CN113624276A - 用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于管道滑坡‑抗滑桩结构联合的监测装置及监测方法，包括滑坡深部位移监测装置、滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道本体监测装置、抗滑桩结构监测装置、滑坡环境参量的监测装置以及现场监测站，本发明将光纤光栅传感技术应用于管道滑坡的系统监测，实现了利用光纤光栅传感技术对管道滑坡的系统监测，与传统的监测方式相比易于实现自动实时监测，空间分辨率高，且成本较低；本发明提出对滑坡‑管道‑抗滑桩结构进行联合监测的方法，揭示了滑坡、管道和抗滑桩结构相互作用的特点；本发明的监测系统易于构建，易于实现监测数据的实时自动采集分析和远程发布并实时自动报警，对管道应急措施的采取至关重要。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道滑坡监测装置，具体是一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置及监测方法，属于应力应变和位移的测量及管道系统技术领域。
背景技术
油气管道作为国家的重要生命线工程之一，其安全俨然成为关乎整个国家经济命脉的重要一环，一旦出现安全问题，其社会危害和关注度极高。我国现役油气管道75％以上埋设在山区、冻土区等复杂地质环境条件下，由于选线时缺乏充分的论证或不可避免的穿越某些地质构造活跃的地区，这些地区内往往是地质灾害，尤其是滑坡灾害频繁发生的区域，对管道的安全运营及社会安全造成了极为严重的威胁，对于可能会对管道的安全运营产生威胁的滑坡往往被称之为管道滑坡。
在管道不可避免的会穿越众多地质灾害严重的地区以及面临着众多管道滑坡灾害的情形下，我国从事管道运营的公司虽已采取了许多相应的工程治理防护措施，但是野外环境恶劣多变，在长时间的边坡土体应力作用下，支挡结构材料也会发生损坏、破裂，这些对边坡的稳定性造成极大的威胁，同时严重威胁着管道的安全运营，传统的监测方法往往局限于对管道或滑坡或对两者进行共同监测，少有同时监测护坡结构的安全，中国发明专利 2011年8月3日公开的一种公开号为CN101667327B的“管道滑坡深部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法”，其通过对管道滑坡深部位移监测、滑坡对管道的推力监测以及管道应变监测实现对管道滑坡的预警，但其并没有涉及抗滑坡的监测以及管道环境监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置及监测方法，能够对滑坡、管道和抗滑桩结构进行联合监测，可以避免繁琐的人工采集，减少报警时间，提高管道滑坡、护坡的安全性。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，包括滑坡深部位移监测装置、滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道本体监测装置、抗滑桩结构监测装置、滑坡环境参量的监测装置以及现场监测站，
滑坡深部位移监测装置包括粘贴有光纤光栅传感器的FBG测斜管，光纤传感器的输出端连接光转换开关的输入端，FBG测斜管布置在滑坡上设置的钻孔中，在下放FBG测斜管时将光纤光栅传感器的一侧朝向滑坡潜在滑动方向放置；
滑坡表部位移监测装置包括FBG多点位移计，FBG多点位移计设置为两套，并沿滑坡坡面布置在钻孔中，FBG多点位移计与光缆连接，FBG多点位移计将监测的滑坡表部位移信号经过光缆传输至光转换开关的输入端；
滑坡对管道的推力监测装置包括FBG土压力盒，FBG土压力盒通过土压力盒支架固定在管道上，并且将FBG土压力盒感受压力的敏感面朝向滑坡的滑动方向，滑坡对管道的推力监测的FBG土压力盒输出接光转换开关的输入端；
管道本体监测装置包括管道的应变监测和管道位移监测，在滑坡的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一道监测截面，且监测截面的间距小于60m，在管道的每个监测截面的外周分别均匀布置三个FBG贴片式应变计和三个FBG贴片式位移计，且FBG贴片式应变计和FBG贴片式位移计均布置在与管道轴线垂直的平面上；
抗滑桩结构监测装置包括抗滑桩倾斜监测和抗滑桩内部应力应变监测两部分，抗滑桩倾斜监测通过在抗滑桩的表面安装FBG倾角计，将FBG倾角计安装在抗滑桩的水平位移监测点，抗滑桩内部应力应变监测通过将FBG钢筋应力计对接或焊接在抗滑桩内钢筋上且需保证两者在同一轴线上，对称布设；
滑坡环境参量的监测装置包括FBG光纤渗压计、FBG液位计和FBG温度计，安装时将FBG光纤渗压计钻孔埋入不同深度含水层中，将FBG液位计沿钻孔下放，将FBG温度计埋入不同深度；
现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、连接光缆、光转换开关、无人值守光纤光栅解调仪、上位计算机，由光纤光栅传感器的光纤接线盒和连接光缆将滑坡上各个位置的FBG传感器接到监测站的光转换开关的输入端，光转换开关的输出端接无人值守光纤光栅解调仪的输入端，无人值守光纤光栅解调仪的输出端连接上位计算机，上位计算机自动计算出各监测量的监测数据并将监测数据由GPRS传输模块传给GPRS接收器，GPRS接收器将上述监测数据传输给位于室内的下位计算机，并交由报警器实现实时预警；
作为本发明的进一步改进，FBG测斜管选用ABS材质，光纤光栅传感器在FBG测斜管上等间距粘贴，并在潜在滑动面附近粘贴间距缩小，光纤光栅传感器布置在FBG测斜管外壁刻的凹槽内，防止在下放过程中，钻孔孔壁刮伤光纤。
作为本发明的进一步改进，将串联的36个光纤光栅传感器组成传感器组等间距直接粘贴于FBG测斜管轴向的外侧，在潜在滑动面附近粘贴间距缩小到0.8m。
作为本发明的进一步改进，安装FBG贴片式应变计和FBG贴片式位移计时，完全刮开管道防腐层，并打磨管道至表面光滑，用快干胶粘贴并封装好FBG贴片式应变计和FBG 贴片式位移计，待FBG贴片式应变计和FBG贴片式位移计全部粘贴好之后，分别将FBG 贴片式应变计和FBG贴片式位移计的引纤引至地面，并进行保护；当管道承受轴向拉/压应力时，FBG贴片式应变计承受拉/压应变，按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求得管道截面上最大应变的大小和位置，基于弹性钢材理论，即可求出管道截面上最大拉/压应力的大小；当管道发生变形或者错动时，FBG贴片式位移计可感测到管道的位移大小和方向。
作为本发明的进一步改进，光转换开关选用光隆SUM-FSW；无人值守光纤光栅解调仪选用智传NZS-FBG-A02型；上位计算机选用研华IPC-610；GPRS传输模块选用西门子MC35i；GPRS接收器选用西门子MC35i；下位计算机选用研华IPC-610；报警器选用博世 DS-7400。
一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置的监测方法，
滑坡深部位移监测方法为：光纤光栅传感器串联后粘贴于柔性管体的侧壁即构成FBG 测斜管，将FBG测斜管粘有光纤光栅传感器的一侧朝向滑坡潜在滑动的方向，在滑坡体内沿铅直插入穿过所有潜在滑动面并延伸至基岩面以下3-5m的钻孔内，将光纤光栅传感器接头与光缆连接，并将光信号引到监测站，监测站上的上位计算机调用自编程序，控制无人值守光纤光栅解调仪实现数据自动采集并计算出FBG测斜管承受的最大拉应变，FBG测斜管在埋设底端因固定在基岩内，因此设定基岩内FBG测斜管是固定约束的，当FBG测斜管由于来自滑坡体下滑时带来的推力而弯曲时，FBG测斜管的一侧承受最大拉应变，利用二重积分算法，通过FBG测斜管内的拉应变分布即可求出FBG测斜管的弯曲挠度，此弯曲挠度即为滑坡深部位移量，计算公式为：
式中：
y为测斜管内深度为x处测斜管的挠度；
ε为FBG传感器测得测斜管弯曲应变；
r为测斜管外径；
ε(x)为测斜管内深度为x处测斜管弯曲应变；
c为积分常数；
滑坡表部位移监测方法为：滑坡表部位移监测采用悬臂梁式FBG多点位移计进行监测，埋设时FBG多点位移计在钻孔内不同深度的锚头用灌浆或液压锚固的方法与孔壁锚固为一体，并在悬臂梁的正反两面沿纵向分别粘贴上光纤光栅传感器，当滑坡体产生位移时引起悬臂梁产生弯曲，其位移量就通过与锚头连接在一起的光缆传递到孔口的光纤光栅传感器上，得出与位移成比例的信号，将信号通过光缆引到监测站，监测站上的上位计算机调用自编程序，控制无人值守光纤光栅解调仪实现数据自动采集并换算成位移量，即自由端发生的水平位移为ΔL，弯曲角度为θ，当-5°＜θ＜5°时，认为悬臂梁的纵向形变ε和ΔL成线性比例关系：
ε＝k·ΔL
悬臂梁正两面的光纤光栅传感器的中心波长为别记为λ1和λ2，并且满足：
式中：
λi 0为光纤光栅的初始中心波长；
mi为光纤光栅的应变系数；
ni为光纤光栅的温度系数，由于光纤光栅的一致性并忽略中心波长对温度系数的影响，可认为两者温度系数相同；
ΔT为环境温度的变化；
滑坡对管道的推力监测方法为：用固定在管道上的FBG土压力盒测试土压力，FBG土压力盒由土压力盒支架固定在管道上，其中感受土压力的敏感面朝向滑坡的滑动方向，这样FBG土压力盒测量的压力就是滑坡对管道的推力；
管道本体监测方法为：在滑坡的两侧边缘及滑坡的中心位置的管道上，均匀布置管道监测截面，且监测界面的间距小于60m，在管道的每个监测截面上均匀布置三个FBG贴片式应变计对管道轴向应变进行监测，基于钢材弹性理论，根据应变求出应力；
抗滑桩结构监测方法为：通过固定在抗滑桩上的FBG倾角计跟随抗滑桩结构发生偏转角度，利用FBG倾角计直接计算出倾斜角度盒水平位移值变化值大小；通过将FBG钢筋应力计对接或焊接在抗滑桩内的钢筋上，且需保证两者在同一轴线上，对称布设，测量桩身内力和变形；
滑坡环境参量的监测方法为：将FBG光纤渗压计通过钻孔埋入到不同深度含水层中，测试滑坡土层的孔隙水压力；将FBG液位计沿钻孔下放，用来监测河流、冲沟的水位高度；将FBG温度计埋入不同深部，测量地温场的变化。
与现有技术相比，本发明通过设置滑坡深部位移监测装置、滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道本体监测装置、抗滑桩结构监测装置、滑坡环境参量的监测装置以及现场监测站，能够对滑坡、管道和抗滑桩结构进行联合监测，当滑坡滑动时，埋于滑坡深部的FBG测斜管受滑坡土体推力而发生弯曲应变，FBG测斜管上的光纤光栅传感器感受到拉应变力，通过计算可得到FBG测斜管上的水平位移，即为滑坡深部的水平位移，埋于滑坡前表部的FBG多点位移计在滑坡推力的过程中产生伸长应变力，通过计算可得到滑坡表部的水平位移分布，滑坡在活动过程中，管道承受滑坡推力而发生应变变化，甚至发生错位，分别通过FBG贴片式应变计和FBG贴片式位移计测量，滑坡在活动过程中对抗滑桩产生推力使得抗滑桩体内应力应变发生改变甚至使得抗滑桩发生倾倒变形，其内部应变和整体倾角变化分别由FBG钢筋应力计和FBG倾角计测量，至于环境参数的测量，则分别通过FBG渗压计、FBG液位计和FBG温度计得到滑坡体内孔隙水压力、水位高度和温度参数；通过连接光缆，连接光缆将滑坡上各个位置的FBG传感器接到监测站的光转换开关，光转换开关输出接无人值守光纤光栅解调仪，无人值守光纤光栅解调仪输出端连接上位计算机，上位计算机自动计算出各监测量输给下位计算机，下位计算机将各监测量与报警阈值对比，必要的时候给出报警；本发明将光纤光栅传感技术应用于管道滑坡的系统监测，该技术抗干扰、耐腐蚀、易于封装形成各种传感器且易于组网，通过构筑特定的载体，实现了利用光纤光栅传感技术对管道滑坡的系统监测，与传统的监测方式相比易于实现自动实时监测，空间分辨率高，且成本较低；本发明提出对滑坡-管道-抗滑桩结构进行联合监测的方法，揭示了滑坡、管道和抗滑桩结构相互作用的特点；本发明所有的监测量均通过光纤光栅传感技术实现，易于构建监测系统，易于实现管道-滑坡-抗滑桩结构联合监测数据的实时自动采集分析和远程发布并实时自动报警，对管道应急措施的采取至关重要。
附图说明
图1是本发明管道-滑坡-抗滑桩结构联合监测预警系统构成示意图；
图2是本发明管道-滑坡-抗滑桩结构联合监测预警系统原理框图；
图3是本发明管道深部位移监测构建图；
图4是本发明管道表部位移监测构建图。
图中：1、FBG测斜管，2、FBG多点位移计，3、钻孔，4、FBG土压力盒，5、管道， 6、FBG贴片式应变计，7、FBG贴片式位移计，8、FBG光纤渗压计，9、抗滑桩，10、钢筋，11、FBG钢筋应力计，12、FBG倾角计，13、无人值守光纤光栅解调仪，14、上位计算机，15、GPRS传输模块，16、GPRS接收器，17、下位计算机，18、报警器，19、光转换开关，20、光缆，21、滑坡，22、FBG液位计，23、FBG温度计，24、光纤光栅传感器， 25、潜在滑动面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，包括滑坡深部位移监测装置、滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道本体监测装置、抗滑桩结构监测装置、滑坡环境参量的监测装置以及现场监测站，
滑坡深部位移监测装置包括粘贴有光纤光栅传感器24的FBG测斜管1，光纤光栅传感器24的输出端连接光转换开关19的输入端，光转换开关19的输出端连接无人值守光纤光栅解调仪13的输入端，无人值守光纤光栅解调仪13解调出各光纤光栅传感器24的中心波长位移量输出给上位计算机14，FBG测斜管1布置在滑坡21上设置的钻孔中，在下放FBG 测斜管1时将光纤光栅传感器的一侧朝向滑坡潜在滑动方向放置；
滑坡表部位移监测装置包括FBG多点位移计2，FBG多点位移计2设置为两套，并沿滑坡坡面布置在钻孔3中，FBG多点位移计2与光缆20连接，FBG多点位移计2将监测的滑坡表部位移信号经过光缆20传输至光转换开关19的输入端；
滑坡对管道的推力监测装置包括FBG土压力盒4，FBG土压力盒4通过土压力盒支架固定在管道5上，并且将FBG土压力盒4感受压力的敏感面朝向滑坡21的滑动方向，这样FBG土压力盒4测量的压力便是滑坡21对管道5的正面推力，滑坡21对管道5的推力监测的FBG土压力盒4输出接光转换开关19的输入端，光转换开关19输出接无人值守光纤光栅解调仪13输入，无人值守光纤光栅解调仪的输出接现场上位计算机14；
管道本体监测装置包括管道的应变监测和管道位移监测，在滑坡21的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一道监测截面，且监测截面的间距小于60m，在管道5的每个监测截面的外周分别均匀布置三个FBG贴片式应变计6和三个FBG贴片式位移计7，且FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7均布置在与管道5轴线垂直的平面上；
抗滑桩结构监测装置包括抗滑桩倾斜监测和抗滑桩内部应力应变监测两部分，抗滑桩倾斜监测通过在抗滑桩9的表面安装FBG倾角计12，将FBG倾角计12安装在抗滑桩9的水平位移监测点，测量其水平变形，利用夹具打孔模板，打好孔位，在监测点位置植入膨胀螺栓，然后利用膨胀螺丝将夹具固定，再将FBG倾角计12采用螺丝固定在夹具上，完成FBG倾角计12传感器布设。抗滑桩内部应力应变监测通过将FBG钢筋应力计11对接或焊接在抗滑桩9内钢筋10上且需保证两者在同一轴线上，对称布设；铺设完成后将引纤引至地面并进行保护，当抗滑桩在滑坡作用下发生形变或位移时，FBG倾角计12可直接测量得出抗滑桩倾斜变化角度并通过计算可得到水平位移大小，FBG钢筋应力计11测量所得抗滑桩内混凝土钢筋的应变，进而推算钢筋所受的应力；
滑坡环境参量的监测装置包括FBG光纤渗压计8、FBG液位计22和FBG温度计23，安装时将FBG光纤渗压计8钻孔埋入不同深度含水层中，测试土层孔隙水压力；将FBG 液位计22沿钻孔下放，用来监测河流、冲沟等水位高度，将FBG温度计23埋入不同深度，测量地温场的变化，在传感器完成铺设后，将引纤引至地面，将光纤接头与光缆20连接，通过光缆20将信号引到监测站，在监测站上，上位计算机14调用自编程序，控制无人值守光纤光山解调仪15，实现对土层孔隙水压力、地下水水位高度和低温的实时数据采集。
现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、光缆20、光转换开关19、无人值守光纤光栅解调仪13、上位计算机14，由光纤光栅传感器的光纤接线盒和光缆20将滑坡21上各个位置的FBG传感器接到监测站的光转换开关19的输入端，光转换开关19的输出端接无人值守光纤光栅解调仪13的输入端，无人值守光纤光栅解调仪13的输出端连接上位计算机14，上位计算机14自动计算出各监测量的监测数据并将监测数据由GPRS传输模块15传给GPRS接收器16，GPRS接收器16将上述监测数据传输给位于室内的下位计算机 17，并交由报警器18实现实时预警；
FBG测斜管1选用ABS材质，光纤光栅传感器在FBG测斜管1上等间距粘贴，并在潜在滑动面25附近粘贴间距缩小，光纤光栅传感器布置在FBG测斜管1外壁刻的凹槽内。
将串联的36个光纤光栅传感器组成传感器组等间距直接粘贴于FBG测斜管1轴向的外侧，在潜在滑动面25附近粘贴间距缩小到0.8m。
安装FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7时，完全刮开管道5防腐层，并打磨管道5至表面光滑，用快干胶粘贴并封装好FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7，待FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7全部粘贴好之后，分别将FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7的引纤引至地面，并进行保护；当管道5承受轴向拉/压应力时， FBG贴片式应变计6承受拉/压应变，按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求得管道 5截面上最大应变的大小和位置，基于弹性钢材理论，即可求出管道5截面上最大拉/压应力的大小；当管道发生变形或者错动时，FBG贴片式位移计7可感测到管道的位移大小和方向。
光转换开关19选用光隆SUM-FSW；无人值守光纤光栅解调仪13选用智传 NZS-FBG-A02型；上位计算机14选用研华IPC-610；GPRS传输模块15选用西门子MC35i； GPRS接收器16选用西门子MC35i；下位计算机17选用研华IPC-610；报警器18选用博世DS-7400。
一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置的监测方法，
滑坡深部位移监测方法为：光纤光栅传感器串联后黏贴于柔性管体的侧壁即构成FBG 测斜管1，将FBG测斜管1粘有光纤光栅传感器的一侧朝向滑坡潜在滑动的方向，在滑坡体内沿铅直插入穿过所有潜在滑动面25并延伸至基岩面以下3-5m的钻孔内，将光纤光栅传感器24的接头与光缆20连接，并将光信号引到监测站，监测站上的上位计算机14调用自编程序，控制无人值守光纤光栅解调仪13实现数据自动采集并计算出FBG测斜管1承受的最大拉应变，FBG测斜管1在埋设底端因固定在基岩内，因此设定基岩内FBG测斜管 1是固定约束的，当FBG测斜管1由于来自滑坡体下滑时带来的推力而弯曲时，FBG测斜管1的一侧承受最大拉应变，利用二重积分算法，通过FBG测斜管1内的拉应变分布即可求出FBG测斜管1的弯曲挠度，此弯曲挠度即为滑坡深部位移量，计算公式为：
式中：
y为测斜管内深度为x处测斜管的挠度；
ε为FBG传感器测得测斜管弯曲应变；
r为测斜管外径；
ε(x)为测斜管内深度为x处测斜管弯曲应变；
c为积分常数；
滑坡表部位移监测方法为：滑坡表部位移监测采用悬臂梁式FBG多点位移计2进行监测，埋设时FBG多点位移计2在钻孔内不同深度的锚头用灌浆或液压锚固的方法与孔壁锚固为一体，并在悬臂梁的正反两面沿纵向分别粘贴上光纤光栅传感器，当滑坡体产生位移时引起悬臂梁产生弯曲，其位移量就通过与锚头连接在一起的光缆传递到孔口的光纤光栅传感器上，得出与位移成比例的信号，将信号通过光缆20引到监测站，监测站上的上位计算机14调用自编程序，控制无人值守光纤光栅解调仪13实现数据自动采集并换算成位移量，即自由端发生的水平位移为ΔL，弯曲角度为θ，当-5°＜θ＜5°时，认为悬臂梁的纵向形变ε和ΔL成线性比例关系：
ε＝k·ΔL
悬臂梁正两面的光纤光栅传感器的中心波长为别记为λ1和λ2，并且满足：
式中：
λi 0为光纤光栅的初始中心波长；
mi为光纤光栅的应变系数；
ni为光纤光栅的温度系数，由于光纤光栅的一致性并忽略中心波长对温度系数的影响，可认为两者温度系数相同；
ΔT为环境温度的变化；
滑坡对管道的推力监测方法为：用固定在管道5上的FBG土压力盒4测试土压力，FBG 土压力盒4由土压力盒支架固定在管道5上，其中感受土压力的敏感面朝向滑坡的滑动方向，这样FBG土压力盒4测量的压力就是滑坡对管道5的推力；
管道本体监测方法为：在滑坡21的两侧边缘及滑坡的中心位置的管道5上，均匀布置管道监测截面，且监测界面的间距小于60m，在管道5的每个监测截面上均匀布置三个FBG贴片式应变计6对管道轴向应变进行监测，基于钢材弹性理论，根据应变求出应力；
抗滑桩结构监测方法为：通过固定在抗滑桩9上的FBG倾角计12跟随抗滑桩结构发生偏转角度，利用FBG倾角计12直接计算出倾斜角度盒水平位移值变化值大小；通过将 FBG钢筋应力计11对接或焊接在抗滑桩9内的钢筋10上，且需保证两者在同一轴线上，对称布设，测量桩身内力和变形；
滑坡环境参量的监测方法为：将FBG光纤渗压计8通过钻孔埋入到不同深度含水层中，测试滑坡21土层的孔隙水压力；将FBG液位计22沿钻孔下放，用来监测河流、冲沟的水位高度；将FBG温度计23埋入不同深部，测量地温场的变化。
实施例
以一宽为200m，滑动面埋深约30m的滑坡作为一实验系统，本管道滑坡监测预警系统如图2所示，是由滑坡深部位移监测装置、滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道推力监测装置、管道本体监测装置、抗滑桩结构监测装置以及环境参数监测装置六部分组成。
如图3所示，FBG测斜管1的光纤光栅传感器24的输出端接光转换开关19的输入端，光转换开关19输出接无人值守光纤光栅解调仪13，无人值守光纤光栅解调仪13解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量输出给上位计算机14，而FBG测斜管1上的光纤光栅传感器是将串联的光纤光栅传感器的引纤熔接后连接至连接光纤，在滑坡21的钻孔里放入粘贴有光纤光栅传感器的测斜管，即为FBG测斜管1，下放时将FBG测斜管1粘贴有光纤光栅传感器24的一侧朝向滑坡潜在滑动方向，将光纤接头与光缆20连接，通过光缆20将信号引到监测站，在监测站上，上位计算机14调用自编程序，控制无人值守光纤光山解调仪 15，实现数据的实时自动采集。
如图4所示，沿滑坡坡面布置2套FBG多点位移计2，根据滑动面的深度布置两套多点位移计，一套四点式，埋设深度为10m观测点间距按4，6，8，12m安排；一套6点式，埋设深度为20m，测点间距按3，4，5，6，8，10m安排，FBG多点位移计2接头与光缆 20连接，滑坡表部位移监测装置输出的信号经光缆20输出至光转换开关19，光转换开关 19的输出端接无人值守光纤光山解调仪13的输入端，无人值守光纤光山解调仪13的输出端接现场上位计算机14。
本滑坡管道本体监测装置的构成分为管道本体应变监测和管道位移监测两部分，是在滑坡21的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一道监测截面，且监测截面的间距不宜超过 60m，在管道5的每个监测截面的外周分别均匀布置3个FBG贴片式应变计6和3个FBG 贴片式位移计7且这6个传感器布置在与管道5轴线垂直的平面上。安装FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7时，完全刮开管道5防腐层，并打磨管道5至表面光滑，用快干胶粘贴并封装好光栅光纤传感器，待6个光栅光纤传感器全部粘贴好之后，分别将FBG 贴片式应变计和FBG贴片式位移计的引纤引至地面，并进行保护。当管道5承受轴向拉/ 压应力时，三个FBG贴片式应变计承受拉/压应变，按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求得管道5截面上最大应变的大小和位置，基于弹性钢材理论，即可求出管道5截面上最大拉/压应力的大小；当管道发生变形或者错动时，3个FBG贴片式位移计可感测到管道的位移大小和方向。
本滑坡抗滑桩结构监测装置的构成可分为抗滑桩倾斜监测和抗滑桩内部应力应变监测两部分，其中抗滑桩的倾斜监测通过在抗滑桩表面安装FBG倾角计12，采用特制夹具固定安装的方式，将FBG倾角计12安装在抗滑桩9水平位移监测点，测量其水平变形，利用夹具打孔模板，打好孔位，在测点位置植入膨胀螺栓，然后利用膨胀螺丝将特制夹具固定，再将FBG倾角计12采用螺丝固定在夹具上，完成FBG倾角计12传感器布设。抗滑桩的应力应变监测通过直接将FBG钢筋计11焊在钢筋上后即可完成铺设，铺设完成后将引纤引至地面并进行保护。当抗滑桩在滑坡作用下发生形变或位移时，FBG倾角计12可直接测量得出抗滑桩倾斜变化角度并通过计算可得到水平位移大小，FBG钢筋计11测量所得抗滑桩内混凝土钢筋的应变，进而推算钢筋所受的应力。
本滑坡环境参量的监测装置用到的传感器有FBG光纤渗压计8、FBG液位计22和FBG温度计23，安装时将FBG渗压计8钻孔埋入不同深度含水层中，测试土层孔隙水压力；将 FBG液位计22沿钻孔下放，用来监测河流、冲沟等水位高度，将FBG温度计23埋入不同深度，测量地温场的变化，在传感器完成铺设后，将引纤引至地面，将光纤接头与光缆20 连接，通过光缆20将信号引到监测站，在监测站上，上位计算机14调用自编程序，控制无人值守光纤光山解调仪15，实现对土层孔隙水压力、地下水水位高度和低温的实时数据采集。
光纤光栅传感器均选用自行设计并封装的光纤光栅传感器。
本滑坡现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、连接光缆20、光转换开关19、无人值守光纤光栅解调仪13、上位计算机14、GPRS传输模块15，由光纤光栅传感器的光纤接纤盒和连接光缆20将滑坡21上哥哥位置的FBG传感器接到监测站的光转换开关19，光转换开关19输出接无人值守光纤光栅解调仪13，光纤光栅解调仪13输出接上位计算机 14，上位计算机14自动计算出各监测量输给GPRS传输模块15并接受GPRS传输模块15 的信号进行控制，GPRS传输模块15将上位计算机14将上位计算14计算的各监测量通过公众无线通信网络传输给位于办公室的下位计算机17并交由报警器18实现实时预警。
位于办公室的接收终端包括如下两个部分：
(1)GPRS接收模块16，用于接收现场监测站GPRS传输模块15发送的监测量并传输给终端下位计算机17，也可给现场GPRS传输模块15发送反馈指令。
(2)下位计算机17及程序，用于下载终端GPRS接收模块16的信号，并调用程序进行自动分析，将分析结果与预设报警阈值进行对比，必要的时候报警。
(3)报警器18，用于当分析结果超过预设报警阈值时，发生声音警示信号，报警器18由下位计算机17及程序控制。
该系统的工作原理是：当滑坡21滑动时，埋于滑坡21深部的FBG测斜管1受滑坡21土体推力而发生弯曲应变，FBG测斜管1上的光纤光栅传感器24感受到拉应变，通过计算可得到测斜管上的水平位移，即为滑坡21深部的水平位移，埋于滑坡21前表部的FBG多点位移计2在滑坡21推力的过程中产生伸长应变，通过计算可得到滑坡表部的水平位移分布，滑坡21在活动过程中，管道5承受滑坡21推力而发生应变变化，甚至发生错位，分别通过FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7测量，滑坡21在活动过程中对抗滑桩产生推力使得抗滑桩体内应力应变发生改变甚至使得抗滑桩发生倾倒变形，其内部应变和整体倾角变化分别由FBG钢筋应力计11和FBG倾角计12测量，至于环境参数的测量，则分别通过FBG渗压计8、FBG液位计22和FBG温度计23得到滑坡体内孔隙水压力、水位高度和温度参数，通过光缆20将滑坡21上各个位置的FBG传感器接到监测站的光转换开关19，光转换开关19的输出端接无人值守光纤光栅解调仪13的输入端，无人值守光纤光栅解调仪13的输出端接上位计算机14，上位计算机14自动计算出各监测量输给GPRS传输模块15并接受GPRS传输模块15的信号进行控制，GPRS传输模块15将上位计算机14 将上位计算14计算的各监测量通过公众无线通信网络传输给位于办公室的下位计算机17 将各监测量与报警阈值对比，必要的时候给出报警。
利用上述方法构建的系统在进行监测时，若滑坡21滑动时，埋于滑坡21深部的FBG测斜管1受滑坡21土体推力而发生弯曲应变，FBG测斜管1上的光纤光栅传感器24感受到拉应变，通过计算可得到FBG测斜管1上的水平位移，即为滑坡21深部的水平位移，埋于滑坡21前表部的FBG多点位移计2在滑坡21推力的过程中产生伸长应变，通过计算可得到滑坡表部的水平位移分布，滑坡21在活动过程中，管道5承受滑坡21推力而发生应变变化，甚至发生错位，分别通过FBG贴片式应变计6和FBG贴片式位移计7测量，滑坡21在活动过程中对抗滑桩产生推力使得抗滑桩体内应力应变发生改变甚至使得抗滑桩发生倾倒变形，其内部应变和整体倾角变化分别由FBG钢筋应力计11和FBG倾角计12 测量，至于环境参数的测量，则分别通过FBG渗压计8、FBG液位计22和FBG温度计23 得到滑坡体内孔隙水压力、水位高度和温度参数。
经长时间的监测，本例易于构建实时监测系统，易于实现管道-滑坡-抗滑桩结构联合监测数据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警，避免了繁琐的人工采集，减少了报警时间，为管道应急措施采取争取了足够的时间，因此本措施的采取是至关重要的。
Claims (6)
1.一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，其特征在于，包括滑坡深部位移监测装置、滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道本体监测装置、抗滑桩结构监测装置、滑坡环境参量的监测装置以及现场监测站，
滑坡深部位移监测装置包括粘贴有光纤光栅传感器(24)的FBG测斜管(1)，光纤光栅传感器(24)的输出端连接光转换开关(19)的输入端，FBG测斜管(1)布置在滑坡(21)上设置的钻孔中，在下放FBG测斜管(1)时将光纤光栅传感器的一侧朝向滑坡潜在滑动方向放置；
滑坡表部位移监测装置包括FBG多点位移计(2)，FBG多点位移计(2)设置为两套，并沿滑坡坡面布置在钻孔(3)中，FBG多点位移计(2)与光缆(20)连接，FBG多点位移计(2)将监测的滑坡表部位移信号经过光缆(20)传输至光转换开关(19)的输入端；
滑坡对管道的推力监测装置包括FBG土压力盒(4)，FBG土压力盒(4)通过土压力盒支架固定在管道(5)上，并且将FBG土压力盒(4)感受压力的敏感面朝向滑坡(21)的滑动方向，滑坡(21)对管道(5)的推力监测的FBG土压力盒(4)输出接光转换开关(19)的输入端；
管道本体监测装置包括管道的应变监测和管道位移监测，在滑坡(21)的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一道监测截面，且监测截面的间距小于60m，在管道(5)的每个监测截面的外周分别均匀布置三个FBG贴片式应变计(6)和三个FBG贴片式位移计(7)，且FBG贴片式应变计(6)和FBG贴片式位移计(7)均布置在与管道(5)轴线垂直的平面上；
抗滑桩结构监测装置包括抗滑桩倾斜监测和抗滑桩内部应力应变监测两部分，抗滑桩倾斜监测通过在抗滑桩(9)的表面安装FBG倾角计(12)，将FBG倾角计(12)安装在抗滑桩(9)的水平位移监测点，抗滑桩内部应力应变监测通过将FBG钢筋应力计(11)对接或焊接在抗滑桩(9)内钢筋(10)上且需保证两者在同一轴线上，对称布设；
滑坡环境参量的监测装置包括FBG光纤渗压计(8)、FBG液位计(22)和FBG温度计(23)，安装时将FBG光纤渗压计(8)钻孔埋入不同深度含水层中，将FBG液位计(22)沿钻孔下放，将FBG温度计(23)埋入不同深度；
现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、光缆(20)、光转换开关(19)、无人值守光纤光栅解调仪(13)、上位计算机(14)，由光纤光栅传感器(24)的光纤接线盒和光缆(20)将滑坡(21)上各个位置的FBG传感器接到监测站的光转换开关(19)的输入端，光转换开关(19)的输出端接无人值守光纤光栅解调仪(13)的输入端，无人值守光纤光栅解调仪(13)的输出端连接上位计算机(14)，上位计算机(14)自动计算出各监测量的监测数据并将监测数据由GPRS传输模块(15)传给GPRS接收器(16)，GPRS接收器(16)将上述监测数据传输给位于室内的下位计算机(17)，并交由报警器(18)实现实时预警。
2.根据权利要求1所述的一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，其特征在于，FBG测斜管(1)选用ABS材质，光纤光栅传感器在FBG测斜管(1)上等间距粘贴，并在潜在滑动面(25)附近粘贴间距缩小，光纤光栅传感器布置在FBG测斜管(1)外壁刻的凹槽内。
3.根据权利要求2所述的一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，其特征在于，将串联的36个光纤光栅传感器组成传感器组等间距直接粘贴于FBG测斜管(1)轴向的外侧，在潜在滑动面(25)附近粘贴间距缩小到0.8m。
4.根据权利要求3所述的一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，其特征在于，安装FBG贴片式应变计(6)和FBG贴片式位移计(7)时，完全刮开管道(5)防腐层，并打磨管道(5)至表面光滑，用快干胶粘贴并封装好FBG贴片式应变计(6)和FBG贴片式位移计(7)，待FBG贴片式应变计(6)和FBG贴片式位移计(7)全部粘贴好之后，分别将FBG贴片式应变计(6)和FBG贴片式位移计(7)的引纤引至地面，并进行保护；当管道(5)承受轴向拉/压应力时，FBG贴片式应变计(6)承受拉/压应变，按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求得管道(5)截面上最大应变的大小和位置，基于弹性钢材理论，即可求出管道(5)截面上最大拉/压应力的大小；当管道发生变形或者错动时，FBG贴片式位移计(7)可感测到管道的位移大小和方向。
5.根据权利要求3所述的一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置，其特征在于，光转换开关(19)选用光隆SUM-FSW；无人值守光纤光栅解调仪(13)选用智传NZS-FBG-A02型；上位计算机(14)选用研华IPC-610；GPRS传输模块(15)选用西门子MC35i；GPRS接收器(16)选用西门子MC35i；下位计算机(17)选用研华IPC-610；报警器(18)选用博世DS-7400。
6.根据权利要求1所述的一种用于管道滑坡-抗滑桩结构联合的监测装置的监测方法，其特征在于，
滑坡深部位移监测方法为：光纤光栅传感器串联后黏贴于柔性管体的侧壁即构成FBG测斜管(1)，将FBG测斜管(1)粘有光纤光栅传感器的一侧朝向滑坡潜在滑动的方向，在滑坡体内沿铅直插入穿过所有潜在滑动面(25)并延伸至基岩面以下3-5m的钻孔内，将光纤光栅传感器接头与光缆20连接，并将光信号引到监测站，监测站上的上位计算机(14)调用自编程序，控制无人值守光纤光栅解调仪(13)实现数据自动采集并计算出FBG测斜管(1)承受的最大拉应变，FBG测斜管(1)在埋设底端因固定在基岩内，因此设定基岩内FBG测斜管(1)是固定约束的，当FBG测斜管(1)由于来自滑坡体下滑时带来的推力而弯曲时，FBG测斜管(1)的一侧承受最大拉应变，利用二重积分算法，通过FBG测斜管(1)内的拉应变分布即可求出FBG测斜管(1)的弯曲挠度，此弯曲挠度即为滑坡深部位移量，计算公式为：
式中：
y为测斜管内深度为x处测斜管的挠度；
ε为FBG传感器测得测斜管弯曲应变；
r为测斜管外径；
ε(x)为测斜管内深度为x处测斜管弯曲应变；
c为积分常数；
滑坡表部位移监测方法为：滑坡表部位移监测采用悬臂梁式FBG多点位移计(2)进行监测，埋设时FBG多点位移计(2)在钻孔内不同深度的锚头用灌浆或液压锚固的方法与孔壁锚固为一体，并在悬臂梁的正反两面沿纵向分别粘贴上光纤光栅传感器，当滑坡体产生位移时引起悬臂梁产生弯曲，其位移量就通过与锚头连接在一起的光缆(20)传递到孔口的光纤光栅传感器(24)上，得出与位移成比例的信号，将信号通过光缆(20)引到监测站，监测站上的上位计算机(14)调用自编程序，控制无人值守光纤光栅解调仪(13)实现数据自动采集并换算成位移量，即自由端发生的水平位移为ΔL，弯曲角度为θ，当-5°＜θ＜5°时，认为悬臂梁的纵向形变ε和ΔL成线性比例关系：
ε＝k·ΔL
悬臂梁正两面的光纤光栅传感器的中心波长为别记为λ1和λ2，并且满足：
式中：
λi 0为光纤光栅的初始中心波长；
mi为光纤光栅的应变系数；
ni为光纤光栅的温度系数；
ΔT为环境温度的变化；
滑坡对管道的推力监测方法为：用固定在管道(5)上的FBG土压力盒(4)测试土压力，FBG土压力盒(4)由土压力盒支架固定在管道(5)上，其中感受土压力的敏感面朝向滑坡的滑动方向，这样FBG土压力盒(4)测量的压力就是滑坡对管道(5)的推力；
管道本体监测方法为：在滑坡(21)的两侧边缘及滑坡的中心位置的管道(5)上，均匀布置管道监测截面，且监测界面的间距小于60m，在管道(5)的每个监测截面上均匀布置三个FBG贴片式应变计(6)对管道轴向应变进行监测，基于钢材弹性理论，根据应变求出应力；
抗滑桩结构监测方法为：通过固定在抗滑桩(9)上的FBG倾角计(12)跟随抗滑桩结构发生偏转角度，利用FBG倾角计(12)直接计算出倾斜角度盒水平位移值变化值大小；通过将FBG钢筋应力计(11)对接或焊接在抗滑桩(9)内的钢筋(10)上，且需保证两者在同一轴线上，对称布设，测量桩身内力和变形；
滑坡环境参量的监测方法为：将FBG光纤渗压计(8)通过钻孔埋入到不同深度含水层中，测试滑坡(21)土层的孔隙水压力；将FBG液位计(22)沿钻孔下放，用来监测河流、冲沟的水位高度；将FBG温度计(23)埋入不同深部，测量地温场的变化。
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