CN1901418A - 土质边坡分布式光纤应变监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明是土质边坡分布式光纤应变监测方法，在边坡坡面，沿边坡走向并行布设若干条专用光缆，至少在靠近坡顶和坡角的位置各布设一条即可；通过在测斜管的外表面对称粘贴两条光纤，借助测量测斜管的应变得到深部土体的变形。通过将各条特殊光缆依次熔接构成传感线路，接至BOTDR，BOTDR通过本地计算机和互联网络与远程计算机相联，构成分布式光纤应变监测系统，通过对测量的应变分布进行积分、求和等运算得到土坡的变形或位移，进而对边坡的稳定性作出评价和预测。测量系统具有分布式、远程、自动测量、精度较高等特点，适用于土质边坡坡面及深部土体变形或位移的测量及稳定性评估。

Description

土质边坡分布式光纤应变监测方法和系统

一、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土质边坡监测系统。

二、背景技术

我国目前正处于大规模建设时期，在水利、能源、交通等各个领域出现了大量的大型边坡工程，滑坡事故频发。边坡工程监测是确定边坡稳定性、判断不稳定边坡滑移方向和速度，掌握边坡发展变化规律，评估治理措施的质量和效果的主要手段和依据。

但由于岩土介质的复杂性，以及监测区域的范围较大，特别是对于一类边坡，需要建立地表和深部相结合的综合立体监测网，并进行长期监测。边坡监测的内容一般包括地表变形监测、裂缝位错监测、地面倾斜监测、深部位移监测、地下水监测以及边坡地应力、锚杆(索)拉力、支护结构应力等。所采用监测手段主要有经纬仪、全站仪以及电测式的传感器(如多点位移计、钻孔测斜仪、压力传感器、锚索测力计、压力盒等)等。由此可见，边坡监测是一个复杂的系统工程，不仅监测的内容多，监测手段也多种多样，这给实际的监测工作带来不便，而且实时性较差。对于大型边坡工程，由于边坡应力分布的不均，不同方法所获得的监测数据往往存在一些矛盾，而且监测数据之间缺少联系，无法反映边坡整体的变形规律。此外，常规的电测式传感元件，由于受到腐蚀和雷电等的干扰，使用寿命和稳定性难以满足长期监测的要求。因此，有必要对常规的边坡监测方法和手段进行改进，以满足日益增长的边坡安全监测的要求。

BOTDR(Brillouin optical time-domain reflectometer)，中文名称为布里渊散射光时域反射测量仪，是一种分布式的光纤应变传感器，可以连续测量几十公里范围内的光纤应变分布。目前，该技术已被成功应用在建筑、隧道、堤坝等构筑物的安全监测当中。基于布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time DomainReflectormeter，缩写：BOTDR)的分布式传感技术是近年来在光电信息领域内研发一项尖端技术，它除了具有一般光纤传感技术的耐腐蚀、抗干扰等特点，最重要的是具有分布式测量的特点，可以得到光纤沿线任意点的应变和温度信息。将该技术用于土质边坡的监测，一方面可以得到边坡整体的变形分布特征，也可以捕捉到边坡潜在滑移面和裂缝等滑坡特征，进而对边坡的稳定性进行评估和预测。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术-BOTDR传感技术是近几年发展起来的一门新型传感技术，它以光作为采集信号的载体，以光纤作为传递光信号的介质，具有耐久性好、无零点漂移、不带电工作、抗电磁干扰、传输带宽大等突出优点，可以实现对待测参数的连续分布式或准分布式测量，为传统电子应变传感技术难以企及的，目前在土木、水利、交通、石化、电力、医疗、机械、动力、船舶、航空、航天等领域推广运用，逐步取代原有机电类传感器。

目前BOTDR用于暴露式建筑物或基础的应力分析，数据预处理主要是对异常识别、数据平滑、空间定位等功能。

边坡监测中分布式光纤传感检测方法未有采用。

三、发明内容

针对目前边坡监测中存在的问题，结合土质边坡的变形特点，提出一种用于土质边坡的基于分布式光纤传感技术的监测方法及系统构成。

本发明的目的是这样实现的：土质边坡分布式光纤应变监测方法和系统，在边坡坡面，沿边坡走向并行布设若干条特殊光缆，一般情况下只需在靠近坡顶和坡角的位置各布设一条即可。通过在测斜管的外表面对称粘贴两条光纤，借助测量测斜管的应变得到深部土体的变形。通过将各条特殊光缆依次熔接构成传感线路，接至BOTDR，BOTDR通过本地计算机和互联网络与远程计算机相联，构成分布式光纤应变监测系统，通过对测量的应变分布进行积分、求和等运算得到土坡的变形或位移，进而对边坡的稳定性作出评价和预测。

具体而言：特殊光缆主要包括一条紧套单模光纤和一条松套单模光纤，紧套光纤用于变形的传感，松套光纤用于温度的传感。为了保证光缆的敏感性，要求紧套光纤与光缆的护套紧包接触，同时在光缆内封装了两根钢丝，使光缆具有足够高的强度，抵抗土体的大变形或其他来自于外界的冲击。

边坡表面的光缆采用平行边坡走向、逐点固定的方式进行布设，即在边坡表面，沿边坡走向按2m间隔打入长度不小于30cm的锚杆，构成一条平行于边坡走向的一条测线，并沿该测线挖一条深约5～10cm的槽，之后将光缆布设在槽内，拉直后与锚杆固定并盖上覆土。根据监测的要求，这样的测线可以布设多条。但是在一般情况下，只需在每级坡靠近坡脚和坡顶的位置各布置一条即可。对于边坡表面裂缝的监测，可以采用同样方式，但要求两固定点位于裂缝两侧，而且测线的方向与裂缝的走向相垂直。对于边坡深部位移的监测，特别是潜在滑移面的监测，是通过将传感光纤对称地粘贴在测斜管的外表面，通过测量测斜管的应变得到潜在滑移面的位置及滑移量的大小。

光纤应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射技术。自光纤的一端注入脉冲光，脉冲光在传播的过程中发生布里渊散射，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量与光纤的应变和温度变化之间呈良好的的线性关系。当边坡发生位移时，埋入土体内的光纤随土体同步位移而产生拉伸。在脉冲光的入射端，通过测量布里渊背向散射光的频移量，并根据频移量与应变和温度之间的线性关系，可以得到传感光纤所在位置，土体的应变分布和温度分布，通过积分和求和运算，得到边坡土体的变形和位移。另外，通过光时域反射技术可以对光纤上的事件点进行精确的空间定位。

为满足边坡监测实时性和长期性的要求，需要构建一套监测系统。该监测系统由特殊光缆、坡面固定点、深部位移监测装置、数据采集设备、计算机以及数据处理软件等组成。传感光纤的应变分布和温度分布由数据采集设备BOTDR测量，BOTDR是一套测量光纤中布里渊背向散射光的数据采集设备。整个采集过程可以在人工交互下进行，也可以按既定程序由计算机自动控制，设备通过自身的GPIB接口和以太网接口保持与计算之间的通信，实现完全自动化的仪器状态控制、数据采样、传输和存取；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，由数据处理软件对这些数据进行分析和计算，给出评估结论。

本发明的最大特点是发明了一种利用分布式光纤传感技术实现土质边坡坡面位移及土体深部位移测量的方法，并构建了监测系统。这套分布式监测系统的第一个优点是利用光纤的特性可以实现远程、长距离监测；第二个优点是可以实现分布式监测，掌握边坡整体的变形规律；第三个优点是由于使用了光纤和光信号，可以在雷电、潮湿等的恶劣环境下使用；第四个优点是可以实现自动化测量与分析，比较迅速地获得大面积岩土体变形或位移的变化规律，及时给出异常区域，即潜在滑坡区，并给出预警。

四、附图说明

图1是土质边坡分布式光纤监测系统示意图。该监测系统由传感光缆、坡面固定点、深部位移监测装置、数据采集设备、计算机以及数据处理软件等构成。传感光缆通过锚杆固定于坡面之上，构成坡面变形光纤传感线路；通过将传感光纤对称粘贴在测斜管外表面构成土体深部位移监测装置。

坡面固定点1、传感光缆2、测斜管3、数据采集设备4、

五、具体实施方式

本发明是一个土质边坡分布式光纤应变测量系统，涉及基于分布式光纤传感技术的土质边坡坡面及深部土体变形的监测方法及系统，包括以下步骤：

1)沿边坡走向，按逐点固定的方式固定特殊光缆，光缆内包含两条传感光纤，一条为紧套光纤，另一条为松套光纤，分别用于应变量和温度的测量。光缆与锚杆固定之前，需要在预定位置开深约5～10cm的槽，光缆放入土槽后与锚杆固定，然后盖上覆土；

2)深部土体变形的监测需要借助测斜管实施。将传感光纤对称地粘贴在测斜管的外表面，然后放入已打好的钻孔内即可；

3)将边坡上不同位置的传感光缆，包括测斜管上的传感光纤依次熔接，串接在一条光纤线路上，并最终接至BOTDR；

4)使用BOTDR测量传感光纤的应变分布和温度分布，获得边坡坡面的应变分布。该过程可以在现场通过手动控制实现，也可以通过GPIB接口和以太网接口将BOTDR与本地计算机相联，借助互联网络由远程计算机对采样过程进行人工控制或按既定程序自动测量；

5)BOTDR采到的数据同时存储在仪器和本地计算机的内部，并通过互联网络将测量的数据传递到远程计算机，由远程计算机的数据分析模块对实测的数据进行再现、分析、评估和预警。

上述分布式光纤应变测量系统，使用特殊光缆测量边坡坡面应变分布和温度分布。特殊光缆由紧套单模光纤、松套单模光纤以及钢丝构成。紧套光纤、松套光纤分别用于应变量和温度的测量，钢丝则用于增强光缆的强度。

上述分布式光纤应变测量系统，以一般测斜管为媒介，通过将直径0.9mm的紧套光纤对称粘贴在测斜管的表面，借助测量测斜管的应变得到边坡深部土体的变形。

上述分布式光纤应变测量系统，光纤作为传感器的同时，也是其他传感器传感信息的传输媒介。

上述分布式光纤应变测量系统，背向散射光的采集设备是一台BOTDR。它可以获得光纤上任意点的布里渊散射光频移，并利用BOTDR提供的GPIB接口和以太网接口实现与本地计算机的通信和数据交换，同时将实测的数据通过互联网络将测量的数据传送至远程计算机。

上述分布式光纤应变测量系统，由安装在远程计算机的数据处理模块对测量过程进行实时控制，并对测量的数据进行计算和分析，给出报警提示。

Claims (6)

1、土质边坡分布式光纤应变监测方法，其特征是在边坡坡面，沿边坡走向并行布设若干条专用光缆，至少在靠近坡顶和坡角的位置各布设一条即可；通过在测斜管的外表面对称粘贴两条光纤，借助测量测斜管的应变得到深部土体的变形。通过将各条特殊光缆依次熔接构成传感线路，接至BOTDR，BOTDR通过本地计算机和互联网络与远程计算机相联，构成分布式光纤应变监测系统，通过对测量的应变分布进行积分、求和等运算得到土坡的变形或位移，进而对边坡的稳定性作出评价和预测。

2、由权利要求1所述的土质边坡分布式光纤应变监测方法，其特征是专用光缆包括一条紧套单模光纤和一条松套单模光纤，紧套光纤用于变形的传感，松套光纤用于温度的传感；为了保证光缆的敏感性，要求紧套光纤与光缆的护套紧包接触，同时在光缆内封装了两根钢丝，使光缆具有足够高的强度，抵抗土体的大变形或其他来自于外界的冲击。

3、由权利要求1所述的土质边坡分布式光纤应变监测方法，其特征是边坡表面的光缆采用平行边坡走向、逐点固定的方式进行布设，即在边坡表面，沿边坡走向按2±1m间隔打入长度不小于30cm的锚杆，构成一条平行于边坡走向的一条测线，并沿该测线挖一条深约5～10cm的槽，之后将光缆布设在槽内，拉直后与锚杆固定并盖上覆土。

4、由权利要求1所述的土质边坡分布式光纤应变监测方法，其特征是采用同样方式，要求两固定点位于裂缝两侧，而且测线的方向与裂缝的走向相垂直。

5、由权利要求1所述的土质边坡分布式光纤应变监测方法，其特征是对于边坡深部位移的监测，特别是潜在滑移面的监测，是通过将传感光纤对称地粘贴在测斜管的外表面，通过测量测斜管的应变得到潜在滑移面的位置及滑移量的大小。

6、土质边坡分布式光纤应变测量系统，其特征是在土质边坡坡面，沿边坡走向并行布设若干条特殊光缆，并通过坡面固定点与坡面土体固定，用于测量边坡土体的应变和温度，对于边坡深部土体变形的测量，是通过在测斜管的外表面对称粘贴两条传感光纤，通过测量测斜管的应变计算后得到边坡深部土体的变形。光纤应变量和温度的测量均采用基于BOTDR的分布式光纤传感技术；将各条光纤传感线路依次熔接后，接至BOTDR，BOTDR通过本地计算机和互联网络与远程计算机相联，构成分布式光纤应变监测系统。