材料原理清晰可行，试验可操作性极强，埋设方便，施工速度快，成本低。本发明提供的测斜管能够与周围土体形成一个整体、协同变形的装置，单次测量时间少于1min，监测省时省力，获得沿深度方向上的连续监测数据，通过多次测量测斜管不同深度的水平变形，可以直接计算出土体不同深度的水平位移，提前预测安全状态，为正确判断结构的安全提供准确可靠的依据，及时采取措施防止安全事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的边坡深部连续位移监测装置的剖面图。

图2为本发明实施例一提供的测斜管与分布式光纤的结构示意图。

图3为本发明实施例一提供的测斜管与套管的结构示意图。

图4为本发明实施例一提供的测斜管在不同深度的相对变形示意图。

其中，附图标记为：1、分布式光纤；2、测斜管；3、内置光纤槽；4、粘结剂；5、凸肋；6、套管；7、套管凹型导向滑槽；8、BOTDR分布式光纤传感系统；9、数据接头入口；10、数据接头出口；11、边坡滑动层；12、边坡滑动带；13、边坡稳定层；14、安装孔；15、回填材料。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的边坡深部连续位移监测装置和方法进行详细描述。

实施例一

本实施例使用分布式光纤传感技术对边坡深部变形进行监测，可以得到边坡的连续变形状态，如垂直于边坡坡面方向和平行于边坡坡面方向的变形规律，根据出现的异常情况，采取相应的处理措施，指导边坡工程设计、施工和维护，对边坡稳定性进行评价。

本实施例使用一种边坡深部连续位移监测装置，所述监测装置包括测斜管、套管、分布式光纤和BOTDR分布式光纤传感系统。所述分布式光纤内置于测斜管侧壁内，所述分布式光纤通过粘结剂与测斜管协调变形，所述分布式光纤利用BOTDR分布式光纤传感系统进行测量。

本实施例提供的测斜管为特殊预制测斜管，构成材料使用PVC或者塑料，所述测斜管的外直径为70-80mm，厚度为10-15mm，单节长度为3.0-5.0m，测斜管内壁设置有两对相互垂直的“十字”形状、边长为4-6mm的正方形内置光纤槽或者直径为4-6mm的圆形内置光纤槽，测斜管外壁设置四个高度为2-3mm的凸肋。

本实施例中，测斜管和测斜管之间采用套管进行连接，套管的外直径为80-100mm，厚度为10-20mm，单节长度为200-400mm，套管内壁设置有两对相互垂直的“十字”形状、深度为2-3mm的凹型导向滑槽，凹型导向滑槽用于嵌套测斜管的凸肋，进而保证上下测斜管对齐。

本实施例提供的边坡深部连续位移监测方法，包括以下步骤：

1)选择合理的位置钻孔，孔位竖向轴线偏差不宜过大，垂直偏差应小于5°，从而形成安装孔。

2)根据钻孔方式的类型对安装孔进行洗孔处理和抽水处理。

3)在地面上依次排列测斜管和套管，将分布式光纤依次穿过测斜管的内置光纤槽和套管内径，每根分布式光纤对称分布在测斜管内，从而在测斜管底端呈U型结构，一个安装孔内埋设两根分布式光纤，这两根分布式光纤相互垂直呈“十字”分布。

4)将准备好的测斜管置于安装孔内，有底盖的测斜管首先置入安装孔，首尾顺序连接两根测斜管，将两管端头紧密相接(无空隙)，每次安装测斜管需要拉紧分布式光纤，保证分布式光纤没有缠绕打结扭曲，然后使用螺钉将套管和两根测斜管紧密连接。如此往复连接直至测斜管至安装孔底部，测斜管的管口高出地面0.5-1m，最后截断过高的测斜管。

5)转动测斜管，直至测斜管外壁的其中一对凸肋垂直于测量边坡面，另外一对凸肋平行于测量边坡面。

6)在测斜管与安装孔之间回填不同材质的回填材料，从而固定测斜管。

7)拉紧分布式光纤，保证分布式光纤沿着测斜管垂直布设，利用高压注剂机将粘结剂注入内置光纤槽，直至内置光纤槽完全被粘结剂充满。

8)封闭安装孔，封闭材料一般采用水泥砂浆或者水泥净浆。

9)在注入粘结剂之后12小时进行定位测量，步骤如下：(a)将分布式光纤分别插入数据接头入口和数据接头出口，打开BOTDR分布式光纤传感系统；(b)顺直展开测斜管管顶处的分布式光纤进行测量，记录布里渊频移与位置曲线；(c)对折测斜管处的分布式光纤呈150°以上，再次记录布里渊频移与位置曲线；(d)对比两次得到的曲线，获得测斜管处的分布式光纤在曲线的位置，确定并且标记该两点编号为i；(e)对比安装孔深度与两点间距进行距离修正，保证二者在长度上相等。

10)本发明使用室内试验确定布的里渊频移与应变关系，在BOTDR分布式光纤传感系统之中设置如下函数：

ε＝f(v_b) (1)

其中，ε为分布式光纤单位分辨率应变，无量纲；f()为光纤的布里渊频移-单位分辨率应变函数；v_b为光纤的布里渊频移。

对于每根分布式光纤，在测斜孔内由下到上依次编号为1、2、3、4、5、6……i(孔底编号为1，地面露出端为i)，第一次得到读数(沿图示方向①、②、③、④)分别为第二次得到读数(沿图示方向①、②、③、④)分别为第三次得到读数(沿图示方向①、②、③、④)分别为第j次得到读数(沿图示方向①、②、③、④)分别为

本实施例根据单位变形与角度的关系可以得到：

其中，为分布式光纤单位在沿深度方向的倾角，单位：°。

从而可以获得测斜管在不同深度的变形如下：

其中，S_x为边坡垂直于坡面方向的变形，单位：mm，S_y为边坡平行与坡面方向的变形，单位：mm。

在某上层为黄土下部为岩石的滑坡中，采用了锚杆框架梁防护，本实施例采用分布式光纤测斜管监测技术开展边坡深部变形监测工作。

图1为本发明实施例一提供的边坡深部连续位移监测装置的剖面图，图2为本发明实施例一提供的测斜管与分布式光纤的结构示意图，图3为本发明实施例一提供的测斜管与套管的结构示意图。如图1-3所示，本实施例使用的测斜管：采用PVC材质，外直径为80mm，厚度为15mm，单节长度为5.0m，测斜管中有两对相互垂直“十字”形状、边长为6mm的正方形内置光纤槽，测斜管外壁上设置有四个高度为3mm的凸肋。

本实施例使用的套管：外直径为100mm，厚度为10mm，单节长度为200-400mm，套管内壁设置有两对相互垂直“十字”形状、深度为2-3mm的凹型导向滑槽，用于嵌套测斜管的凸肋，进而保证上下测斜管对齐。

仪器设备还包括：

BOTDR分布式光纤传感系统：空间分辨率0.1m；钻进机械：XY-1型钻机；抽水泵：离心泵，抽水压力不宜小于1Mpa；抽水管：直径1-5cm的承压管，承压管的抗压强度大于1MPa；粘结剂：中性硅酮结构胶；高压注剂机：注剂压力大于2MPa。

本实施例提供的监测步骤如下：

1)本实施例选择合理的位置使用钻进机械钻孔，孔位竖向轴线偏差不宜过大垂直偏差应小于5°，从而形成安装孔14。

2)安装孔14无需洗孔，采用抽水泵抽水。

3)在地面上依次排列5m/根的测斜管5根和0.3m/根的套管4根，将分布式光纤1依次穿过测斜管的内置光纤槽3和套管内径，每根分布式光纤1对称分布在测斜管2内，在测斜管2底端呈U型，一个安装孔14内共埋设两根分布式光纤，两根分布式光纤1相互垂直呈“十字”分布。

4)将准备好的测斜管2置于安装孔14内，有底盖的测斜管2先置入安装孔14，首尾顺序连接两根测斜管2，将两管的端头紧密相接无空隙，采用器具或者人力控制测斜管的位置，控制测斜管的垂直度。每次安装测斜管2需要拉紧分布式光纤1，保证分布式光纤1没有缠绕打结扭曲，然后用螺钉将套管7和两根测斜管2紧密连接。如此往复连接直至测斜管2至安装孔14底部，无需截断测斜管2。

5)转动测斜管2，直至测斜管外壁的其中一对凸肋5垂直于测量边坡面，另外一对凸肋5平行于测量边坡面。

6)在测斜管2与安装孔14之间回填不同材质的材料回填材料，下部岩石层内采用砂浆，上部黄土部分采用干燥沙，从而固定测斜管。

7)拉紧分布式光纤1，保证分布式光纤1沿测斜管2垂直布设，利用高压注剂机将粘结剂4注入内置光纤槽3，直至内置光纤槽3完全被粘结剂充满。

8)本实施例采用水泥砂浆封闭安装孔。

9)本实施例在注入粘结剂4之后12小时进行定位测量，步骤如下：(a)将分布式光纤1分别插入数据接头入口9和出口10，打开BOTDR分布式光纤传感系统8；(b)顺直展开测斜管管顶处的分布式光纤1进行测量，记录布里渊频移与位置曲线；(c)对折测斜管处的分布式光纤1呈160°，再次记录布里渊频移与位置曲线；(d)对比两次得到的曲线，获得测斜管处的分布式光纤1在曲线的位置，确定并标记该两点编号为i；(e)对比安装孔15深度与两点间距进行距离修正，保证二者在长度上相等。

10)本实施例使用室内试验确定布的里渊频移与应变关系，在BOTDR分布式光纤传感系统8中设置该函数：

ε＝k(v_b-v_b0) (6)

其中，ε为分布式光纤单位分辨率应变，无量纲；k为光纤的布里渊频移-单位分辨率应变系数，k为传感器轴力与波长系数的比值，k是一个常数，k在本实施例中为1912.832/nm；v_b、v_b0分别为分布式光纤的布里渊频移测量值和第一次测量值。

对于每根分布式光纤1，在测斜孔1内由下到上依次编号为1、2、3、4、5、6……i(孔底编号为1，地面露出端为i)，多次测量得到沿图示方向①、②、③、④的读数。

11)首先得到单位变形与角度的关系，进而可以得到测斜管在不同深度的变形。图4为本发明实施例一提供的测斜管在不同深度的相对变形示意图。在平行边边坡情况下基本无变形，在垂直边坡坡面方向，相对变形情况如图4所示。

本实施例提供的边坡深部连续位移监测装置，包括分布式光纤、BOTDR分布式光纤传感系统、多个测斜管和套管，分布式光纤设置于测斜管的内置光纤槽之内，分布式光纤与内置光纤槽之间的空间设置有粘结剂，以使分布式光纤的形状与测斜管的形状相互配合，分布式光纤利用BOTDR分布式光纤传感系统对边坡深部的连续位移进行监测。本实施例提供的技术方案克服了现有技术的缺点，工艺和材料原理清晰可行，试验可操作性极强，埋设方便，施工速度快，成本低。本实施例提供的测斜管能够与周围土体形成一个整体、协同变形的装置，单次测量时间少于1min，监测省时省力，获得沿深度方向上的连续监测数据，通过多次测量测斜管不同深度的水平变形，可以直接计算出土体不同深度的水平位移，提前预测安全状态，为正确判断结构的安全提供准确可靠的依据，及时采取措施防止安全事故的发生。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种边坡深部连续位移监测装置，其特征在于，包括分布式光纤、BOTDR分布式光纤传感系统、多个测斜管和套管，所述分布式光纤设置于所述测斜管的内置光纤槽之内，所述分布式光纤与所述内置光纤槽之间的空间设置有粘结剂，以使所述分布式光纤的形状与所述测斜管的形状相互配合，所述分布式光纤利用所述BOTDR分布式光纤传感系统对所述边坡深部的连续位移进行监测；

所述测斜管设置有两对内置光纤槽，每对内置光纤槽具有两个内置光纤槽，两个内置光纤槽在所述测斜管的纵截面上为U型结构，两对内置光纤槽在所述测斜管的横截面上相互垂直；

所述测斜管与所述测斜管之间使用套管进行连接，所述测斜管的外壁上设置有四个凸肋，四个所述凸肋与四个所述内置光纤槽分别对应设置，所述套管的内壁上设置有四个凹型导向滑槽，四个所述凸肋与四个所述凹型导向滑槽对应设置，所述凸肋与所述凹型导向滑槽相互配合，以使上下测斜管对齐。

2.根据权利要求1所述的边坡深部连续位移监测装置，其特征在于，所述内置光纤槽的横截面为正方形或者圆形，所述正方形的边长范围为4-6mm，所述圆形的直径范围为4-6mm。

3.根据权利要求1所述的边坡深部连续位移监测装置，其特征在于，所述测斜管的外直径范围为70-80mm，厚度为10-15mm，单节长度范围为3-5m，所述凸肋的高度范围为2-3mm。

4.根据权利要求1所述的边坡深部连续位移监测装置，其特征在于，所述套管的外直径范围为80-100mm，厚度范围为10-20mm，单节长度范围为200-400mm，所述凹型导向滑槽的深度范围为深2-3mm。

5.根据权利要求1所述的边坡深部连续位移监测装置，其特征在于，所述测斜管的构成材料包括聚氯乙烯或者塑料。

6.一种边坡深部连续位移监测方法，其特征在于，所述监测方法使用权利要求1-5任一所述的监测装置，所述监测方法包括：

形成安装孔，所述安装孔的竖向轴线的垂直偏差小于5°；

组装所述监测装置的分布式光纤、测斜管和套管；

将组装之后的测斜管安装在所述安装孔之内，所述测斜管的管口与地面之间的高度范围为0.5-1m；

转动所述测斜管，直至所述测斜管的其中一对凸肋垂直于测量边坡面，另外一对凸肋平行于测量边坡面；

在所述测斜管与所述安装孔之间设置回填材料，以固定所述测斜管；

拉紧所述分布式光纤，以使所述分布式光纤沿着所述测斜管垂直设置；

将所述粘结剂注入所述内置光纤槽，直至充满所述内置光纤槽；

将所述分布式光纤分别插入所述BOTDR分布式光纤传感系统的数据接头入口和数据接头出口；

使用所述BOTDR分布式光纤传感系统根据布里渊频移-单位分辨率应变函数获得所述测斜管在不同深度的变形。

7.根据权利要求6所述的边坡深部连续位移监测方法，其特征在于，所述使用所述BOTDR分布式光纤传感系统根据布里渊频移-单位分辨率应变函数获得所述测斜管在不同深度的变形的步骤包括：

顺直展开所述测斜管管顶位置的分布式光纤进行测量，记录布里渊频移与位置曲线；

以150°以上的角度对折所述测斜管处的分布式光纤，再次记录布里渊频移与位置曲线；

根据两次得到的布里渊频移与位置曲线，获得所述测斜管处的分布式光纤在所述布里渊频移与位置曲线的位置；

在所述BOTDR分布式光纤传感系统之中设置函数：

ε＝f(v_b) (1)

其中，ε为分布式光纤单位分辨率应变，f()为光纤的布里渊频移-单位分辨率应变函数，v_b为光纤的布里渊频移；

根据单位变形与角度的关系获得：

其中，为所述分布式光纤在沿深度方向的倾角，为第j次沿四个方向分别获得的读数；

获得所述测斜管在不同深度的变形：

其中，S_x为边坡垂直于坡面方向的变形，S_y为边坡平行与坡面方向的变形。

8.根据权利要求6所述的边坡深部连续位移监测方法，其特征在于，所述形成安装孔的步骤之后包括：

对所述安装孔进行洗孔处理和抽水处理；

所述将所述粘结剂注入所述内置光纤槽，直至充满所述内置光纤槽的步骤之后包括：

封闭所述安装孔。