CN113776450B - 一种基于光纤技术的地面变形监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地面变形监测技术领域，具体涉及一种基于光纤技术的地面变形监测系统及其监测方法，包括定点应变感测光缆、光纤光栅型温度计、引线光缆以及监测站，所述定点应变感测光缆铺设在地面监测区域的沟槽中，所述定点应变感测光缆通过引线光缆连接于设置在地面上的所述监测站，若干所述光纤光栅型温度计间隔的安装在所述定点应变感测光缆上。采用光纤技术监测地面变形，可以通过长期测试光缆的应变数据判断地面变形的趋势，根据相关规范及工程经验确定岩溶地面塌陷临界值，从而能够提前预测岩溶地面塌陷。
Description
技术领域
本发明涉及地面变形监测技术领域，具体涉及一种基于光纤技术的地面变形监测系统及其监测方法。
背景技术
岩溶地面塌陷的发生具有隐蔽性和突发性的特征，要对其发生发展过程进行监测必须选择合适的监测对象和监测手段，通过动态变化来直接或间接地反应地面塌陷的发育过程。采用先进的光纤监测技术对岩溶地面塌陷区进行监测，经过长期的持续监测，对监测数据进行统计和分析，总结出岩溶地面塌陷的发生对各监测项目的影响，然后根据监测数据对岩溶地面塌陷进行预警。
目前，关于地面变形监测的方法日趋成熟，常见的地面变形监测方法有：位移计读数监测、GPS监测、InSAR技术监测、摄影测量技术监测、激光三维扫描技术监测等。现今可以参考的授权专利较多，例如已授权的公告号为CN208043014U的中国专利公开了岩溶塌陷监测系统，采取分布式光纤应变传感器、地面塌陷监测装置和控制装置联合形成监测系统的方法。
目前，地面变形的一个主要因素是岩溶洞穴体积变化改变应力分布，当地面变形过大有可能会导致地面塌陷，而现有技术中的技术方案无法提前预测，对国民经济安全产生不良影响。
因此，发明一种长期持续的地面变形监测，提前预知地面变形程度的方案尤为必要。
发明内容
本申请中为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤技术的地面变形监测系统及其监测方法。
本发明提供了如下的技术方案：一种地面变形监测系统，包括定点应变感测光缆、光纤光栅型温度计、引线光缆以及监测站，所述定点应变感测光缆铺设在地面监测区域的沟槽中，所述定点应变感测光缆通过引线光缆连接于设置在地面上的所述监测站，若干所述光纤光栅型温度计间隔的安装在所述定点应变感测光缆上。
优选的，所述定点应变感测光缆通过若干T型锚固件安装在所述沟槽中。
优选的，所述监测站包括光纤解调设备BOTDR。
地面变形监测系统的监测方法，包括如下步骤：
S1.在地面地裂缝发育位置开挖沟槽，然后清理沟槽、铺砂垫层、铺设光缆，通过光纤解调设备BOTDR检查光缆回路；
S2.检查完毕后，固定光缆后铺砂垫层保护光缆；
S3.回填沟槽，砌筑长期监测站进行长期监测。
优选的，在S1中，在地裂缝发育的位置通过挖机形成沟槽，在沟槽底部铺设砂垫层，将光纤传感器布设到沟槽中，然后每隔一定距离用光纤光栅型温度计作为一个温度补偿点，
优选的，在光纤传感器布设前，提前串联1m间距地面沉降专用的定点式应变感测光缆，并和引线光缆并形成回路。
优选的，所述光纤光栅温度计在工程完成后，能够有效监测温度的变化，通过采集的温度波长可以转化为其它物理量，从而去除温度对应变波长的影响。
优选的，所述光纤光栅温度计能够有效监测温度的变化，通过公式ε实际＝ε应变-845k温×(P测-P初)可以将采集的应变数据和温度波长计算成地面沉降对应变光缆的实际应变影响，从而去除温度对应变值的影响。
本发明涉及一种基于光纤技术的地面变形监测系统及其监测方法，其有益效果在于：1.采用光纤技术监测地面变形，可以通过长期测试光缆的应变数据判断地面变形的趋势，根据相关规范及工程经验确定岩溶地面塌陷临界值，从而能够提前预测岩溶地面塌陷；2.采用感测光缆自身纤细微小，易于植入到地质监测体内，在不破坏地质监测体的前提下可以通过BOTDR解调设备采集光缆应变数据来感知全地层的变形情况，实现全地层变形的精细化测量；3.采用光纤解调设备BOTDR能够在施工现场快速测试，BOTDR解调设备单端测试，跳线通过法兰接入解调设备，光损较小，同时监测过程仅跳线和部分冗余光缆暴露在外部环境中，测试段光缆一直埋于地下，监测数据受外部环境影响小；4.采用光纤光栅型温度计长期监测温度，光纤光栅温度计内置波长光栅点，波长光栅点能够根据温度的变化而变化，根据波长变化值可以计算出温度的变化，同时通过温度系数将温度波长转化为温度对应变的影响，从而能够有效去除温度对监测结果的影响；5.采用专用定点应变感测光缆、BOTDR设备联合形成监测系统，在监测站砌筑完成后仅需将测试光缆接入BOTDR设备即可完成数据采集，可以进行长期持续监测，数据采集过程方便，采集数据过程无需破坏测试区地层，数据分析结果可靠。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中地面变形监测系统的剖视结构示意图；
图2是监测系统的监测方法的流程示意图；
图中标记为：1、定点应变感测光缆；2、光纤光栅型温度计；3、引线光缆；4、监测站；5、沟槽；6、T型锚固件；7、砂垫层；8、表层土。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
如图1至2所示，一种地面变形监测系统，包括定点应变感测光缆1、光纤光栅型温度计2、引线光缆3以及监测站4，所述定点应变感测光缆1铺设在地面监测区域的沟槽5中，所述定点应变感测光缆1通过引线光缆3连接于设置在地面上的所述监测站4，若干所述光纤光栅型温度计2间隔的安装在所述定点应变感测光缆1上，其实施步骤如下：
提前串联1m间距的定点应变感测光缆1和引线光缆3并形成回路，检查是否可以采集数据，然后每隔一定距离用光纤光栅型温度计2作为一个温度补偿点，后期用以去除温度影响；在地裂缝发育的位置通过挖机形成沟槽5，然后在沟槽5底部铺设砂垫层；
在沟槽5内铺设上述串联的定点应变感测光缆1，利用T型锚固件6将定点应变感测光缆1的定点单元固定，随后检查每段地面定点应变感测光缆1松紧状况；
将引线光缆3连接到光纤解调设备BOTDR上，进行初始监测，确定地面定点式应变感测光缆1是否符合要求，然后采用10cm厚的砂垫层7铺设在光缆上作为保护层，最后回填沟槽，同时砌筑监测站进行长期监测。
定点应变感测光缆1具有良好的机械性能和抗拉压性能，能与岩土体等结构很好耦合，施工便捷，同时能抵御各种恶劣工况环境。
所述T型锚固件6为不锈钢材质，可以通过涂抹环氧树脂胶体，可以与光缆形成整体，从而保证光缆与拉过程中固定单元不发生移动，同时在潮湿环境下能够长期保持固定光缆的效果。
光纤解调设备BOTDR具有方便快捷、监测数据可靠等优点，能够根据需要随时进入现场进行数据采集。
监测站4能够将解调设备、光缆放置在其中，从而实现了长期监测的功能，同时能够在线路出现故障时快速检修。
开挖沟槽5长度可以根据地裂缝长度和规模确定，工程量大小可控，同时砂垫层所需材料较少，工程施工非常容易，监测过程可以长期、持续进行。
数据测试：随着时间的变化，监测站通过定点应变感测光缆可以读取地面沟槽数据，读取的数据如下表所示：
表1监测站通过定点应变感测光缆可以读取地面数据
根据上述数据通过上述公式计算出ε实际的值，从而可以作出不同的时间条件下地面沟通不同位置的ε实际数据。
从上述的实验数据可以看出，中间部位的ε实际的数值要大于两侧的数值，表明沟槽的中间部位比两侧更容易塌陷，随着时间的增长，中间部位的ε实际的数值逐渐增大，当数值大于某一规定值时，表明沟槽中间部位有裂纹达到一定程度，极容易塌陷的可能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种监测系统的监测方法，基于一种地面变形监测系统，其特征在于，该地面变形监测系统包括定点应变感测光缆、光纤光栅型温度计、引线光缆以及监测站，所述定点应变感测光缆铺设在地面监测区域的沟槽中，所述定点应变感测光缆通过引线光缆连接于设置在地面上的所述监测站，若干所述光纤光栅型温度计间隔的安装在所述定点应变感测光缆上；所述定点应变感测光缆通过若干T型锚固件安装在所述沟槽中；所述监测站包括光纤解调设备BOTDR；
该监测系统的监测方法，包括如下步骤：
S1.在地面地裂缝发育位置开挖沟槽，然后清理沟槽、铺砂垫层、铺设光缆，通过光纤解调设备BOTDR检查光缆回路；
S2.检查完毕后，固定光缆后铺砂垫层保护光缆；
S3.回填沟槽，砌筑长期监测站进行长期监测；
在S1中，在地裂缝发育的位置通过挖机形成沟槽，在沟槽底部铺设砂垫层，将光纤传感器布设到沟槽中，然后每隔一定距离用光纤光栅型温度计作为一个温度补偿点；
所述光纤光栅温度计在工程完成后，能够有效监测温度的变化，通过采集的温度波长转化为其它物理量，从而去除温度对应变波长的影响；
所述光纤光栅温度计能够有效监测温度的变化，通过公式将采集的应变数据和温度波长计算成地面沉降对应变光缆的实际应变影响，从而去除温度对应变值的影响。
2.根据权利要求1所述的监测系统的监测方法，其特征在于，在光纤传感器布设前，提前串联1m间距地面沉降专用的定点式应变感测光缆，并和引线光缆并形成回路。
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