CN1598479A - 土体深部变形分布式光纤测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一个土体深部变形的固定式测量方法和系统，该测量系统由测斜管、分布式光纤传感线路、数据采集设备、计算机控制模块、数据处理模块等几部分构成。它采用基于自发布里渊散射原理的分布式光纤传感技术，通过将传感光纤按照全面粘贴的方式铺设在测斜管的外表面，然后将测斜管埋设在土体中，用于测量土体的变形或位移。当深部土体发生位移，土体将带动测斜管发生变形，测斜管外壁的应变量也随之变化，采用BOTDR可以直接测量出粘贴在测斜管外壁的光纤的应变分布，数据的采集过程由计算机控制模块实现，采集到的数据同样由计算机控制模块导入数据处理模块，按照一定的算法计算出测斜管的变形量，从而得到土体的变形或位移。
Description
一、所属技术领域
本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤传感技术的岩土体深部变形监测方法和测量系统。
二、背景技术
目前，用于深部岩土体变形监测的方法很多，通过埋设测斜管，使用测斜仪测量岩土体变形是基坑、边坡等岩土工程变形监测的常用方法。当岩土体发生位移时，埋入岩土体中的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即为岩土体的位移量。然后，通过将测斜仪探头沿管内导槽插入测斜管内，缓慢下滑，按取定的间距逐段测定各量测段处的测斜管与铅直线的倾角，就能得到土体不同深度的水平位移。
当岩土体变形加剧，测试导管弯曲度变大后，移动式测斜仪无法通过导管而使监测中断，无法满足中后期钻孔局部大变形的测试要求。移动式测斜要求测斜导管内腔尽量光滑规则，粘有泥沙将导致测斜仪的读数误差。此外，导管扭曲或者导管接头不对时，会使导轮偏离导槽甚至跳到另一组导槽中，此时，记录的数据很不可靠。尽管移动式测斜探头的精度较高，但上述原因均会造成了移动式测斜的可靠性降低。
三、发明内容
针对移动式测斜存在的问题，本发明的目的在于，提出一种基于分布式光纤传感技术的岩土体变形的固定式测斜方法及系统。
本发明的目的是这样实现的：在测斜管的外壁凹槽内并行粘贴两条光纤，其中一条为紧套光纤，拉紧后粘贴于管壁，另一条为松套光纤，松驰地粘贴在同一位置，应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈很好的线性关系，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变和温度之间的线性关系，可以得到测斜管外表面的应变分布和温度分布，去掉温度的影响，就得到测斜管的应变分布。设管底为不动点，对上述应变分布进行积分运算就得到测斜管的变形或挠度，埋入岩土体中的测斜管随土体同步位移而发生变形，得到岩土体的位移。
土体变形分布式光纤监测系统，由测斜管、分布式光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、计算机和数据处理模块构成；沿着测斜管设有凹槽，紧套光纤拉紧后粘贴于槽内管壁，另一条松套光纤松驰地粘贴在同一位置，测斜管构成分布式光纤传感线路；布里渊背向散射光数据采集设备BOTDR通过GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信。
具体而言：在埋设测斜管之前，在测斜管的外壁凹槽内并行粘贴两条光纤，其中一条的紧套光纤，用于测斜管外壁应变量的传感，另一条为松套光纤，作为测斜管所处位置的温度传感器，用于温度补偿。应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射技术。光脉冲在光纤中传播时，会发生布里渊散射，其中一部分散射光会沿光纤原路返回至脉冲光的入射端，这部分光被称为布里渊背向散射光。布里渊背向散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈很好的线性关系。当岩土体发生位移时，埋入岩土体中的测斜管随土体同步位移而发生变形，粘贴在测斜管外表面的光纤能够感应到测斜管的变形。在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变和温度之间的线性关系，可以得到测斜管外表面的应变分布和温度分布。假定管底为不动点，通过对上述应变分布进行积分运算就可以得到测斜管的变形或挠度，即岩土体的位移。
基于上述技术思路，本发明构建的监测系统的工作流程是，该系统由以下几部分组成：测斜管、分布式光纤传感线路、数据采集设备、计算机控制模块、数据处理模块。测斜管就采用传统移动式测斜技术的测斜管；采用粘结剂将传感光纤(包括应变量传感光纤，即紧套光纤，和温度传感光纤，即松套光纤)粘贴在测斜管外表面的导槽内，构成分布式光纤传感线路；数据采集设备则采用一台BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer布里渊光时域反射计)，得到传感光纤的应变分布和温度分布；利用BOTDR提供的GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信，BOTDR的工作状态既可以通过手工控制，也可以受计算机控制，实现完全自动化的数据采样和处理；得到的数据文件既可以存贮在BOTDR内置的硬盘上，也可以通过BOTDR的通信接口传送至计算机内，由数据处理模块对这些数据文件进行分析和计算。
本发明的最大特点是提供了一种利用分布式光纤传感技术实现深部岩土体变形固定式测量系统。这种系统的第一个优点是利用光纤的特性可以实现远距离监测；第二个优点是可以将多个测斜孔串接，实现分布式监测；第三个优点是由于使用了光纤和光信号，可以在潮湿、酸碱等的恶劣环境下使用；第四个优点是可以实现自动监测，可以比较迅速地获得岩土体变形或位移的变化规律，异常情况下可以报警；第五个优点是这种固定式测量系统可以克服移动式测斜的一些缺陷，省时，省力。
四、附图说明
图1是测斜管接头处传感光纤的布置；
图2是本发明的一个实施例的系统框图；
图3分布式光纤传感器与百分表的实测挠度对比图；
五、具体实施方式
下面结合附图和本发明依技术方案所完成的实施例，对本发明作进一步的详细描述，本发明不限于这些实施例。
本发明是一个土体变形的固定式测量系统，涉及基于分布式光纤传感技术的深部岩土体变形监测方法及系统，包括以下步骤：
1)沿测斜管外表面的两道凹槽分别并行布设两条传感光纤，一条为紧套光纤，另一条为松套光纤，分别对测斜管外表面的应变和温度进行测量；
2)将两道凹槽内的紧套光纤和松套光纤分别在管底处熔接，由地面上的管口处引出，可以在引出的光纤上熔接尾纤进行单独测量，也可以将若干个测斜管相互熔接，串接在一条光纤线路上，并最终接至BOTDR；
3)使用BOTDR测量传感光纤的应变分布和温度分布，获得测斜管外表面的应变分布。BOTDR仪器本身具有操作面板，因此，仪器的采样过程可以手动控制。另外，仪器本身具有GPIB接口，因此，仪器可以和计算机连接，由计算机对采样过程进行控制；
4)BOTDR采到的数据可以存储在计算机的内部，也可以通过仪器的网络接口和计算机连接，利用计算机强大的运算功能对数据进行计算和分析，获得测斜管不同深度处的挠度，从而得到测斜管周围岩土体的位移量。
本发明的传感光纤有两路，一路为紧套光纤，用于测量测斜管的应变。但由于光纤同时对温度变化也敏感，因此，需要同时布设温度传感线路。这里，采用松套光纤作为温度传感线路。通过在光纤的一端注入脉冲光，光纤上各个点均会发生布里渊散射，其中一部分散射光沿光纤原路返回至入射端，进入光探测器，转换为电信号后，经过放大、滤波等一系列的信号处理，得到光纤上采样点处的布里渊散射光频移，由频移与光纤应变之间的线性关系，获得光纤的应变分布。上述过程由BOTDR完成，计算机通过GPIB接口向BOTDR发送控制指令，获取仪器的工作状态，得到的数据文件由网络接口导入计算机，由计算机程序对这些数据进行计算和分析。深部岩土体的变形会带动测斜管发生同步变形，变形后的测斜管其应变状态会随之改变，通过对测斜管的应变分布进行相应的分析，就可以反求测斜管的变形或挠度，进而得到岩土体的位移。
上述分布式光纤传感系统，以普通的测斜管为媒介，用于深部岩土体的一种固定式测量系统。
上述分布式光纤传感系统，光纤作为传感器使用，同时也作为传输媒介，即测斜管与测斜管之间，测斜管与BOTDR之间的光传输线路。
上述分布式光纤传感系统，背向散射光检测模块是一台BOTDR(BrillouinOptical Time Domain Reflectometer布里渊光时域反射计)，获得光纤上各个采样点的布里渊散射光频移，利用BOTDR提供的GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信和数据交换。上述分布式光纤传感系统，由计算机软件自动对获得的数据进行计算和分析，得到测斜管的变形或位移，当位移超过设计值，给出报警提示。
上述分布式光纤传感系统，传感光纤的直径为0.9mm的单模光纤，以紧套光纤作为应变传感器，以松套光纤作为温度补偿传感器。
参见图1，图1是本发明在测斜管接头处传感光纤的布纤方式。传感光纤是预先粘贴在4m或2m一段的测斜管上，为了便于测斜管的埋设，布纤遇有测管接头位置时，在靠近管头的位置打一小孔，传感光纤由小孔穿入测斜管内，套好接头后，穿入另一根测斜管内，最后由另一跟测斜管的管头处的小孔穿出，并粘贴于测斜管外表面的凹槽内。
参见图2，图2是本发明的实施例的系统框图。将粘贴好传感光纤的测斜管由钻孔埋入地下，使用光缆将各个测斜管熔接在一条光纤线路上，将光纤的一端接至BOTDR。BOTDR的采样过程通过GPIB接口由计算机控制，得到的数据文件由网络接口传入计算机，由计算机程序对这些数据文件进行计算和分析，最终获得测斜管的变形或挠度，即深部岩土体的位移。
参见图3，对一段2m长的测斜管进行弯曲试验，模拟测斜管变形，分别采用分布式光纤传感技术和百分表测量变形后测斜管的挠度，试验结果示于图3。测斜管1、传感光纤2、接头3、小孔4。
Claims (6)
1、土体深部变形分布式光纤测量方法，其特征是在测斜管的外壁凹槽内并行粘贴两条光纤，其中一条的紧套光纤，拉紧后粘贴于管壁，用于测斜管外壁应变量的传感，另一条为松套光纤，松驰地粘贴在同一位置，作为测斜管所处位置的温度传感器，用于温度补偿；应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈很好的线性关系，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变和温度之间的线性关系，可以得到测斜管外表面的应变分布和温度分布，去掉温度的影响，就得到测管的应变分布。
2、由权利要求1所述的土体深部变形分布式光纤测量方法，其特征是以管底为不动点，对上述应变分布进行积分运算就得到测斜管的变形或挠度，埋入岩土体中的测斜管随土体同步位移而发生变形，得到深部岩土体的位移。
3、土体深部变形分布式光纤测量系统，测斜管采用传统的移动式测斜管，其特征是该系统由以下几部分组成：测斜管、分布式光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、计算机和数据处理模块构成；沿着测斜管设有凹槽，紧套光纤拉紧后粘贴于槽内管壁，另一条松套光纤松驰地粘贴在同一位置，测斜管构成分布式光纤传感线路；布里渊背向散射光数据采集设备BOTDR通过GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信和数据交换。
4、由权利要求3所述的土体深部变形分布式光纤测量系统，其特征是光纤遇有测管接头位置时，在靠近管头的位置打一小孔，传感光纤由小孔穿入测斜管内，套好接头后，再穿入另一根测斜管内，最后由管头的小孔穿出，粘贴于测斜管外表面的凹槽内。
5、由权利要求4所述的土体深部变形分布式光纤测量系统，其特征是将测斜管外壁凹槽对准欲测量方向，而不是在传统的测斜中将测斜管内壁某一对凹槽对准欲测量方向。
6、由权利要求3所述的土体深部变形分布式光纤测量系统，其特征是上述分布式光纤传感系统，传感光纤为直径为0.9mm的单模光纤，以紧套光纤作为应变传感器，以松套光纤作为温度补偿传感器。
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