CN115077407B - 一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置及方法，该装置包括边坡模拟单元和光纤光栅检测单元；边坡模拟单元包括第一固定部、滑动部、伸缩件和第二固定部；伸缩件的伸缩端与滑动部相抵接、固定端与第二固定部连接；滑动部设置在第一固定部上；光纤光栅检测单元包括第一、第二光纤光栅、光纤光栅解调仪和光频谱仪；光纤光栅解调仪与第一光纤光栅和光频谱仪连接；第二光纤光栅与第一光纤光栅和光纤光栅解调仪连接；第一、第二光纤光栅在滑动部和第一固定部的相交处分别设有第一、第二监测点。本发明的装置将光纤光栅直接布置于边坡进行监测，结构简单、经济实用，有较好的应用前景。

Description

一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置及方法

技术领域

本发明涉及边坡工程监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置及方法。

背景技术

建筑边坡常出现在公路工程、隧道工程和基坑工程中，是工程项目中最重要的施工项目之一。滑坡则是建筑边坡施工过程中最为严重的地质灾害之一，在工程项目施工过程中，如果未能将边坡滑移体的监测信息及时反馈至现场施工人员，工程项目可能因此发生停工，从而导致工期的延长和工程造价的上涨，严重的滑坡灾害甚至会导致现场的施工人员的生命和财产安全。因此，对建筑边坡的滑移体进行滑移变形监测就显得尤为至关重要。

目前在建筑边坡的安全监测工程中，主要采用的监测设备有测斜管、多点位移计和渗压计等传统监测仪器，其测量方法存在可靠性差、人力消耗大，监测结果易受外界因素干扰，监测效率较低，测点布置繁琐，而且测点的存活率低，仪器精度不高等问题。光纤也被常常应用于边坡变形监测领域，但光纤光栅技术多应用于与锚杆锚索相结合的边坡监测，直接应用于边坡表面位移监测的相关研究较少。

因此，亟需提出一种边坡破坏模拟检测装置，能够模拟对边坡表面位移的监测，根据边坡相关参数的检测结果，判断破坏的不同位移方式，解决现有技术中试验装置结构复杂、制造成本高、可靠性差的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置及方法，用以解决现有技术中存在的边坡监测装置结构复杂、可靠性差的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，包括边坡模拟单元和光纤光栅检测单元；

所述边坡模拟单元包括第一固定部、滑动部、伸缩件和第二固定部；所述伸缩件的伸缩端与所述滑动部相抵接；所述伸缩件的固定端与所述第二固定部固定连接；所述滑动部设置在所述第一固定部上，且所述滑动部能够在所述第一固定部上滑动；

所述光纤光栅检测单元包括光纤光栅、光纤光栅解调仪和光频谱仪；所述光纤光栅固定在所述边坡模拟单元的表面；所述光纤光栅包括第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述光纤光栅解调仪的一端与所述第一光纤光栅连接、另一端与所述光频谱仪连接；所述第二光纤光栅的一端与所述第一光纤光栅固定在同一端点、另一端与所述光纤光栅解调仪连接；所述第一光纤光栅在所述滑动部和第一固定部的相交处设置有第一监测点，所述第二光纤光栅在所述滑动部和第一固定部的相交处设置有第二监测点。

进一步地，所述第一固定部为导槽，所述滑动部为滑体；

所述导槽包括凹槽和固定座；所述固定座与所述凹槽朝向所述第二固定部的一侧连接；所述滑体与所述固定座相抵接，所述固定座的高度小于所述滑体的高度；所述滑体设置于所述凹槽上，且与所述凹槽的形状相匹配；所述滑体能够在所述凹槽上滑动。

进一步地，所述滑体沿所述凹槽滑动方向的接触面设置有刻度。

进一步地，所述第一监测点和第二监测点的布置方式包括内外位错布置；

所述内外位错布置为将所述第一和第二监测点间隔布置在所述滑体与所述凹槽正表面的相交处。

进一步地，所述第一监测点和第二监测点的布置方式还包括水平位错布置；

所述水平位错布置为将所述第一和第二监测点间隔布置在所述滑体与所述凹槽侧表面的相交处。

进一步地，所述第一监测点和第二监测点的布置方式还包括拉伸布置；

所述拉伸布置为将所述第一和第二监测点间隔布置在所述滑体与所述固定座侧表面的相交处。

进一步地，所述第一光纤光栅通过第一端点固定在所述滑体上、通过第二端点固定在所述导槽上；所述第一端点和第二端点之间的第一光纤光栅与所述滑体与导槽的相交缝垂直。

进一步地，所述第二光纤光栅通过所述第一端点固定在所述滑体上、通过第三端点固定在所述导槽上；所述第三端点和所述第二端点的连线与所述滑体和导槽的相交缝平行；所述第一端点和第三端点的连线与所述第一端点和第二端点的连线呈预设的角度。

进一步地，所述光纤光栅检测单元还包括光纤光栅温度补偿传感器；

所述光纤光栅温度补偿传感器与所述第一光纤光栅的一端连接，用于消除温度对光纤光栅的影响。

本发明还提供一种应用上述任一所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置的方法，包括：

通过光频谱仪读取第一监测点和第二监测点的初始波长值；

通过伸缩件施加应力，使所述滑动部相对所述第一固定部产生位移；

通过光频谱仪读取发生位移后所述第一监测点和第二监测点的波长值；

根据所述第一监测点和第二监测点的波长变化值，确定所述滑动部和第一固定部的位移状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的装置通过边坡模拟单元对实际的滑坡体位移情形进行模拟，能够有效模拟出实际中常见的几种位移状态，具有结构简单、便于操作的优势；将光纤光栅检测单元直接布置于边坡进行监测，简化了现有技术中需要将光纤光栅与锚杆锚索相结合的边坡监测方法，将光纤光栅直接用于边坡变形的监测，操作简单，效果明显，经济实用，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置一实施例的结构示意图；

图2(a)为本发明提供的滑体一实施例的正视图；

图2(b)为本发明提供的滑体一实施例的侧视图；

图3(a)为本发明提供的导槽一实施例的正视图；

图3(b)为本发明提供的导槽一实施例的侧视图；

图4为本发明提供的另一基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置实施例的结构示意图；

图5(a)为本发明提供的光纤光栅的内外位错布置一实施例的示意图；

图5(b)为本发明提供的光纤光栅的水平位错布置一实施例的示意图；

图5(c)为本发明提供的光纤光栅的拉伸布置一实施例的示意图。

图中，1-滑动部，2-第一固定部，3-伸缩件，4-第二固定部，5-第一光纤光栅，6-第二光纤光栅，7-第一监测点，8-第二监测点，9-光纤光栅解调仪，10-光频谱仪，11-光纤光栅温度补偿传感器，12-法兰，13-第一端点，14-第二端点，15-第三端点。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，包括边坡模拟单元和光纤光栅检测单元；

如图1所示，所述边坡模拟单元包括第一固定部2、滑动部1、伸缩件3和第二固定部4；所述伸缩件3的伸缩端与所述滑动部1相抵接；所述伸缩件3的固定端与所述第二固定部4连接；所述滑动部1放置在所述第一固定部2上，且所述滑动部1能够在所述第一固定部2上滑动；

所述光纤光栅检测单元包括光纤光栅、光纤光栅解调仪和光频谱仪；所述光纤光栅固定在所述边坡模拟单元的表面；所述光纤光栅包括第一光纤光栅5和第二光纤光栅6；所述光纤光栅解调仪9的一端与所述第一光纤光栅5连接、另一端与所述光频谱仪10连接；所述第二光纤光栅6的一端与所述第一光纤光栅5固定在同一端点、另一端与所述光纤光栅解调仪9连接；所述第一光纤光栅5在所述滑动部1和第一固定部2的相交处设置有第一监测点7，所述第二光纤光栅6在所述滑动部1和第一固定部2的相交处设置有第二监测点8。

其中，所述滑动部1用于对滑坡体进行模拟，所述第一固定部2用于对基床进行模拟；所述伸缩件3用于对所述滑动部1施加推力，所述第二固定部4用于为所述伸缩件3提供固定支撑；所述光纤光栅解调仪9用于发射脉冲光源，还用于对经过所述光纤光栅反射后的待测光信号进行解析，得到波长信号；所述光纤光栅用于将所述脉冲光源反射回所述光纤光栅解调仪9、将所述边坡模拟单元的位移变化转换成待测光信号；所述光频谱仪10用于对所述波长信号进行显示。

本实施例提供的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，通过边坡模拟单元对实际的滑坡体位移情形进行模拟，能够有效模拟出实际中常见的几种位移状态，具有结构简单、便于操作的优势；将光纤光栅检测单元直接布置于边坡进行监测，简化了现有技术中需要将光纤光栅与锚杆锚索相结合的边坡监测方法，将光纤光栅直接用于边坡变形的监测，操作简单，效果明显，经济实用，具有较好的应用前景。

作为一个具体的实施例，所述伸缩件3为千斤顶，所述第二固定部4为反力架。

作为优选的实施例，所述第一固定部2为导槽，所述滑动部1为滑体；所述导槽包括凹槽和固定座；所述固定座与所述凹槽朝向所述第二固定部的一侧连接；所述滑体与所述固定座相抵接，所述固定座的高度小于所述滑体的高度；所述滑体设置于所述凹槽上，且与所述凹槽的形状相匹配；所述滑体能够在所述凹槽上滑动。

为了更好的对实际中的基床和滑坡体进行模拟，结合图2(a)-图3(b)对滑体和导槽结构进行说明。

作为一个具体的实施例，所述滑体为长方体耦合等腰梯形体，所述滑体长方体部分与等腰梯形体部分的宽度相同；所述等腰梯形体的上底面与滑体长方体的底面耦合；

所述导槽通过凹槽和固定座耦合而成；所述凹槽为在一长度和宽度与所述滑体长方体相同、高度小于所述滑体长方体的长方体中挖去与所述滑体的等腰梯形体大小一致的部分后所剩下的部分；所述固定座的长度与所述滑体长方体的一致，宽度小于所述滑体长方体，高度介于所述固定座的高度和所述滑体长方体的高度之间；所述凹槽与所述固定座的底面位于同一平面，所述凹槽的背面与所述固定座的正面耦合；

所述导槽为固定设置，所述滑体和所述导槽通过将所述等腰梯形体放置在所述凹槽上的方式滑动连接。

图2(a)为本实施例滑体的正视图，图2(b)为本实施例滑体的侧视图。如图2(a)所示，所述滑体长方体的长度为A，高度为C；所述滑体中的等腰梯形体上底长度为a，下底长度为b，高度为c；如图2(b)所示，所述滑体长方体和滑体等腰梯形体的宽度均为B。

图3(a)是本实施例导槽的正视图，图3(b)是本实施例导槽的侧视图。如图3(a)所示，所述导槽的凹槽为：在长度为A、高度为e的长方体上挖除所述滑体中的等腰梯形体的部分后剩余的部分；所述固定座的长度为A、高度为e+E；如图3(b)所示，所述导槽的凹槽的长度为B，导槽的长方体的宽度为D。

作为一个具体的数值实施例，所述滑体为钢制的长方体耦合等腰梯形体，所述滑体中长方体部分尺寸为长*宽*高＝80cm×80cm×52cm，所述滑体中等腰梯形体部分尺寸为上底*下底*高度*宽度＝60cm×68cm×7.5cm×80cm。所述导槽中挖去等腰梯形体的长方体尺寸为长*宽*高＝80cm×80cm×28cm，所述固定座尺寸为长*宽*高＝80cm×20cm×60cm。

作为一个具体的实施例，所述滑体和所述导槽采用同样的钢材制成，来增强试验装置的耐久性。

作为优选的实施例，所述滑体的等腰梯形体与所述凹槽沿所述千斤顶推力方向的交界处设置有刻度。通过设置刻度，对后续的测量位移进行验证，确定模拟结果是否准确。

作为优选的实施例，所述光纤光栅检测单元还包括光纤光栅温度补偿传感器；

所述光纤光栅温度补偿传感器与所述第一光纤光栅的一端连接，用于消除温度对光纤光栅的影响。

通过设置温度补偿传感器，可有效消除温度对光纤光栅的影响，保证实际工程中采用类似的光纤光栅布置的边坡监测的耐久性。

作为一个具体的实施例，如图4所示，所述第一光纤光栅5与所述光纤光栅温度补偿传感器11通过法兰12连接。

为了分别模拟边坡发生变形时，滑坡体与基床的位错状态，预设了三种光纤光栅监测点的布置方式。

作为优选的实施例，如图5(a)所示，所述第一监测点7和第二监测点8预设的布置方式包括内外位错布置；

所述内外位错布置为将所述第一监测点7和第二监测点8间隔布置在所述滑动部1与所述第一固定部2凹槽正表面的相交处。

作为优选的实施例，如图5(b)所示，所述第一监测点7和第二监测点8预设的布置方式还包括水平位错布置；

所述水平位错布置为将所述第一监测点7和第二监测点8间隔布置在所述滑动部1与所述第一固定部2凹槽侧表面的相交处。

作为优选的实施例，如图5(c)所示，所述第一监测点7和第二监测点8预设的布置方式还包括拉伸布置；

所述拉伸布置为将所述第一监测点7和第二监测点8间隔布置在所述滑动部1与所述第一固定部2固定座侧表面的相交处。

作为一个具体的实施例，所述光纤光栅在布置过程中禁止出现角度较小的弯折，防止对所述光纤光栅的损坏，造成试验误差。

在三种不同的布设方式中，第一、第二光纤光栅和第一、第二监测点的布设原则是一样的，下面结合图5(a)进行说明。

作为优选的实施例，如图5(a)所示，所述第一光纤光栅5通过第一端点13固定在所述滑动部1上、通过第二端点14固定在所述第一固定部2上；所述第一端点13和第二端点14之间的第一光纤光栅5与所述滑动部1与第一固定部2的相交缝垂直。

作为优选的实施例，如图5(a)所示，所述第二光纤光栅6通过所述第一端点13固定在所述滑动部1上、通过第三端点15固定在所述第一固定部2上；所述第三端点15和所述第二端点14的连线与所述滑动部1和第一固定部2的相交缝平行；所述第一端点13和第三端点15的连线与所述第一端点13和第二端点14的连线呈预设的角度(预设的角度为30度)。可以推得，令所述第一端点13和第三端点15连线的距离为2L，则所述第一端点13和第二端点14的连线距离为

同理，在图5(b)和图5(c)中，第一光纤光栅5垂直于所述滑动部1和所述第一固定部2的相交缝；第二光纤光栅6的一端和所述光纤光栅5的第一端点13固定在一起、另一端与的固定点第三端点15与第一光纤光栅5的第二端点14固定点在同一水平线上。

本实施例还提供一种应用上述技术方案中任一所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置的方法，包括：

通过光频谱仪读取第一监测点和第二监测点的初始波长值；

通过伸缩件施加应力，使所述滑动部相对所述第一固定部产生位移；

通过光频谱仪读取发生位移后所述第一监测点和第二监测点的波长值；

根据所述第一监测点和第二监测点的波长变化值，确定所述滑动部和第一固定部的位移状态。

作为一个具体的实施例，应用所述基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置(其中：第一端点13和第三端点15的连线与所述第一端点13和第二端点14的连线的预设角度为30度)的试验方法，包括以下步骤：

第一步：试验前准备。

试验前需要准备相应记录表格以及备用光纤光栅，记录表格上应具有以下项目：光纤光栅监测点布置方位、千斤顶的位移量、滑体发生位移前两测点的波长值、滑体发生位移后两测点的波长值、滑体发生位移前后两测点的波长变化量和根据波长变化量换算得到的光纤光栅测点的应变值。

第二步：安装试验装置。

首先将滑动部1和第一固定部2进行组装，接着将伸缩件3和第二固定部4抵住滑动部1。然后将第一光纤光栅5和第二光纤光栅6根据预设的布置方式使用胶水进行固定，接着使用法兰12将第一光纤光栅5的一端和光纤光栅温度补偿传感器11进行连接，第一光纤光栅5的另一端则与光纤光栅解调仪9相连接，其次将第二光纤光栅6的一端与光纤光栅解调仪9相连接，最后将光纤光栅解调仪9与光频谱仪10连接。完成安装。

第三步：施加位移。

施加位移前需要在记录表格记录光纤光栅监测点的位置及其对应的位移状态。试验通过伸缩件3施加应力使滑动部1产生位移。每次发生位移后，需及时根据第一固定部2与滑动部1之间的刻度变化记录伸缩件3的位移量、滑动部1发生位移前两测点的波长值、滑动部1发生位移后两测点的波长值。

当出现光纤光栅的损坏的情况时，说明光纤光栅已经达到最大的应变承载值，需要更换备用光纤光栅和更换光纤光栅监测点布置方位。

第四步：重复上述的光纤光栅的安装、施加位移和数据记录。

将上述三种光纤光栅监测点布置方位的试验结果归为一组试验结果，本试验需要进行3～4组试验结果，以减少试验误差。

第五步：数据整理。

将上述数据进行整理，若存在一组数据与其他组数据差值均大于5％时，应舍弃该组数据。若几组数据之间差值均大于5％时，该几组数据均应舍弃，重新上述试验。

第六步：结果验证。

用Δm表示第一监测点7的波长变化值对应的应变量；用Δn表示第二监测点8的波长变化值对应的应变量；用x表示千斤顶位移量(即：滑体的位移量)；用y表示滑动部1和第一固定部2的相交缝处与第二端点14的距离；用L表示第二端点14和第三端点15的距离(则第一端点13和第二端点14的距离为第一端点13和第三端点15的距离为2L。

对实验装置的结构进行几何分析，可以推出：

当第一监测点7和第二监测点8为拉伸布置方式时，Δm＝x，

当第一监测点7和第二监测点8为水平位错布置时，

当第一监测点7和第二监测点8为内外位错布置时，

验证上述的试验数据是否符合以上的规律。

作为一个具体的实施例，在实际的监测项目中，将L和监测到的Δm，代入中，与Δn比较，若该值与Δn相同，则可以判断为发生拉伸状态(满足拉伸布置的关系式)；若两者不同，将L和监测到的Δm代入水平错位布置的几何关系式/>中，得到滑体位移量x的值；再将x和L代入/>中，与Δn比较，若该值与Δn相同，则可以判断为发生水平位错；若两者不同，再将L和Δm的代入内外位错状态公式/>中，得到x的值；再将x和y代入/>中，与Δn比较，若该值与Δn相同，则可以判断为发生内外位错。

根据对应的位移方式，可以求解出滑体的位移量x。

作为一个具体的实施例，本发明还可应用于实际工程项目中，可以对采取类似光纤光栅布置形式下的光纤光栅进行标定，针对相关的标定工作，本装置可以通过模拟相关的位移状态，通过对比两个光纤光栅测点实际应变值与公式理论是否相符来标定该种光纤光栅。

本发明的装置通过边坡模拟单元对实际的滑坡体位移情形进行模拟，能够有效模拟出实际中常见的几种位移状态(即拉伸状态，水平位错状态和内外位错状态)，具有结构简单、便于操作的优势；将光纤光栅检测单元直接布置于边坡进行监测，简化了现有技术中需要将光纤光栅与锚杆锚索相结合的边坡监测方法，将光纤光栅直接用于边坡变形的监测，操作简单，效果明显，经济实用，具有较好的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，其特征在于，包括边坡模拟单元和光纤光栅检测单元；

所述边坡模拟单元包括第一固定部、滑动部、伸缩件和第二固定部；所述伸缩件的伸缩端与所述滑动部相抵接；所述伸缩件的固定端与所述第二固定部固定连接；所述滑动部设置在所述第一固定部上，且所述滑动部能够在所述第一固定部上滑动；

所述光纤光栅检测单元包括光纤光栅、光纤光栅解调仪和光频谱仪；所述光纤光栅固定在所述边坡模拟单元的表面；所述光纤光栅包括第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述光纤光栅解调仪的一端与所述第一光纤光栅连接、另一端与所述光频谱仪连接；所述第二光纤光栅的一端与所述第一光纤光栅固定在同一端点、另一端与所述光纤光栅解调仪连接；所述第一光纤光栅在所述滑动部和第一固定部的相交处设置有第一监测点，所述第二光纤光栅在所述滑动部和第一固定部的相交处设置有第二监测点；

所述第一固定部为导槽，所述滑动部为滑体；

所述导槽包括凹槽和固定座；所述固定座与所述凹槽朝向所述第二固定部的一侧连接；所述滑体与所述固定座相抵接，所述固定座的高度小于所述滑体的高度；所述滑体设置于所述凹槽上，且与所述凹槽的形状相匹配；所述滑体能够在所述凹槽上滑动；

所述第一光纤光栅通过第一端点固定在所述滑体上、通过第二端点固定在所述导槽上；所述第一端点和第二端点之间的第一光纤光栅与所述滑体与导槽的相交缝垂直；

所述第二光纤光栅通过所述第一端点固定在所述滑体上、通过第三端点固定在所述导槽上；所述第三端点和所述第二端点的连线与所述滑体和导槽的相交缝平行；所述第一端点和第三端点的连线与所述第一端点和第二端点的连线呈预设的角度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，其特征在于，所述滑体沿所述凹槽滑动方向的接触面设置有刻度。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，其特征在于，所述第一监测点和第二监测点的布置方式包括内外位错布置；

所述内外位错布置为将所述第一和第二监测点间隔布置在所述滑体与所述凹槽正表面的相交处。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，其特征在于，所述第一监测点和第二监测点的布置方式还包括水平位错布置；

所述水平位错布置为将所述第一和第二监测点间隔布置在所述滑体与所述凹槽侧表面的相交处。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，其特征在于，所述第一监测点和第二监测点的布置方式还包括拉伸布置；

所述拉伸布置为将所述第一和第二监测点间隔布置在所述滑体与所述固定座侧表面的相交处。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置，其特征在于，所述光纤光栅检测单元还包括光纤光栅温度补偿传感器；

所述光纤光栅温度补偿传感器与所述第一光纤光栅的一端连接，用于消除温度对光纤光栅的影响。

7.一种应用权利要求1-6中任一所述的基于光纤光栅的边坡破坏模拟检测装置的方法，其特征在于，包括：

通过光频谱仪读取第一监测点和第二监测点的初始波长值；

通过伸缩件施加应力，使所述滑动部相对所述第一固定部产生位移；

通过光频谱仪读取发生位移后所述第一监测点和第二监测点的波长值；

根据所述第一监测点和第二监测点的波长变化值，确定所述滑动部和第一固定部的位移状态。