TWI810777B - 地層變形監測裝置、系統與方法 - Google Patents
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Abstract
本發明關於一種地層變形監測裝置，其包含：工作管，其具有外側面以及內管空間，並埋入目標地層；複數變形監測環，每一該等變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管之該外側面；以及至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面。
Description
本發明係有關於一種地層變形監測裝置、系統與方法，尤其是一種基於布里淵頻移量測技術並以應變光纜與溫度光纜做為主感測器而建構的地層變形監測裝置、系統與方法。
隨著水資源需求增加，超抽地下水的情形日益嚴重，隨之產生的差異沉陷影響工程安全，因此超抽地下水引起之沉陷變化，成為一個重要的監測資料，而習用沉陷量測技術，大致區分為空中、地面與地下監測，其中就地下監測的部分，大致包含單點式監測、多層式監測及時域反射監測等。
單點式係量測監測井固定位置的沉陷變化，多層式則是量測監測井不同位置的沉陷變化，但在習用沉陷監測技術中，包含許多人為監測因此影響資料的精確度，而每月量測之資料無法迅速反應沉陷變化，而在水壓監測方面，由於需要額外多鑽一口監測井，不僅提高整體監測成本，無法在同一地點進行監測也影響了水壓與沉陷關係的正確性。
而時域反射(Time Domain Reflectometry,TDR)監測技術則是一種利用電磁波進行監測及探查的方法，基本原理與雷達相似，但電磁波之傳遞受限於傳輸纜線，且地下水體之導電度將造成電磁波傳遞隨著距
離增加而衰減，因此習用TDR地層沉陷監測技術，皆面臨訊號衰減引起之傳輸距離問題難以克服，雖然簡煒峰(2017)曾提出TDR分層感測器之概念，但仍然無法克服電磁波在水中的衰減情形，量測訊號僅能到達地下深度40~50公尺。
上述習用技術已顯示TDR監測技術能有效降低成本且能夠達到連續分層監測地層變形之目地，但卻難以用於監測深層地層變形，且無法適用於沉陷速率較大之場址。
職是之故，有鑑於習用技術中存在的缺點，發明人經過悉心嘗試與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「地層變形監測裝置、系統與方法」，能夠克服上述缺點，以下為本發明之簡要說明。
鑑於習用技術不足之處，本發明提出一種地層變形監測裝置、系統與方法，尤其是一種基於布里淵頻移量測技術並以應變光纜與溫度光纜做為主感測器而建構的地層變形監測裝置、系統與方法。
據此本發明提出一種地層變形監測裝置，其包含：工作管，其具有外側面以及內管空間，並埋入目標地層；複數變形監測環，每一該等變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管之該外側面；以及至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面。
本發明進一步提出一種地層變形監測系統，其包含：工作管，其具有外側面以及內管空間，並埋入目標地層；複數變形監測環，每一該等變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管
之該外側面；至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面；以及解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜內部散射光之頻移。
本發明進一步提出一種地層變形監測方法，其包含：將複數變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於工作管之外側面；將至少一應變光纜固定於該等變形監測環上而將該至少一應變光纜可移動地裝配於該工作管上；將至少該工作管係埋入於目標地層之中；以及量測該至少一應變光纜內部散射光之頻移，俾據以計算該目標地層之變形。
上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使讀者對本揭示內容具備基本的理解，此發明內容並非揭露本發明的完整描述，且用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。
300:本發明地層變形監測系統
200:本發明地層變形監測裝置
1:運算裝置
2:BOTDR/A解讀儀
3:戶外防水型光纖收容盒
4:訊號傳輸線
5:光纖連接線
6:應變光纜
7:溫度光纜
8:變形監測環
81:外側
82:內側
83:90°度角切口
84:270°度圓弧結構
9:摩擦增強件
10:工作管
101:外側面
102:長軸方向
11:地下水位面
12:第一不透水層
13:壓縮土層
14:第二不透水層
15:線性導軌
151:限動器
16:滑條結構
17:應變光纜固定槽
18:摩擦環
19:透水層
20:目標地層
21:地表面
22:工作井
500:本發明地層變形監測方法
501~507:實施步驟
第1圖係揭露本發明地層變形監測系統之系統架構示意圖；
第2圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第一實施例之俯視結構示意圖；
第3圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第一實施例之立體結構示意圖；
第4圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的線性導軌及限動器之局部結構示意圖；
第5圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第二實施
例之俯視結構示意圖；
第6圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第二實施例之立體結構示意圖；
第7圖係揭示本發明地層變形監測方法用於量測地表總沉陷量之計算原理示意圖；
第8圖係揭示本發明布里淵頻移相對於應變光纜位移量之率定圖；
第9圖係揭示本發明布里淵頻移相對於溫度光纜溫度之率定圖；以及
第10圖揭示本發明地層變形監測方法之實施步驟流程圖。
本發明將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態；本發明之圖式並不包含對大小、尺寸與比例尺的限定，本發明實際實施時其大小、尺寸與比例尺並非可經由本發明之圖式而被限制。
本文中用語“較佳”是非排它性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本發明的範圍應僅由所附請求項及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定；本文中用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其它特徵或步驟。
本發明係揭露一種以應變光纜與溫度光纜做為主感測器而建構的地層變形監測裝置、系統與方法，利用光纜之應變與溫度變化相對
於光纜中散射光的布里淵頻移之間的關係，可透過布里淵光時域量測技術(Brillouin optical time domain measurement technology)而確定，其包含反射量測技術與分析量測技術，因此經由聯合布里淵光時域反射儀或分析儀(Brillouin optical time domain reflectometer/analyzer,BOTDR/A)共同運作後，可供監測目標地層的變形量，或監測目標地層中連續沉陷變化量等，或連續監測目標地層中每一深度土層之沉陷及溫度變化。
第1圖係揭露本發明地層變形監測系統之系統架構示意圖；第2圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第一實施例之俯視結構示意圖；第3圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第一實施例之立體結構示意圖；本發明地層變形監測系統300包含工作管10、應變光纜6、溫度光纜7及BOTDR/A解讀儀2等主要元件。工作管10較佳為例如但不限於聚氯乙烯(PVC)材料或者工程塑膠材料製成的圓形中空管，工作導管10為整個系統提供支撐與安裝點，作用有如系統的支撐骨幹(supportive backbone)，工作管10上安裝有做為主感測器的應變光纜6與溫度光纜7，並對應變光纜6與溫度光纜7提供支撐。
工作管10的結構包含外側面101與內管空間(未示出)，工作管10之外側面101上，包含以等間隔或不等間隔方式配置的多個變形監測環8，變形監測環8係透過可滑動或可移動的方式裝配於或套入工作管10之外側面101，較佳的，經裝配完成後的變形監測環8，較佳是沿著工作管10的長軸方向102或縱向(longitudinal direction)滑動，但其中位於最底端之變形監測環8，則需與工作管10相互固定，不得有滑移行為發生，變形監測環8將埋入目標地層20之土壤中，較佳與土壤緊密結合。
在本實施例，變形監測環8之結構形式較佳是例如但不限於圓環結構，在細部結構的部分，在變形監測環8上直接與目標地層20之土壤直接接觸的外側81上，形成有環向配置的多條摩擦環18，由摩擦環18形成的環狀平面其法向量大致平行於長軸方向102，摩擦環18結構凸出於外側81，以便進一步延伸進入目標地層20之土壤，加強變形監測環8與目標地層20間的摩擦力，使變形監測環8有效率地反應出目標地層20產生的變形，此外，摩擦環18還可以有效加強變形監測環8的整體結構強度與剛性。
變形監測環8外側81上還形成有多個應變光纜固定槽17，其數量較佳採偶數倍配置，應變光纜固定槽17的長軸走向較佳是平行於工作管10的長軸方向102，並垂直於摩擦環18的環向配置走向，內側82則形成有凸出的多個滑條結構16，在某一實施例中，滑條結構16將直接接觸工作管10外側面101，故滑條結構16較佳採圓弧形狀設計，減低與工作管10的接觸面積，以降少與工作管10間之摩擦力，滑條結構16的長軸走向較佳是平行於工作管10的長軸方向102，並垂直於摩擦環18的環向配置走向，如第2圖與第3圖所示。
應變光纜6則透過例如但不限於膠合材料之黏著，而固定到變形監測環8的應變光纜固定槽17中，藉此固定到變形監測環8上而裝配在工作管10上，變形監測環8將埋入或嵌入目標地層20土壤，而與土壤形成緊密結合，當目標地層20產生變形時，如土壤的壓縮或膨脹，將迫使變形監測環8沿工作管10長軸方向102產生對應的滑移變化，而將地層變形傳遞給應變光纜6，經由應變光纜6做為主感測器而偵測地層變形。安裝時，可選擇先將變形監測環8直接附掛在工作管10之外側面101，再將應變光纜6固定
到變形監測環8應變光纜固定槽17中，以簡化安裝過程。
由於應變光纜固定槽17較佳採偶數倍配置，因此應變光纜6可繞過工作管10底端，在工作管10兩側形成U型迴路構造，因U型迴路構造，使得應變光纜6之兩端，可同時連接BOTDR/A解讀儀2，而得以在單端反射量測或者雙端分析量測模式中切換，在正常工作情況下，BOTDR/A解讀儀2採用雙端分析量測模式，同時對應變光纜6兩端進行BOTDA分析量測，以得到高精度的應變數值變化量，當應變光纜6在任一處發生斷點，造U型迴路發生中斷，則BOTDR/A解讀儀2可切換至單端反射量測模式，對應變光纜6兩端其中一端進行BOTDR反射量測，仍可量測到應變光纜6之應變改變量。
再者，由於U型迴路結構，可使相鄰變形監測環8涵蓋偶數倍以上之多條應變光纜6，可檢核安裝過程中，應變光纜6是否有鬆脫情況發生，並以平均方式計算出相鄰變形監測環8之沉陷或上浮變化量，以消除量測之不確定性因素。
為了增加應變光纜6與目標地層20土壤間之摩擦力，應變光纜6上還包含以等間隔或不等間隔方式固定的多個摩擦增強件9，摩擦增強件9與應變光纜6一起埋入或嵌入目標地層20的土壤，以便透過摩擦增強件9加強應變光纜6與目標地層20間的摩擦力，以將目標地層20產生的變形準確傳遞給應變光纜6，摩擦增強件9較佳是摩擦隼。
溫度光纜7則配置於工作管10內部中空處即內管空間，並以自由垂放方式垂放至工作井22底部，使得溫度光纜7不受到額外應力之影響，以準確量測目標地層20的連續溫度變化，同時做為應變光纜6之溫度補
償來源。
應變光纜6與溫度光纜7出土後，將先接入一個戶外防水型光纖收容盒3，再通過光纖連接線5與BOTDR/A解讀儀2相互連接，再透過運算裝置1例如但不限於攜帶型電腦或筆記型電腦，經由訊號傳輸線4控制BOTDR/A解讀儀2，以擷取應變光纜6與溫度光纜7隨工作井22深度變化之布里淵頻移改變量，最後，透過布里淵光時域量測技術確定布里淵頻移與應變及溫度之變化關係，經過電腦輔助運算進行轉換與計算後，即可連續監測地層中，每一深度土層之沉陷及溫度變化。
第4圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的線性導軌及限動器之局部結構示意圖；為確保每一個變形監測環8都能夠沿同一方向進行滑移動作，故在工作管10外側面101上還安裝有多組線性導軌15，滑條結構16將在線性導軌15上移動，線性導軌15能夠提供一條線性路徑，供滑條結構16在這條線性路徑上來回進行線性運動，例如但不限於雙向滑移，在線性導軌15的引導與限制下，可使每一個變形監測環8往同一方向作動，線性導軌15的長度較佳為例如但不限於10cm或者20cm。
同時為因應當地層因故產生過大之沉陷量或上浮量，超過應變光纜6之容許拉伸長度時，防止應變光纜6發生斷裂，故在線性導軌15之兩端，分別設置有限動器151，而在線性導軌15上形成一個限動範圍，使得在線性導軌15上移動得滑條結構16碰到線性導軌15兩端的限動15就會停止，而將滑條結構16與變形監測環8侷限在限動範圍內作動，藉此保護應變光纜6，並避免整個地層變形監測系統300失能而無法繼續運作。
第5圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環
第二實施例之俯視結構示意圖；第6圖係揭露本發明地層變形監測系統所包含的變形監測環第二實施例之立體結構示意圖；在本實施例，變形監測環8之結構形式較佳是例如但不限於：特定角度切口圓弧結構，如第5圖與第6圖所揭示的變形監測環8，是帶有90°度切口角度的90°度角切口83的270°度圓弧結構84，切口角度可依現場需求調整並不限定於90°度。
舉例來說，在某一實施例中，切口角度是配合工作井22的直徑而調整，當工作井22直徑介於10公分之間時，變形監測環8可製做為帶有90°度角切口角度的90°度角切口圓弧結構，變形監測環8在切口處所減少之體積，可做為工作井22回填粒料輸送管之配置空間，並做為輸送管上下運動之導軌。
在某一實施例中，本發明地層變形監測系統300中包含一組地層變形監測裝置200，地層變形監測裝置200包含工作管10、變形監測環8、應變光纜6、溫度光纜7與摩擦增強件9等。
在某一實施例中，本發明地層變形監測裝置200的組裝，較佳係預先將多個摩擦增強件9固定到應變光纜6上，並將變形監測環8套入工作管10之外側面101，再依序將應變光纜6固定到變形監測環8應變光纜固定槽17中，形成一個臨時的地層變形監測總成，由於地層變形監測總成之總長度較長，因此上述地層變形監測總成也可採分段組裝，溫度光纜7較佳可等待地層變形監測總成在工作井22中安裝完成後，再垂放至工作管10的內管空間，並一路垂放至工作井22底部，而形成地層變形監測裝置200。
在某一實施例中，本發明地層變形監測系統300的安裝，較佳係預先在目標地層20中開設深入目標地層20的工作井22，工作井22的深
度較佳係介於100公尺到1000公尺或者更深，再將地層變形監測裝置200包含的工作管10連同依附於其上的元件包含變形監測環8、應變光纜6與摩擦增強件9等，放入工作井22之中，並於工作管10中投放溫度光纜7，最後回填工作井22而將整組地層變形監測裝置200安裝且嵌入於目標地層20中。
在某一實施例中，目標地層20較佳是由例如但不限於：第一不透水層12、壓縮土層13、第二不透水層14以及透水層19等組成，工作管10與其總成將需要穿過地表面21與地下水位面11，本發明提出的地層變形監測裝置、系統與方法，無論對於短期或長期地層變形監測皆可提供極佳的監測效果，尤其適用於沉陷速率較大之場址，例如但不限於沉陷速率大於30mm/yr的台灣中部。
小結而言，本發明係關於一種利用布里淵光時域反射儀或分析儀(BOTDR/A)量測固定於變形監測環之應變光纜，當彼此相鄰之變形監測環，受地層土壤壓縮或膨脹例如但不限於上浮，將引致應變光纜之初始布里淵頻移發生變化，以及地溫變化所導致溫度光纜之初始布里淵頻移改變，其中溫度光纜可做為應變光纜之溫度補償，再經由布里淵頻移與應變、溫度之變化關係轉換與相關數學計算，可連續監測地層中，每一深度土層之沉陷及溫度變化。
在不考慮溫度的變化影響之下，ν B 、n、E、μ和ρ均視為應變的函數，公式(1)為表示應變與布里淵頻移的關係：
其中，ν B 為布里淵頻率飄移量、n為光纖折射係數、E為光纖
彈性模數、μ為光纖之泊松比、ρ光纖之密度。因此，小應變的情況下，在ε=0處，對公式(1)作泰勒展開，精確到ε的一次項，經過一系列的轉換，可得到
ν B (ε)=ν B0[1+(△n ε +△E ε +△μ ε +△ρ ε )ε] 公式(2)
公式(2)中，ν B0為初始布里淵頻率飄移量，對於某一已知的光纖，△n ε 、△E ε 、△μ ε 及△ρ ε 均為常數，令頻-應變係數C ε =△n ε +△E ε +△μ ε +△ρ ε ，該係數可由實驗室進行率定，則公式(2)可改寫為
ν B (ε)=ν B0(1+C ε ε) 公式(3)
在不考慮應變的影響之下，ν B 、n、E、μ和ρ均視為溫度的函數，公式(4)為溫度與布里淵頻移的關係：
在溫度變化較小時，同理可得到：
ν B (T)=ν B0(1+C T T) 公式(5)
公式(5)中，C T 為頻移-溫度係數，若同時考慮應變與溫度對布里淵頻移的影響，公式(3)及公式(5)可得
當應變光纜6及溫度光纜7與相關量測裝置安裝完成後，可藉由BOTDR/A解讀儀2量測到應變光纜6及溫度光纜7，各自t=0未發生沉陷之初始布里淵頻率飄移量，將如公式(7)及公式(8)：
ε 0=ν B (ε 0 ,T 0) 公式(7)
ε T0=ν B (T 0) 公式(8)
其中，公式(7)係應變光纜6之初始應變量，為當下外在應力及溫度對於應變光纜6所導致之布里淵頻率飄移量；公式(8)係溫度光纜7之初始應變量，為當下溫度對於溫度光纜7所導致之布里淵頻率飄移量。
第7圖係揭示本發明地層變形監測方法用於量測地表總沉陷量之計算原理示意圖；當相關沉陷裝置安裝完成後，此時，地表還未發生沉陷t=0，其每一變形監測環8初始間隔為L長度，在此狀態下，透過BOTDR/A解讀儀2可量測到每一相鄰變形監測環8，在扣除溫度影響之下之初始應變量。並由監測鑽井底部開始計算，如[(ε 0 ) 1 -(ε T0 ) 1 ] t=0 代表地表還未發生沉陷t=0，第一個相鄰變形監測環8，扣除溫度影響之初始應變量，其中(ε 0 ) 1 為應變光纜6未受到地層沉陷或上浮影響下，所反應之第一個相鄰變形監測環8之初始平均應變量；(ε T0 ) 1 為由溫度光纜7因當下溫度，造成第一個相鄰變形監測環8之初始溫度應變量。依此類推，可得到第1至第N個，t=0之初始應變量數值(ε i,0 ) t =0，如公式(9)：
(ε i,0 ) t=0=[(ε 0) i -(ε T0) i ] t=0 i=1~N 公式(9)
因此，當地層發生沉陷或上浮現象之時間t=n，此時，地層中每一相鄰變形監測環8之間隔長度會發生改變，並帶動固定於變形監測環8之應變光纜6產生拉伸或壓縮應變，如[(ε C ) 1 -(ε TC ) 1 ] t=n 為受到地層沉陷或上浮作用下時間t=n，第一個相鄰變形監測環8，扣除溫度影響之當時應變量。其中(ε C ) 1 為應變光纜6，受到地層沉陷或上浮影響下，所反應之第一個相鄰變形監測環8之當時平均應變量；(ε TC ) 1 為由溫度光纜7，因當時溫度，造成第一個相鄰變形監測環8之當時溫度應變量。依此類推，可得到t=n，第1至第N個之當時應變量數值(ε i,C ) t=n ，如公式(10)：
(ε i,C ) t=n =[(ε C ) i -(ε TC ) i ] t=n i=1~N 公式(10)
由第1至第N個，時間t=n之當時應變量數值，分別乘以變形監測環8之初始間隔長度L i ，除可辨別地層不同深度之變化行為與變化量，如壓縮量、膨脹量，其計算方程式為公式(11)。
再將其累加計算後，即可求得t=n之當時地層總變位量△total，如公式(12)及公式(13)，其計算出之總變位量，正值代表地層發生上浮，負值代表地層發生沉陷：
第8圖係揭示本發明布里淵頻移相對於應變光纜位移量之率定圖；第9圖係揭示本發明布里淵頻移相對於溫度光纜溫度之率定圖；由第8圖與第9圖所揭露的率定關係可發現，在應變光纜6之變形量或位移量(單位mm)介於0~6mm之間，以及溫度光纜7之溫度(單位℃度)介於20℃~60℃之間，布里淵頻移相對於光纜之位移量以及溫度變化，呈現相當規律的線性關係，且反應靈敏與明確，當應用於監測目標地層20之位移量與溫度時，應變光纜6之位移量即代表地層位移量，溫度光纜7之溫度即代表地層溫度。
在某一實施例中，本發明提出一種利用布里淵光時域反射/
分析儀(BOTDR/A)聯合其它相關量測裝置，如應變光纜、溫度光纜、光纖沉陷環、摩擦隼、限制隼及導軌等，用於監測地層中連續沉陷或上浮變化之量測方法，其特點在於利用BOTDR/A解讀儀器，量測一連串等間隔附於或套入PVC導管，每一光纖沉陷環之相對滑動變化量，其中每一光纖沉陷環之相對滑動變化量為藉由固定於光纖沉陷環的應變光纜，因地層沉陷或上浮現象，帶動光纖沉陷環沿PVC導管滑動，進而使得應變光纜產生拉伸或壓縮應變量，並透過溫度光纜消除溫度所導致之溫度應變量，再透過每一光纖沉陷環，所對應之當時應變量扣除其初始應變量，並乘以光纖沉陷環之初始間隔長度，可求得不同深度，所對應之壓縮或上浮量，再將每一光纖沉陷環之變化量累加計算，即可求得當時地層總沉陷或上浮量。
光纖沉陷環初始間隔長度可依照現地地層深度與特性做調整，不限於特定長度，能夠更貼近實際使用；光纖沉陷環之樣式，亦能配合現地PVC導管的口徑做尺寸上的變更，可分為兩種樣式一為無開口角度，另一為90°度之開口角度(可依照需求調整角度)，當監測鑽井孔徑介於10公分之間時，90°度開口角度的光纖沉陷環其缺口處所減少之體積，可提供監測鑽井回填粒料輸送管之配置空間，並作為輸送管上下運動之導軌。安裝過程中，光纖沉陷環可由PVC導管之側向直接附掛，以減少繁瑣安裝動作。其中光纖沉陷環滑動接觸面採一圓弧形狀設計，為減少光纖沉陷環與PVC導管間之摩擦力。
固定於PVC導管之光纖沉陷環導軌及限制隼，目的為確保每一光纖沉陷環能夠沿同一方向進行滑移動作，並防範應變光纜因地層過大之沉陷或上浮量，超過應變光纜之容許拉應力，使其發生斷裂，以避免監
測系統無法繼續運作；於每一適當間隔固定於應變光纜上之光纖沉陷環摩擦隼，其目的為增加應變光纜與地層土壤間之摩擦力。
本發明可實現單一監測井下，長距離量測地層中多點沉陷或上浮變化之量測裝置，及免除人為誤差問題以增加資料準確度，並大幅降低建置成本，藉由得到連續性的沉陷或上浮資料，準確判釋地層內部發生沉陷或上浮之機制，以提供相關管理單位後續因應方法之依據。
在某一實施例，本發明提出一種連續量測多層地層下陷或上浮量，係利用布里淵光時域測量技術之原理以及BOTDR/A解讀儀器，量測該裝置於各土層之感測器產生之光纖材料折射特徵，以計算出隨時間產生之沉陷量的BOTDR/A沉陷感測裝置。
所述BOTDR/A沉陷感測裝置包含有：固定間距多個光纖沉陷環，環上設有應變光纜固定凹槽，以膠合材料固定應變光纜，使應變光纜形成U型迴路，當地層發生沉陷或上浮現象，地層中每一相鄰光纖沉陷環之間隔長度會發生改變，並帶動固定於光纖沉陷環之應變光纜產生拉伸或壓縮應變；連接光纖沉陷裝置的BOTDR/A解讀儀器，透過光纖連接線與BOTDR/A解讀儀器相互連接，再透過攜帶型電腦經由訊號傳輸線控制BOTDR/A解讀儀器，以擷取應變光纜與溫度光纜隨監測井深度變化之布里淵頻移改變量，最後，經由布里淵頻移與應變、溫度之變化關係轉換與相關數學計算。
較佳的，所述BOTDR/A沉陷感測裝置另包含有：固定間距多個摩擦隼，用以增加應變光纖與地下土層之摩擦力；多個光纖沉陷環導軌及限制隼，固定於PVC導管上，目的為確保每一光纖沉陷環能夠沿同一
方向進行滑移動作，並防範應變光纜，因地層過大之沉陷或上浮量，超過應變光纜之容許拉應力，使得應變光纜發生斷裂，以避免監測系統無法繼續運作。
較佳的，所述光纖沉陷環可分為兩種樣式，其一為無開口角度，另一為有開口角度，當監測鑽井孔徑介於10公分之間時，建議使用開口角度為90°度的光纖沉陷環，其缺口處所減少之體積，可提供監測鑽井回填粒料輸送管之配置空間，並作為輸送管上下運動之導軌。安裝過程中，光纖沉陷環可由PVC導管之側向直接附掛，以減少繁瑣安裝動作。
較佳的，所述光纖沉陷環包含以下結構：光纖沉陷環可為圓形或多邊形；光纖沉陷環材質可為金屬、木質、聚合物等；光纖沉陷環開口角度可為0~180度；光纖沉陷環滑動接觸面，採圓弧或多邊形狀設計，為減少光纖沉陷環與PVC導管間之摩擦力；應變光纜固定凹槽，採偶數倍配置，使得應變光纜成為U型迴路路徑。
較佳的，所述BOTDR/A沉陷感測裝置另包含有：戶外防水型光纖收容盒；攜帶型電腦；訊號傳輸線；光纖連接線；PVC導管；應變光纜；以及溫度光纜。
在某一實施例，本發明提出一種連續量測多層地層沉陷或上浮之方法，係利用BOTDR/A解讀儀器，量測一連串等間隔附於或套入PVC導管，每一光纖沉陷環之相對滑動變化量，其中每一光纖沉陷環之相對滑動變化量為藉由固定於光纖沉陷環的應變光纜，因地層沉陷或上浮現象，帶動光纖沉陷環沿PVC導管滑動，進而使得應變光纜產生拉伸或壓縮應變量，並透過溫度光纜消除溫度所導致之溫度應變量，再透過每一光纖沉陷
環，所對應之當時應變量扣除其初始應變量，並乘以光纖沉陷環之初始間隔長度，可求得不同深度，所對應之壓縮或上浮量，再將每一光纖沉陷環之變化量累加計算，即可求得當時地層總沉陷或上浮量。
較佳的，所述應變光纜與布里淵頻移變化關係，係在固定室溫環境條件下，將適當長度，通常為1公尺之應變光纜固定於線性滑移平台，其中一端為固定，另一端可透過線性滑移平台帶動應變光纜產生等量應變改變量，其測試次數為例如但不限於至少10次以上或者更多，並記錄不同等量應變改變量所對應之布里淵頻移變化數值，經由數值回歸計算，可求得應變光纜之應變改變量與布里淵頻移變化之關係式。
較佳的，所述溫度光纜與布里淵頻移變化關係，係在一無受力或無應變環境境條件下，將一適當長度，通常為1公尺以上之溫度光纜放置於可精準控溫的恆溫測試箱或加溫水槽，透過恆溫測試箱或加溫水槽之等量溫度變化，用以紀錄不同等量溫度改變量所對應之布里淵頻移變化數值，其試驗次數為例如但不限於至少10次以上或者更多，再經由數值回歸計算，可求得溫度光纜之應變改變量與布里淵頻移變化之關係式。
第10圖揭示本發明地層變形監測方法之實施步驟流程圖；小結而言，本發明地層變形監測方法500，較佳包含但不限於下列步驟：在目標地層中開設工作井(步驟501)；將複數變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於工作管之外側面(步驟502)；將至少一應變光纜固定於該等變形監測環上而將該至少一應變光纜可移動地裝配於該工作管上(步驟503)；選擇性地將複數摩擦增強件以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上(步驟504)；將至少該工作管放入該工作井並回填該工作
井，以將至少該工作管係埋入於該目標地層之中(步驟505)；在該工作管內垂放至少一溫度光纜(步驟506)；以及量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻移，俾據以計算該目標地層之變形、應變量或溫度(步驟507)。
本發明以上各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，茲進一步提供更多本發明實施例如次：
實施例1：一種地層變形監測裝置，其包含：工作管，其具有外側面以及內管空間，並埋入目標地層；複數變形監測環，每一該等變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管之該外側面；以及至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面。
實施例2：如實施例1所述之地層變形監測裝置，還包含以下其中之一：該工作管經由放入工作井而埋入該目標地層；至少一溫度光纜，其配置於該內管空間；複數摩擦增強件，每一該等摩擦增強件係以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上；線性導軌，其固定於該工作管之該外側面並提供線性路徑，該等變形監測環透過裝配於該線性導軌上產生線性移動，而可移動地裝配於該工作管之該外側面，其中該線性路徑的方向係平行於該工作管之長軸方向；限動器，其固定於該工作管之該外側面並提供限動範圍，該等變形監測環透過裝配於該限動器上，而侷限在該限動範圍中移動，並可移動地裝配於該工作管之該外側面；光纖收容盒，其係配置於該目標地層之地表處，並收納該至少一應變光纜與該至
少一溫度光纜；解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接以及該至少一溫度光纜之一端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之頻移；以及運算裝置，其電連接該解讀儀，並基於布里淵光時域量測技術而根據該頻移計算該目標地層之變形、應變量或溫度。
實施例3：如實施例2所述之地層變形監測裝置，其中每一該等變形監測環還包含以下其中之一：該變形監測環具有與該目標地層之土壤直接接觸的外側以及內側；複數摩擦環，其係以環向配置的方式環繞形成並凸出於該外側上，該等摩擦環形成的環狀平面其法向量平行於該長軸方向；複數應變光纜固定槽，其係設置於該外側上，並採偶數倍之數量而配置，且平行於該長軸方向與垂直於該環向配置；複數滑條結構，其係形成與凸出於該內側，以及平行於該長軸方向與垂直於該環向配置，且沿該線性導軌提供的該線性路徑而作動，並受限於該限動器；以及特定角度切口，以供配置回填粒料輸送管或輸送管。
實施例4：如實施例2所述之地層變形監測裝置，其中該等摩擦增強件係埋入於該目標地層以增加該至少一應變光纜與該目標地層間的摩擦。
實施例5：如實施例2所述之地層變形監測裝置，其中該工作管之材質係選自聚氯乙烯(PVC)材料或工程塑膠，該運算裝置係為攜帶型電腦或筆記型電腦。
實施例6：一種地層變形監測系統，其包含：工作管，其具有外側面以及內管空間，並埋入目標地層；複數變形監測環，每一該等變
形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管之該外側面；至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面；以及解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜內部散射光之頻移。
實施例7：如實施例6所述之地層變形監測系統，還包含以下其中之一：該工作管經由放入工作井而埋入該目標地層；至少一溫度光纜，其配置於該內管空間；複數摩擦增強件，每一該等摩擦增強件係以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上；光纖收容盒，其係配置於該目標地層之地表處，並收納該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜；該解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接以及該至少一溫度光纜之一端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻移；以及運算裝置，其電連接該解讀儀，並基於布里淵光時域量測技術而根據該頻移計算該目標地層之變形、應變量或溫度。
實施例8：一種地層變形監測方法，其包含：將複數變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於工作管之外側面；將至少一應變光纜固定於該等變形監測環上而將該至少一應變光纜可移動地裝配於該工作管上；將至少該工作管係埋入於目標地層之中；以及量測該至少一應變光纜內部散射光之頻移，俾據以計算該目標地層之變形。
實施例9：如實施例8所述之地層變形監測方法，還包含以下步驟其中之一：在該工作管中投放溫度光纜；將複數摩擦增強件以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上；在該目標地層中開設工
作井；將至少該工作管、該至少一應變光纜、該等變形監測環以及該等摩擦增強件放入該工作井；回填該工作井，而將至少該工作管、該至少一應變光纜、該等變形監測環以及該等摩擦增強件埋入於該目標地層之中；以及量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻移，俾據以計算該目標地層之該變形、應變量或溫度。
實施例10：如實施例9所述之地層變形監測方法，還包含以下步驟其中之一：使解讀儀與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接以及該至少一溫度光纜之一端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之頻移；以及使運算裝置電連接該解讀儀，並基於布里淵光時域量測技術而根據該頻移計算該目標地層之該變形、該應變量或該溫度。
本發明各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，本發明保護範圍之界定，悉以本發明申請專利範圍所記載者為準。
300:本發明地層變形監測系統
1:運算裝置
2:BOTDR/A解讀儀
3:戶外防水型光纖收容盒
4:訊號傳輸線
5:光纖連接線
6:應變光纜
7:溫度光纜
8:變形監測環
9:摩擦增強件
10:工作管
101:外側面
102:長軸方向
11:地下水位面
12:第一不透水層
13:壓縮土層
14:第二不透水層
19:透水層
20:目標地層
21:地表面
22:工作井
Claims (10)
- 一種地層變形監測裝置，其包含：一工作管，其具有一外側面以及一內管空間，並埋入一目標地層；複數變形監測環，每一該等變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管之該外側面；至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面；一解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜內部之布里淵散射之一頻移；以及一運算裝置，其電連接該解讀儀，並基於一布里淵光時域量測技術而根據該頻移計算該目標地層之一變形或一應變量。
- 如請求項1所述之地層變形監測裝置，還包含以下其中之一：該工作管經由放入一工作井而埋入該目標地層；至少一溫度光纜，其配置於該內管空間；複數摩擦增強件，每一該等摩擦增強件係以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上；一線性導軌，其固定於該工作管之該外側面並提供一線性路徑，該等變形監測環透過裝配於該線性導軌上產生線性移動，而可移動地裝配於該工作管之該外側面，其中該線性路徑的方向係平行於該工作管之一長軸方向；一限動器，其固定於該工作管之該外側面並提供一限動範圍，該等變形監測環透過裝配於該限動器上，而侷限在該限動範圍中移動，並可 移動地裝配於該工作管之該外側面；一光纖收容盒，其係配置於該目標地層之地表處，並收納該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜；以及該解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接以及該至少一溫度光纜之一端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻移。
- 如請求項2所述之地層變形監測裝置，其中每一該等變形監測環還包含以下其中之一：該變形監測環具有與該目標地層之土壤直接接觸的一外側以及一內側；複數摩擦環，其係以一環向配置的方式環繞形成並凸出於該外側上，該等摩擦環形成的一環狀平面其法向量平行於該長軸方向；複數應變光纜固定槽，其係設置於該外側上，並採偶數倍之數量而配置，且平行於該長軸方向與垂直於該環向配置；複數滑條結構，其係形成與凸出於該內側，以及平行於該長軸方向與垂直於該環向配置，且沿該線性導軌提供的該線性路徑而作動，並受限於該限動器；以及一特定角度切口，以供配置一回填粒料輸送管或一輸送管。
- 如請求項2所述之地層變形監測裝置，其中該等摩擦增強件係埋入於該目標地層以增加該至少一應變光纜與該目標地層間的摩擦。
- 如請求項2所述之地層變形監測裝置，其中該工作管之材質係選自一聚氯 乙烯(PVC)材料或一工程塑膠，該運算裝置係為一攜帶型電腦或一筆記型電腦。
- 一種地層變形監測系統，其包含：一工作管，其具有一外側面以及一內管空間，並埋入一目標地層；複數變形監測環，每一該等變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於該工作管之該外側面；至少一應變光纜，其透過固定於該等變形監測環上而可移動地裝配於該工作管之該外側面；一解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜內部之布里淵散射之一頻移；以及一運算裝置，其電連接該解讀儀，並基於一布里淵光時域量測技術而根據該頻移計算該目標地層之一變形、一應變量或一溫度。
- 如請求項6所述之地層變形監測系統，還包含以下其中之一：該工作管經由放入一工作井而埋入該目標地層；至少一溫度光纜，其配置於該內管空間；複數摩擦增強件，每一該等摩擦增強件係以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上；一光纖收容盒，其係配置於該目標地層之地表處，並收納該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜；以及該解讀儀，其係與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接以及該至少一溫度光纜之一端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻移。
- 一種地層變形監測方法，其包含：將複數變形監測環以等間隔或不等間隔的方式，可移動地裝配於一工作管之一外側面；將至少一應變光纜固定於該等變形監測環上而將該至少一應變光纜可移動地裝配於該工作管上；將至少該工作管係埋入於一目標地層之中；量測該至少一應變光纜內部散射光之一頻移，俾據以計算該目標地層之一變形；使一解讀儀與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜內部之布里淵散射之一頻移；以及使一運算裝置電連接該解讀儀，並基於一布里淵光時域量測技術而根據該頻移計算該目標地層之該變形、該應變量或該溫度。
- 如請求項8所述之地層變形監測方法，還包含以下步驟其中之一：在該工作管中投放一溫度光纜；將複數摩擦增強件以等間隔或不等間隔的方式，固定於該至少一應變光纜上；在該目標地層中開設一工作井；將至少該工作管、該至少一應變光纜、該等變形監測環以及該等摩擦增強件放入該工作井；回填該工作井，而將至少該工作管、該至少一應變光纜、該等變形監測環以及該等摩擦增強件埋入於該目標地層之中；以及量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻 移，俾據以計算該目標地層之該變形、一應變量或一溫度。
- 如請求項9所述之地層變形監測方法，還包含：使該解讀儀與該至少一應變光纜之兩端產生直接連接或間接連接以及該至少一溫度光纜之一端產生直接連接或間接連接，以量測該至少一應變光纜與該至少一溫度光纜內部散射光之該頻移。
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