CN116434482B - 一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，包括模型箱、隧道口边坡模型、分布式光纤监测子系统、数据采集子系统、数据分析子系统。其中，数据采集子系统、数据分析子系统设置在模型箱的侧面，分布式光纤监测子系统由边坡表面的光纤以及采用螺旋缠绕的三分量分布式光纤共同组成，通过改变光纤的布设形式，使其具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本等优势，采用螺旋缠绕的三分量分布式光纤，可以实现三维测量，弥补了单根光纤在三维测量方面存在的不足，本发明针对DAS分布式光纤在边坡的布设方式以及缠绕式三分量分布式光纤的应用，为隧道口边坡灾害的监测和预警提供一种新的监测手段和试验平台。
Description
技术领域
本发明属于边坡工程领域，特别是涉及一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统。
背景技术
在铁路和公路的线路规划中，桥隧的占比越来越大，在隧道结构中，隧道口边坡和跨断层地段，是隧道最容易出现破坏的地段。在川藏地区进行隧道建设时，隧道口边坡受到降雨、冻融、地震、高低温、高应力等复杂的环境作用，是整体工程中最容易出现破坏的区域之一，基于边坡结构造价昂贵以及其对于整个隧道工程的重要性，及时、准确、全面的监测预警系统就显得尤为必要。
分布式光纤传感技术是(DAS)一种利用通信光缆作为敏感单元，可实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术，相较于传统的应变片、传感器等点式监测方式，分布式光纤传感技术具有全天候、大容量、高灵敏、低成本、长距离、抗电磁干扰能力强、电镀绝缘性好、可实现连续监测等优势，目前，已经应用于周界安防、铁路运输、油气资源勘探、结构健康监测等多个领域，尤其在油井和管道泄露领域，已经开展深入研究，展现出良好的应用前景。
由于光纤对轴向的应变比较敏感，对于径向的应变灵敏度不足，所以单根光纤的三维测量是一大难题，有关学者开展螺旋缠绕光纤开展分布式光纤声波传感三分量振动信号采集研究，通过建立单根光纤螺旋缠绕的数学模型，确定螺旋光纤轴向应变的表达式和螺旋光纤上任意点的三维空间位置关系式，明确螺旋光纤轴向应变与光纤所在位置处3个方向真实应变之间的数学映射关系，可以较好地解决光纤地三维测量问题。基于以上研究，可以将三分量分布式光纤传感技术，通过对布设方式进行设置，实现对隧道口边坡进行实时监测，建立完善、准确可靠的隧道口边坡监测预警系统。目前，针对三分量分布式光纤传感技术在隧道口边坡灾害的监测和预警方面的应用研究还缺乏相关探究和试验平台。
现有技术中，在试验模型中监测手段主要采用的是应变片和传感器测量应变、位移、含水率等数据，但是应变片和传感器为点式布置，只能采取重点部位重点布设方式，无法实现沿线数据的全天候、全域测量，数据的数量和质量均存在一定的问题，较难得出数据的变化特征，从而导致无法精准识别边坡的破坏模式和规律，影响对边坡薄弱段进行精准预测，进而影响对边坡灾害的预警和设防。
同时由于传感器造价昂贵，在实际边坡工程中，无法实现大批量密集布设，导致对于破坏位置的判别精度不够，应变片虽然成本低廉，但是测量数据精度不够，灵敏度、抗电磁干扰能力较差。亟需一种新型的高灵敏度、全天候、大容量、低成本的监测手段。普通的单根光纤由于自身对轴向的应变比较敏感，对于径向的应变灵敏度不足，所以光纤的三维测量是一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，包括模型箱、边坡模型、分布式光纤监测子系统、数据采集子系统、数据分析子系统；
所述边坡模型设置于所述模型箱内部；
所述分布式光纤监测子系统用于获取所述边坡模型的边坡数据；
所述数据采集子系统用于对所述边坡数据进行相位解调，获取测量波形；
所述数据分析子系统用于对所述测量波形进行分析整理，根据分析整理结果进行灾害监测预警。
可选地，所述模型箱为矩形箱体，箱体由底板、顶板和四面板构成，底板和顶板为钢板，四面板为钢化玻璃，板件间采用螺栓连接，并对接缝处进行密封；
所述边坡模型选取适合工况的材料按缩尺比例设计。
可选地，所述分布式光纤监测子系统包括普通光纤和三分量分布式光纤；
所述普通光纤沿坡面从坡顶到坡脚呈“己”字形布设，并且包括三根水平等间距布设的光纤；
所述普通光纤用于测量边坡表面的应变、应力、水分数据；
所述三分量分布式光纤在隧道沿线两侧拱脚及拱顶处水平布设，边坡表面选择特定点位进行竖向布设，布设深度根据现场情况进行确定；
所述三分量分布式光纤用于测量X、Y、Z方向的振动信号。
可选地，在所述三分量分布式光纤中，在竖向布置段选取坡面三段水平光纤和两段倾斜布设的光纤中点共计五个点，作为所述三分量分布式光纤布设的坡面对应点。
可选地，所述三分量分布式光纤采用螺旋缠绕设计，螺旋缠绕的角度根据X、Y、Z方向的振动占比进行调整。
可选地，所述三分量分布式光纤的螺旋缠绕中还包括三根竖向设置的光纤。
可选地，所述数据采集子系统包括相位光时域反射仪，所述分布式光纤监测子系统中的普通光纤、三分量分布式光纤分别与所述相位光时域反射仪连接。
可选地，所述数据分析子系统包括处理器，所述处理器与所述数据采集子系统中的相位光时域反射仪连接。
可选地，所述模型箱外设有高速摄像机；所述高速摄像机正对坡体正面，用于观测坡体的裂缝发展状况。
本发明的技术效果为：
与现有技术相比，本发明将螺旋缠绕的三分量分布式光纤布这一新技术应用于隧道口边坡领域，主要在光纤的布设方式进行设计，对隧道口边坡深部地段，隧道沿线实现全域监测，为隧道口边坡灾害提供一种新型的监测预警手段，缠绕式三分量分布式光纤的应用，克服了光纤只对轴向应变敏感的缺陷，极大地提高了光纤的三维空间测量能力，提高了数据的准确度，实现全域性、全天候、大容量、低成本、高灵敏度检测，实时可以对隧道口边坡进行健康检测，同时根据已有数据对灾害进行精准预测，从而进行靶向加固。此外，全覆盖检测对于研究隧道口边坡的破坏模式和机制有重要意义。对于隧道口边坡体破坏模式的探讨以及规律总结、评估相关地质条件下的边坡工程的可靠性，具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统工作原理图；
图2为本发明实施例中的布设缠绕式三分量分布式光纤的边坡模型装置整体图；
图3为本发明实施例中的三分量分布式光纤缠绕图；
图4为本发明实施例中的三分量分布式光纤在边坡的布置图；
图5为本发明实施例中的三分量分布式光纤在隧道两侧的布置图,其中(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图6为本发明实施例中的布设分布式光纤的边坡模型装置侧视图；
图7为本发明实施例中的边坡模型侧视图；
附图标记：1-模型箱，2-隧道口边坡模型，3—钢化玻璃，4—高清摄像机，5-普通光纤，6-三分量分布式光纤，7-光开关，8-相位光时域反射仪(Φ-OTDR)，9-计算机，10-数据分析处理服务器，11—隧道。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1-7所示，本实施例中提供一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，包括模型箱1、边坡模型2、分布式光纤监测子系统、数据采集子系统、数据分析子系统；
所述的模型箱1为矩形箱体，模型箱体底板、顶板和周围四面板构成，底板和顶板为钢板，周围四面的板为钢化玻璃，使得试验现象可观察；板件之间采用螺栓连接，接缝处进行密封。
本试验隧洞口的边坡模型2采用相似材料砌筑而成，根据实际工况，选用适合的相似材料，按照缩尺比例制作边坡模型。
所述三分量分布式光纤子系统主要包含边坡表面的普通光纤5和在边坡内部竖向布置的采用螺旋缠绕的三分量分布式光纤6。坡面的分布式普通光纤5沿着坡面从坡顶到坡脚呈“己”字形布设，其中，三根水平布设的光纤等间距布设，实际模型或者工况中，可根据隧洞口边坡数值模拟的结果，对重点区域增加布设，用来测量边坡表面的应变、应力、水分等数据，隧道口边坡内部的测量光纤主要由五处竖向布置以及隧道口两侧拱脚以及拱顶处采用水平布设的采用螺旋缠绕的三分量分布光纤组成，竖向布置段取坡面三段水平光纤和两段倾斜布设的光纤中点共计五个点作为内部光纤布设的坡面对应点。在五个位置点先向下进行竖向钻孔，可根据实际工况对各处的光纤布设深度进行设计，从而保证其光纤布设效益最大化。将螺旋缠绕的三分量分布式光纤布设在开挖好的钻孔里，螺旋缠绕的三分量分布式光纤6中缠绕的角度可根据实际中X、Y、Z向振动所占的比例进行调整，可初步设定缠绕角度为35度，主要用以测量X、Y向的振动信号，在缠绕光纤内部，在布设三根竖向的光纤，主要用以测量Z向的振动信号以及测量应变、地震波、温度、应力、水分等指标。隧道的危险区域一般集中在拱脚和拱顶，因此，为了实现重点区域重点设防，在隧道的拱顶和两侧拱脚沿线均布设三分量分布式光纤6。各处光纤在坡面进行连接，与坡面原有的”己”型光纤分别与相位光时域反射仪(Φ-OTDR)8连接，构成分布式光纤测量系统。
数据采集子系统和分析子系统主要包含相位光时域反射仪(Φ-OTDR)8和计算机9，将光纤与相位光时域反射仪(Φ-OTDR)8连接，相位光时域反射仪(Φ-OTDR)8先将光纤收集的光信号进行相位解调，得出定量化的测量波形，再与计算机9连接，进行数据的分析和整理。
同时模型箱1外部架设高速摄像机4；高速摄像机4正对坡体正面，观测坡体的裂缝发展状况。
本三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统的实际应用过程包括以下步骤：
步骤一：选择具体边坡实例，确定岩性各项参数；
步骤二：根据岩性的物理力学性质和泊松比，根据相似准则，确定相似材料；
步骤三：根据设计，预留竖向光纤布设孔洞，同时，砌筑隧道口边坡模型
步骤四：根据工况，选择三分量分布式光纤的缠绕角度。
步骤五：模型砌筑到达指定隧道高度时，砌筑隧道，并在隧道两侧拱脚和拱顶位置布设三分量分布式光纤，待隧道硬化达到要求后，继续砌筑模型。
步骤六：在边坡表面布设“己”型光纤，在预留的竖向孔洞内布设三分量分布式光纤，将光纤与相位光时域反射仪(Φ-OTDR)连接。
步骤七：连接整个系统，保持正常运转。
步骤八：对隧道口边坡模型施加实际工况，监测数据。
步骤九：分析数据，对边坡的薄弱部位进行预警，观察隧道口边坡表面的裂纹，结合数据，对隧道口边坡的破坏模式进行总结。
本发明针对隧道口边坡，引入了三分量分布式光纤传感技术进行监测，该技术具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本、抗电磁干扰能力强、可实现连续监测等优势，同时可以实现三维测量，极大的弥补了单根光纤在三维测量方面存在的不足，为隧洞口边坡灾害提供一种新型的数据监测预警手段，便于获得更准确、更全面、更丰富、更及时的边坡特征数据，可以对边坡进行健康检测，同时根据已有数据对灾害进行精准预测，进而进行靶向加固。此外，全覆盖检测对于研究隧道口边坡的破坏模式和机制有重要意义。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，其特征在于，包括模型箱、边坡模型、分布式光纤监测子系统、数据采集子系统、数据分析子系统；所述数据采集子系统、数据分析子系统设置于所述模型箱侧面；
所述边坡模型设置于所述模型箱内部；
所述分布式光纤监测子系统用于获取所述边坡模型的边坡数据；
所述分布式光纤监测子系统包括普通光纤和三分量分布式光纤；
所述普通光纤沿坡面从坡顶到坡脚呈“己”字形布设，并且包括三根水平等间距布设的光纤；
所述普通光纤用于测量边坡表面的应变、应力、水分数据；
所述三分量分布式光纤在隧道沿线两侧拱脚及拱顶处水平布设，边坡表面选择特定点位进行竖向布设，布设深度根据现场情况进行确定；
所述三分量分布式光纤用于测量X、Y、Z方向的振动信号；
所述三分量分布式光纤采用螺旋缠绕设计，螺旋缠绕的角度根据X、Y、Z方向的振动占比进行调整；
所述三分量分布式光纤的螺旋缠绕中还包括三根竖向设置的光纤；
所述数据采集子系统用于对所述边坡数据进行相位解调，获取测量波形；
所述数据分析子系统用于对所述测量波形进行分析整理，根据分析整理结果进行灾害监测预警；
三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统的应用过程包括以下步骤：
步骤一：选择具体边坡实例，确定岩性各项参数；
步骤二：根据岩性的物理力学性质和泊松比，根据相似准则，确定相似材料；
步骤三：根据设计，预留竖向光纤布设孔洞，同时，砌筑隧道口边坡模型；
步骤四：根据工况，选择三分量分布式光纤的缠绕角度，初步设定缠绕角度为35度，再根据实际中X、Y、Z向振动所占的比例进行调整；
步骤五：模型砌筑到达指定隧道高度时，砌筑隧道，并在隧道两侧拱脚和拱顶位置布设三分量分布式光纤，待隧道硬化达到要求后，继续砌筑模型；
步骤六：在边坡表面布设“己”型光纤，在预留的竖向孔洞内布设三分量分布式光纤，将光纤与相位光时域反射仪连接；
步骤七：连接整个系统，保持正常运转；
步骤八：对隧道口边坡模型施加实际工况，监测数据；
步骤九：分析数据，对边坡的薄弱部位进行预警，观察隧道口边坡表面的裂纹，结合数据，对隧道口边坡的破坏模式进行总结。
2.根据权利要求1所述的三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述模型箱为矩形箱体，箱体由底板、顶板和四面板构成，底板和顶板为钢板，四面板为钢化玻璃，板件间采用螺栓连接，并对接缝处进行密封；
所述边坡模型选取适合工况的材料按缩尺比例设计。
3.根据权利要求1所述的三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，其特征在于，在所述三分量分布式光纤中，在竖向布置段选取坡面三段水平光纤和两段倾斜布设的光纤中点共计五个点，作为所述三分量分布式光纤布设的坡面对应点。
4.根据权利要求1所述的三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述数据采集子系统包括相位光时域反射仪，所述分布式光纤监测子系统中的普通光纤、三分量分布式光纤分别与所述相位光时域反射仪连接。
5.根据权利要求1所述的三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述数据分析子系统包括处理器，所述处理器与所述数据采集子系统中的相位光时域反射仪连接。
6.根据权利要求1所述的三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述模型箱外设有高速摄像机；所述高速摄像机正对坡体正面，用于观测坡体的裂缝发展状况。
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