WO2011012406A1 - Vorrichtung und verfahren zum ortsaufgelösten erfassen von bodenbewegungen - Google Patents

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WO2011012406A1
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optical
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fiber optic
sensor
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Karl-Heinz Haase
Eckart Hurtig
Stephan Grosswig
Wolfgang Berger
Ute Büchner
Enrico Scholz
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Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
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    • G01B2210/66—Rock or ground anchors having deformation measuring means

Definitions

  • the invention relates to a device for spatially resolved detection of ground movements according to claim 1 and a method for spatially resolved detection of ground movements according to claim 10.
  • monitoring methods for monitoring near-surface deformations using fissure radiometers, wire tensimeters, tilt meters, or aerial image analysis, as well as pest-dependent deformation monitoring methods using inclinometers, extensometers and seismo- acoustics methods, as well as groundwater monitoring methods under execution a pore water pressure measurement and environmental monitoring method by geophysical and meteorological methods, in particular for monitoring precipitation amounts, temperatures and air pressure through weather stations.
  • a first possibility is to use inclinometers that work on the principle of an angle gauge. These are used for determining the position of gliding zones with respect to the speed and direction of movement, as well as for determining the stability and instability of slopes.
  • the measuring devices are fixed in position, for example on a building or in a borehole.
  • Laid-open specification DE 10 2005 049 153 A1 discloses a tilt determination by means of a capacitive position sensor mounted in an inclinometer.
  • two electrodes are fixedly connected to a sensor housing, while a third freely centered between the two.
  • the distance between the electrodes is reduced or increased.
  • the inclination direction can be determined by an electrical capacitance change.
  • the document DE 695 06 088 T2 describes an inclinometer with a double pendulum.
  • two pendulums with two transverse arms are prevented.
  • a wire is freely pendulum attached.
  • a weight attached to the lower end of the wires is partially suspended in a liquid to provide sufficient damping of the pendulum against jerky earth mass movements.
  • One of the cross arms of the device is for the stability of the system and is also equipped with an LVDT converter. At a slope of the slope of the transverse arm shifts in the converter, and the resulting change in position is detected electronically.
  • German patent DE 39 32 053 C2 describes an inclinometer device in which the pendulums are prevented from deflecting by means of servo-accelerometers when the inclination is changed.
  • the pendulums are fixed so that they can deflect only in one direction.
  • the accelerators prevent the change in position when tilted by an applied electrical voltage. This is proportional to the occurring angle change.
  • the mentioned inclinometer devices are all characterized by a sophisticated measuring technology.
  • the execution of a Bodenü monitoring using Inklinometerketten is so expensive and is extremely expensive if many Einzelinklinometer must be integrated into the chain.
  • extensometers and dilatometers installed in boreholes are also used. These measure the deformation or deformation Floor availability with respect to an apparatus-defined axis and provide information about a change in location within soil layers, for example, within an embankment.
  • a complex probe disclosed in the published patent application DE 277 339 A1 permits a continuous monitoring of areas at risk of sliding and the detection of various influencing factors.
  • the probe is compact and equipped with various sensors. These measure sliding noise and crack formation by means of seismo-acoustic sensors, deformations by inclination sensors, water columns by means of pressure sensors as well as temperatures and magnetic fields.
  • Such a probe is only to be used with appropriate factors properly used.
  • a precise recording of the values is only given if the transducers are mounted in a correct position. For example, the water pressure generator must necessarily be arranged below the respective groundwater level. Due to these factors, measurements with such a complex probe are only locally feasible.
  • the object is achieved on the device side with a device for spatially resolved detection of ground movements with the features of claim 1 and with regard to their method aspect with a method for the tine-resolved detection of ground movements according to the teaching of claim 9.
  • the respective subclaims relate to expedient and / or advantageous embodiments of the device or of the method.
  • an initially flowable and then self-compacting filling material introduced into at least one borehole is provided with an optical fiber arrangement embedded in the filler material for forming a fiber-optic length sensor and / or a fiber-optic strain and shear sensor chain.
  • the optical waveguide arrangement comprises at least one first optical waveguide for forming a fiber-optic length sensor and / or at least one second optical waveguide with fiber Bragg gratings for forming a fiber-optic expansion and shear sensor chain.
  • the light guide arrangement thus registers changes in length of the arbitrarily oriented borehole and / or shear and expansion movements which take place transversely to the borehole axis or cause a curvature of the borehole axis.
  • the light guide arrangement includes at least one optical waveguide for forming a length sensor. This may include additional fiber Bragg gratings to build a strain and shear sensor.
  • a great advantage of the structure according to the invention continues to be that it can be dispensed with the introduction of pipes per se.
  • the device can thus be installed in a comparatively short time. Additional piping can be omitted.
  • the fiber optic strain and shear sensor chain expediently has at least one first fiber Bragg grating with a first reference wavelength at a first depth and at least one second fiber Bragg grating with a second reference wavelength at a second depth.
  • the fiber optic length sensor can be designed in various ways.
  • the optical waveguide of the fiber optic length sensor has a loop-shaped course and is connected to a transit time measurement arrangement for light signals.
  • the optical waveguide of the fiber-optic length sensor is provided with a measuring arrangement comprising an optical signal connected via a signal receiver for measuring a backscatter signal from the optical waveguide.
  • the optical waveguide according to the first embodiment is thus designed to register changes in length by means of a transit time measurement of a light signal, the optical waveguide according to the further embodiment for registering changes in length by means of an intensity measurement of a backscatter signal.
  • a multi-mode or a single-mode conductor can be used as a fiber optic cable for the fiber optic length sensor.
  • the optical fiber for the fiber optic strain and shear sensor chain is suitably in the form of a single-mode conductor.
  • the method for spatially resolved detection of ground movements is realized according to the invention as follows.
  • a plurality of fiber optic length sensors with different lengths and / or a strain and shear sensor arrangement with a multiplicity of fiber Bragg gratings arranged at different depths are expediently provided. Reference wavelengths were arranged in the borehole. Dad urch can be performed with the fiber optic bundle a teufenaufgeloeste length measurement and strain and shear measurement.
  • the optical measurement of the change in length takes place as an optical transit time measurement.
  • a harmonically modulated optical signal is coupled into a trained as a loop fiber optic length sensor and determines the duration of the optical signal by means of a phase detection.
  • the optical measurement of the change in length is performed as a backscatter measurement.
  • a changed intensity of a backscatter signal is determined from the optical waveguide and determined therefrom a value for a change in length.
  • a wavelength of a light reflected back to the respective fiber Bragg grating light signal is determined, wherein a mechanical change of the fiber Bragg grating as a change in the wavelength of the reflected light signal relative to a reference wavelength of the fiber Bragg grating is registered.
  • Fig. 1 shows a borehole, which has been introduced into a ground area, with filling material and an optical fiber bundle,
  • Fig. 2 is a more detailed view of a section of the expansion
  • FIG. 3 shows an exemplary representation of the measuring principle of the strain and shear sensor chain
  • Fig. 4 shows another example of the measuring principle of the strain
  • Fig. 5 shows an exemplary basic structure for the fiber optic
  • FIG. 6 shows a plurality of optical waveguides laid for a fiber-optical length measurement in a measuring section
  • FIG 9 shows an exemplary probe field for ground monitoring.
  • FIG. 1 shows a borehole 1 introduced into a ground area.
  • the borehole is provided with a filling material 2.
  • the filling material serves to stabilize and thus as a carrier material for an optical fiber bundle 3 embedded therein.
  • the optical fiber bundle can consist of a plurality of optical fibers or even contain only a single optical fiber.
  • a splitter and distributor unit not shown here, is provided, which acts on the optical fiber on the one hand with different light signals and separates the resulting measuring signals from one another and provides different evaluation routines as input.
  • the backfill material has mechanical properties similar to those of the piling soil, in particular the backfill material has similar mechanical properties. chanical characteristics.
  • a suitable soil mortar can be used.
  • the backfill material is spade detachable.
  • the filling material is underpinned by its nature and therefore does not cure completely.
  • glass fibers or optical fibers based on glass fibers can only be used up to expansions of about 2% due to their mechanical properties, with larger strains leading to a rupture of the glass optical fibers.
  • the filling material reduces large ground movement such that the bundle of light guides the filling material during such movements.
  • the fibers of the optical fiber bundle only partially carry over a certain extent beyond ground movements, they are therefore less stretched and remain functional even under these conditions. For smaller ground movements, however, such a cutting does not take place.
  • Such ground movements are completely transferred to the fiber optic bundle by the filling material. In this case, the effect of the static friction between the filling material, in particular the floor mortar, and a coordinated material coating on the optical fiber bundle is utilized.
  • polymer fibers can also be used for the optical fiber bundle. These can be used for significantly greater strains, but these have a high damping and can therefore only be used for shorter distances.
  • the optical fiber bundle 3 basically consists of two fiber components.
  • a first component is formed by a plurality of optical waveguides 4. These each form a fiber-optic length sensor with different basic lengths.
  • a second component of the optical fiber bundle is designed in the form of an optical waveguide 5. This contains a chain of fiber Bragg gratings 6.
  • Each of the individual fiber Bragg gratings represents an optical strain and shear sensor for a certain depth of the borehole 1.
  • the arrangement of the optical waveguide and the fiber Bragg gratings make one fiber optic strain and shear chain 7, which extends along the entire wellbore.
  • FIG. 2 shows a detail of the fiber-optic expansion and shear sensor chain 7.
  • three fiber Bragg gratings 6 are arranged by way of example here. These are lined up on different sections of the optical waveguide 5 and thus arranged in the borehole at different depths T 1 to T n .
  • the optical waveguide has a so-called gladding with a refractive index rii and a core with a refractive index n 2 . It is the
  • the refractive index of the core is modulated in the propagation direction of the light.
  • the refractive index n 2 alternates with regions having a refractive index n 3 .
  • the optical layer system thus formed corresponds optically to a series of antireflection coatings with low refractive index differences.
  • the fiber Bragg grating formed in this way has a high reflectivity for light with a reference wavelength ⁇ ref that is excellent for this optical system, depending on the structure of the layer system, in particular on the period length of the different refractive indices n 2 and n 3 .
  • White light with a continuous wavelength distribution ⁇ K ⁇ nt is thereby monochromatically reflected with the respective reference wavelength ⁇ ref , with the remaining light component from the continuous spectrum passing through the single fiber Bragg grating essentially unattenuated.
  • each individual fiber Bragg grating 6 within the chain 7 is distinguished by its own reference wavelength ⁇ re fi, ⁇ re f 2 and ⁇ re f3. These are each arranged on their own Teufe Ti, T 2 and T 3 .
  • FIG. 3 schematically shows the measuring principle for the expansion and shear sensor chain 7. Shearing or stretching on a shear plane S within a certain depth influences the fiber Bragg grating 6 of the optical waveguide 5 located there , Compression or shear, the optical fiber is deformed by an amount proportional to a given distance ⁇ x. The layer structure of the fiber Bragg grating 6 located there is influenced by this. The fiber Bragg grating no longer reflects the incident light at its reference wavelength ⁇ re f but with a wavelength that is shifted from the reference wavelength by an amount ⁇ .
  • the reference wavelength ⁇ re f3 of the fiber Bragg grating is shifted to the depth T 3 by an amount ⁇ ref3 . This is the depth S of the deformation .DELTA.x in the range of Teufe T 3rd
  • the detection is carried out by 8 white light generated via a white light source and coupled into the optical waveguide 5.
  • the light reflected back from the optical waveguide is spectrally analyzed (9).
  • the displacements of the reference wavelengths ⁇ ref i to ⁇ ref3 in an evaluation unit, in particular a PC with a corresponding evaluation program are checked and output, whereby the depth of a ground movement and its strength can be determined.
  • Fig. 4 shows another example of this. In the example shown here ten fiber Bragg gratings and thus ten strain and shear sensors G l to G lO are provided.
  • the optical waveguide 5 is connected by means of an optical connecting line 11 with the measuring technique, not shown here, ie the arrangement of white light source and spectrometer.
  • the distance between the individual strain and shear sensors is approx. 1 meter.
  • the fiber Bragg gratings inscribed in the glass fiber show a large strain only in the immediate vicinity of the shear zone. At a greater distance from the shear zone (about 2 meters), the fiber Bragg gratings remain unaffected.
  • a very narrow-band laser light is first generated by means of a special laser arrangement and tuned over a predetermined wavelength range.
  • a fiber Bragg grating chain is introduced concentrically into a D30 PVC pipe about 6 m long and filled with the aforementioned filling material. This tube is clamped on one side. At the free end of different loads are applied and both an elongation of the fiber Bragg gratings and their influence by a deflection of the tube is detected by measurement.
  • Fig. 5 shows an exemplary basic structure for the fiber optic length measurement.
  • a specially coated fiber-optic cable or a polymer cable is laid in an area to be monitored, in a hole filled with carrier material or a structure, the total length of which amounts to several to several hundred meters.
  • the accuracy of the optical path length measurement carried out with this cable is in the centimeter to sub-millimeter range.
  • the optical waveguide 4 of the fiber-optic length measuring sensor is laid in a loop shape.
  • the loop is sized so that its reversal point is at a given depth T within the borehole.
  • a light source 12 for example a laser unit
  • a light signal is generated which is modulated harmonically by a signal modulator 13.
  • the light signal enters the optical waveguide 4, passes through the loop and is then received by a detector 14, in particular a photoelement.
  • a phase detector 15 now determines a phase difference ⁇ between the light signal entering the input of the optical waveguide 4 from the signal modulator 13 and the signal received at the photoelement.
  • This phase difference depends on the transit time of the light within the loop of the optical waveguide and is thus proportional to the length of the optical waveguide and ultimately also to the specific depth T of the point of reversal of the loop.
  • a single optical waveguide whose length and therefore its depth T is known can thus be identified via the phase difference ⁇ . If this measurement is carried out with different modulation frequencies, the absolute length of the optical waveguide 4 and thus also the depth T can be determined therefrom.
  • Each of the individual optical waveguides has a known overall length. A change in the slope 17 taking place in the area S and a concomitant extension of the optical waveguide sweeping over this area lead to a change in length detectable on these conductors. All other light guides remain unaffected and thus provide no length change signal. In this way, the region S of the change in the slope can be narrowed, and even small changes in length in the mm and sub-mm range can be detected very sensitively with a length of the optical waveguide of several hundred meters.
  • an optical length measurement is also possible in the context of a backscatter method, which is not shown here in a figure.
  • the optical waveguide provided for this purpose is not designed as a loop. Rather, its laid in the well end has a mirror on.
  • the coupled into the optical fiber light passes through the conductor and is reflected at the end. From the intensity of the reflected light, the length of the conductor can then be determined at a known for the core of the optical waveguide extinction coefficient or from a known for the optical waveguide Dämpfu and outputted as a measured depth value.
  • Fig. Figure 7 shows an exemplary possible combination of various previously discussed fiber optic components.
  • the combination shown here combines a light guide FBG with a fiber Bragg grating according to the previously described type as well as several fiber optic length measuring devices.
  • fiber-optic devices based on glass fibers for a multi-mode ILMM operation as well as for a single-mode ILSM operation as well as an optical fiber ILPOF based on polymer fibers.
  • fiber optic devices are provided for length measurement in the backscatter mode.
  • this is a fiber optic based on polymer fibers OTDR POF and corresponding fiber based devices with a single mode OTDR SM and a multimode OTDR MM. These are all encapsulated in the aforementioned fill material.
  • Fig. 8 shows an exemplary ground probe 18 with the previously discussed fiber optic components incorporated therein.
  • the optical waveguides are surrounded in the non-sensitive region of the bottom probe with an insulation 18a.
  • the fiber optic optical waveguides are present as components of individual light guide cables 19, which are preferably made thin and flexible.
  • the upper, protruding from the bottom of the bottom probe part of the optical waveguide is combined to form a pigtail bundle 20 which is coupled via appropriate connectors to the respective measuring units 21 or to a corresponding interface.
  • FIG. 9 shows a probe field 23 constructed from a plurality of such bottom probes 18.
  • the bottom probes are in each case arranged according to the embodiment shown in FIG. 1 introduced principle. They do not necessarily have to be anchored vertically in the ground. It is also possible to drive them in a ground flank or they also according to the illustration of FIG. 6 parallel to the course of an embankment or a flank to drive.
  • each of the measuring points for the ground movements to be determined is unambiguously determined, both fiber-optically with respect to the depth and on the measuring field itself, by the number and position of the bore in the ground. In this way, three-dimensional overviews of the ground movements and directions of movement taking place in the measuring field can be obtained.
  • the deformation measurement can be combined with a method for spot or integral temperature measurement for temperature compensation.
  • a material with a temperature-dependent electrical resistance (eg electrical cable) is laid parallel to the optical waveguide, the total electrical resistance of which can be used for temperature compensation.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen. Die Vorrichtung umfasst ein in mindestens ein Bohrloch oder einen Graben (1) eingebrachtes fließfähiges und selbstverdichtendes Verfüllmaterial (2) mit einem in dem Verfüllmaterial eingebetteten Lichtleiter-Bündel (3) aus mindestens einem ersten Lichtwellenleiter (4) zu m Ausbilden eines faseroptischen Längensensors und/oder mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter (5) mit einem Faser-Bragg-Gitter (6) zu m Ausbilden einer ortsaufgelöst messenden faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette (7). Verfahrensseitig erfolgt ein Abteufen mindestens eines Bohrloches bzw. ein Ausheben eines Grabens (1) in einen Bodenbereich, ein Einbringen eines Lichtleiter-Bündels (3) mit mindestens einem faseroptischen Längensensor und/oder mindestens einer faseroptischen Dehnungs- und Schersensoranordnung aus einer Kette mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter (6), ein Einbringen eines Überdehnungsschutzes durch ein Verfüllen des Bohrlochs bzw. des Grabens mit einem fließfähigen und selbstverdichtenden Verfüllmaterial und ein optisches Messen einer Längenänderung an dem faseroptischen Längensensor und/oder ein Ausführen einer optischen Dehnungs- und Schermessung an der faseroptischen Dehnungs- und Schersensoranordnung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum ortsaufgelösten Erfassen von
Boden beweg u ngen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen nach Anspruch 10.
Bodenbewegungen, insbesondere Hangrutschungen an Böschungen, Ufern und vergleichbaren Orten, Senkungen, Kippen von Bodenbestandteilen, Gleiten von Boden- oder Felsmassen, Materialdriftungen und Fließen von Bodenabschnitten treten nicht als plötzliches, unerwartetes Ereignis auf. Sie kündigen sich lange vor dem Ereignis durch sehr geringfügige Bodenbewegungen im μm bis sub- mm-Bereich an. Diese sind nur mittels eines online-Dauermonitorings des rutschungsgefährdeten Gebietes frühzeitig detektierbar.
Zum frühzeitigen Erfassen von Bodenbewegungen und zum Überwachen von diesbezüg lichen Risikogebieten, beispielsweise Böschungen, sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Gebräuchlich sind Überwachungsverfahren zum Monitoring für oberflächennahe Deformationen unter Verwendung von Fissu- rometern, Drahtextensometern, Tiltmetern, oder einer Luftbildauswertung, weiterhin Überwachungsverfahren für teufenabhängige Deformationen u nter Verwendung von Inklinometern, Extensometern und Verfahren zu Seismo- akustik, ferner Verfahren zum Überwachen des Grundwassers unter Ausführen einer Porenwasserdruckmessung und Verfahren zur Umgebungsüberwachung durch geophysikalische und meteorologische Verfahren, insbesondere zum Verfolgen von Niederschlagsmengen, Temperaturen und Luftdruck durch Wetterstationen.
Sobald eine Bewegung des Bodens durch Oberflächenverfahren nicht messbar ist, werden Messverfahren innerhalb des Untergrundes notwendig, um dort Bodenbewegungen frühzeitig aufzuklären. Dabei ist zur Detektion einer zu erwartenden Gleit- bzw. Scherebene eine teufenaufgelöste Erfassung dieser sehr geringfügigen Bodenbewegungen in dem rutschungsgefährdeten Gebiet notwend ig . Für eine dreidimensionale Erfassung der Bodenbewegung ist ein möglichst sehr engmaschiges Netz von Einzelsensoren notwendig .
Um Bewegungen in tieferen Erdschichten kontinuierlich zu messen, ist bereits eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
Eine erste Möglichkeit dazu stel len Neigungsmesser (Inklinometer) dar, die nach dem Prinzip eines Winkelmessers funktionieren. Diese werden zur Positionsbestimmung von Gleitzonen bezüglich der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung, sowie zur Ermittlung von Stabilität und Instabilität von Böschungsbereichen angewendet. Die Messgeräte sind lagefest, beispielsweise an einem Bauwerk oder in einem Bohrloch, angebracht.
Die einfachste Art der Neigungsbestimmung funktioniert nach dem Arbeitsprinzip einer Wasserwaage. Dabei leitet ein sogenannter Lotfühler in Abhängigkeit der Neigung gegenüber der Horizontalen, ein elektrisches Signal an ein Auswertegerät. Bei einer in der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 35 930 Al offenbarten Form des Inklinometers werden Neigungen in Bohrlöchern durch abschnittsweises Abteufen über die komplette Tiefe des Bohrlochs erfasst. Per Datenkabel werden die benötigten Informationen der einzelnen Positionen im Bohrloch an die Auswertesoftware weitergeleitet.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2005 049 153 Al wird eine Neigungsbestimmung mittels eines in einem Inklinometer montierten kapazitiven Positionssensors offenbart. Bei einer derartigen Anordnung sind zwei Elektroden fest mit einem Sensorgehäuse verbunden, während eine dritte frei mittig zwischen beiden pendelt. Bei einer Lageveränderung verringert bzw. vergrößert sich der Abstand der Elektroden. Die Neigungsrichtung ist durch eine elektrische Kapazitätsänderung bestimmbar.
Die Druckschrift DE 695 06 088 T2 beschreibt ein Inklinometer mit einem Doppelpendel. Bei dieser Konstruktion sind zwei Pendel mit zwei Querarmen ver- bunden. In den beiden vertikalen Schenkelrohren ist jeweils ein Draht frei pendelnd befestigt. Ein am unteren Ende der Drähte befestigtes Gewicht hängt teilweise in einer Flüssigkeit, um eine ausreichende Dämpfung des Pendels gegenüber ruckartigen Erdmassenbewegungen zu gewährleisten. Einer der Querarme der Vorrichtung dient der Stabilität des Systems und ist auch mit einem LVDT-Wandler ausgestattet. Bei einer Neigung des Hanges verschiebt sich der Querarm im Wandler, und die daraus resultierende Lageveränderung wird elektronisch erfasst.
Das deutsche Patent DE 39 32 053 C2 beschreibt eine Inklinometervorrichtung, bei der die Pendel mittels Servo-Beschleunigungsaufnehmern bei einer Neigungsänderung am Ausschlagen gehindert werden. Hierzu werden die Pendel so befestigt, dass diese nur in eine Richtung auslenken können. Die Beschleuniger verhindern die Lageveränderung bei einer Neigung durch eine angelegte elektrische Spannung . Diese ist proportional zur auftretenden Winkeländerung .
Bei einer ebenfalls in der DE 39 32 053 C2 beschriebenen Vorrichtung wird auf eine aus zwei mit einem Kardangelenk verbundenen Rohren bestehende Anordnung zurückgegriffen. Diese Konstruktion wird in einem Graben verlegt. Ein von einem Rohr ausgesendeter Lichtstrahl wird an einer Zielscheibe, welche im anderen Rohr montiert ist, reflektiert. Die Koordinaten des auftreffenden Lichtes geben Aufschluss über den räumlichen Verkippungswinkel zwischen den Rohren und damit über die vorliegende Neigung.
Die genannten Inklinometervorrichtungen zeichnen sich sämtl ich durch eine anspruchsvolle Messtechnik aus. Die Ausführung einer Bodenü berwachung mittels Inklinometerketten ist damit aufwendig und wird extrem teuer, wenn viele Einzelinklinometer in die Kette eingebunden werden müssen.
Inklinometerketten eignen sich damit nicht für eine wirklich flächendeckende und wirtschaftliche Überwachung gefährdeter Bodenbereiche.
Des Weiteren werden auch Extensometer und Dilatometer eingesetzt, die in Bohrlöchern installiert sind. Diese messen die Deformation bzw. die Verform- barkeit des Bodens bezüglich einer apparativ vorgegebenen Achse und liefern Informationen über eine Ortsveränderung innerhalb von Bodenschichten beispielsweise innerhalb einer Böschung.
Bei dem Dilatometerverfahren wird ein Druck auf einen Bohrlochabschnitt ausgeübt. Die dabei entstehende Ausweitung der anliegenden Erdmassen gibt Aufschluss über deren Beschaffenheit und Verformbarkeit. Hierzu sind aufwendige Vorbohrungen und Sicherungen der Messstelle notwendig . Dadurch sind nur abschnittsweise Messungen möglich und eine dauerhafte Überwachung des Bodenbereichs ist nicht realisierbar.
Rissbildungen durch Spannungsverlagerungen im Erdreich können unter Anwend ung seismoakustischer Methoden oder mittels elektromagnetischen Impulsen gemessen werden. Die bei Spannungsumlagerungen im Untergrund entstehenden Risse bilden dabei die Ursache für die Entstehung elastischer Wellen. Die dabei auftretenden akustischen Signale werden aufgenommen und geben Hinweise zu Bewegungen von instabilen Hängen. Erfahrungen mit dem seismoakustischen Messverfahren haben allerdings ergeben, dass eine Anwendung einer zweiten unabhängigen Überwachungsmethode unabdingbar ist. Für die Interpretation der seismoakustischen Aktivität hinsichtlich der Bewegungsvorgänge im Boden sind nicht immer hinreichende Kriterien vorhanden. Zudem muss ein relativ enges Netz von Mikrofonen installiert werden. Die Ausführung des seismoakustischen Verfahrens wird darüber hinaus auch durch Witterungsverhältnisse, insbesondere Vereisungen, erschwert. Damit scheidet eine echte Praxistauglichkeit eines derartigen Verfahrens aus.
Eine in der Offenlegungsschrift DE 277 339 Al offenbarte Komplexsonde ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung rutschungsgefährdeter Bereiche und die Erfassung verschiedener Einflussfaktoren. Die Sonde ist kompakt ausgeführt und mit verschiedenen Sensoren ausgestattet. Diese messen Gleitgeräusche und Rissbildungen mittels seismoakustischer Sensoren, Verformungen mittels Neigungssensoren, Wassersäulen mittels Drucksensoren sowie Temperaturen und Magnetfelder. Eine derartige Sonde ist nur unter Beachtung be- stimmter Faktoren ordnungsgemäß einsetzbar. Eine präzise Aufnahme der Werte ist nur gegeben, wenn die Aufnehmer in einer richtigen Position angebracht sind . So muss der Wasserdruckgeber beispielsweise zwingend unterhalb des jeweiligen Grundwasserspiegels angeordnet sein. Aufgrund dieser Faktoren sind Messungen mit einer derartigen Komplexsonde nur örtlich begrenzt ausführbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, aufwandsarme und einfach zu installierende Vorrichtung für ein ortsaufgelöstes Erfassen von Bodenbewegungen und ein damit verbundenes effizientes Verfahren anzugeben, mit dem eine dreidimensionale Erfassung und eine Langzeitü berwachung gefährdeter Bodenbereiche mit einem hohen Genauigkeitsgrad und einer großen Nachweisempfindlichkeit möglich ist.
Die Aufgabe wird vorrichtungsseitig mit einer Vorrichtung zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich ihres Verfahrensaspektes mit einem Verfahren zum teufenaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen nach der Lehre des Anspruchs 9 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens.
Vorrichtungsseitig ist ein in mindestens ein Bohrloch eingebrachtes zunächst fließfähiges und dann selbstverdichtendes Verfüllmaterial mit einer in dem Verfül lmaterial eingebetteten Lichtleiteranordnung zum Ausbilden eines faseroptischen Längensensors und/oder einer faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette vorgesehen.
Die Lichtleiteranordnung besteht bei einer Ausführungsform aus mindestens einem ersten Lichtwellenleiter zum Ausbilden eines faseroptischen Längensensors und/oder mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg- Gittern zum Ausbilden einer faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette. Die Lichtleiteranordnung registriert somit Längenänderungen des beliebig orientierten Bohrlochs und/oder Scher- und Dehnungsbewegungen, die quer zur Bohrlochachse erfolgen oder eine Krümmung der Bohrlochachse hervorrufen. Dabei enthält die Lichtleiteranordnung mindestens einen Lichtwellenleiter zum Ausbilden eines Längensensors. Dieser kann zusätzliche Faser-Bragg- Gitter zum Aufbau einer Dehnungs- und Schersensorik enthalten.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht weiterhin darin, dass auf das Einbringen von Rohren an sich verzichtet werden kann. Die Vorrichtung ist somit in einer vergleichsweisen kurzen Zeit installierbar. Zusätzliche Verrohrungen können entfallen.
Die faseroptische Dehnungs- und Schersensorkette weist zweckmäßigerweise mindestens ein erstes Faser-Bragg-Gitter mit einer ersten Bezugswellenlänge bei einer ersten Teufe und mindestens ein zweites Faser-Bragg-Gitter mit einer zweiten Bezugswellenlänge bei einer zweiten Teufe auf.
Bedingt durch die Konstruktion eines Faser-Bragg-Gitters reflektieren diese Anordnungen ausschließlich Licht in einer durch den Aufbau des Gitters bestimmten Bezugswellenlänge, während das Faser-Bragg-Gitter für Licht mit anderen Wellenlängen durchlässig ist. Mit der genannten Anordnung ist es somit möglich, Faser-Bragg-Gitter innerhalb der Kette in einfacher Weise über deren Bezugswellenlänge messtechnisch einer Teufe zuzuordnen und deren Zustände somit teufenaufgelöst abzufragen. Damit lassen sich Dehnungs- und Scherzonen bzw. Gleitebenen im Boden sehr leicht registrieren.
Der faseroptische Längensensor kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Bei einer ersten Ausführungsform weist der Lichtwellenleiter des faseroptischen Längensensors einen schleifenförmigen Verlauf auf und ist mit einer Laufzeitmessanordnung für Lichtsignale verbunden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter des faseroptischen Längensensors mit einer Messanordnung aus einem optischen Signalge- ber u nd einem Signalempfänger zum Messen eines Rückstreusignals aus dem Lichtwellenleiter verbunden.
Der Lichtwellenleiter gemäß der ersten Ausführungsform ist somit zu m Registrieren von Längenveränderungen mittels einer Laufzeitmessung eines Lichtsignals, der Lichtwellenleiter gemäß der weiteren Ausführungsform zum Registrieren von Längenänderungen mittels einer Intensitätsmessung eines Rückstreusignals ausgelegt.
Als Lichtwellenleiter für den faseroptischen Längensensor kann ein Vielmoden- oder ein Einmoden-Leiter verwendet werden. Der Lichtwellenleiter für die faseroptische Dehnungs- und Schersensorkette ist zweckmäßigerweise in Form eines Einmoden-Leiters ausgebildet.
Das Verfahren zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen wird erfindungsgemäß wie folgt realisiert.
Es erfolgt ein Einbringen mindestens eines beliebig orientierten Bohrloches oder eines Grabens in einen dafür vorgesehenen Bodenbereich. Danach wird ein Lichtleiter-Bündel mit mindestens einem faseroptischen Längensensor und mindestens einer faseroptischen Dehnungs- und Schersensoranordnung aus einer Kette mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter eingehangen. Es wird ein Überdehnungsschutz für das Lichtleiter-Bündel durch ein Verfüllen des Bohrlochs mit einem fließfähigen und selbstverdichtenden Verfüllmaterial eingebracht. Anschließend erfolgt ein optisches Messen einer Längenänderung an dem faseroptischen Längensensor und/oder Ausführen einer optischen Dehnungs- und Schermessung an der faseroptischen Dehnungs- und Schersensoranordnung .
Zweckmäßigerweise werden bei dem Einhängen des Lichtleiterbündels eine Vielzahl von faseroptischen Längensensoren mit unterschiedlichen Längen und/oder eine Dehnungs- und Schersensoranordnung mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Teufen angeordneten Faser-Bragg-Gittern mit unterschied- liehen Bezugswellenlängen in dem Bohrloch angeordnet. Dad urch lässt sich mit dem Lichtleiterbündel eine teufenaufgelöste Längenmessung und Dehnungsund Schermessung ausführen.
Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die optische Messung der Längenänderung als eine optische Laufzeitmessung . Dabei wird ein harmonisch moduliertes optisches Signal in einen als Schleife ausgebildeten faseroptischen Längensensor eingekoppelt und die Laufzeit des optischen Signals mittels einer Phasendetektion bestimmt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die optische Messung der Längenänderung als eine Rückstreumessung ausgeführt. Dabei wird eine veränderte Intensität eines Rückstreusignals aus dem Lichtwellenleiter bestimmt und daraus ein Wert für eine Längenänderung bestimmt.
Bei der optischen Dehnungs- und Schermessung wird eine Wellenlänge eines an dem jeweiligen Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtsignals bestimmt, wobei eine mechanische Veränderung des Faser-Bragg-Gitters als eine Veränderung der Wellenlänge des reflektierten Lichtsignals gegenüber einer Bezugswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters registriert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtu ng und das erfindungsgemäße Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren 1 bis 9. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen :
Fig . 1 ein in einen Bodenbereich eingebrachtes Bohrloch mit Verfüllmate- rial und einem Lichtleiterbündel,
Fig. 2 eine genauere Darstellung eines Ausschnitts der Dehnungs- und
Schersensorkette, Fig . 3 eine beispielhafte Darstellung des Messprinzips der Dehnungsund Schersensorkette,
Fig . 4 ein weiteres Beispiel des Messprinzips der Dehnungs- und
Schersensorkette,
Fig . 5 einen beispielhaften Grundaufbau für die faseroptische
Längenmessung,
Fig. 6 mehrere fü r eine faseroptische Längenmessung verlegte Lichtwellenleiter in einem Messabschnitt,
Fig. 7 eine beispielhaft mögliche Kombination verschiedener faseroptischer Komponenten,
Fig. 8 eine beispielhafte Bodensonde,
Fig. 9 ein beispielhaftes Sondenfeld zur Bodenüberwachung.
Fig. 1 zeigt ein in einen Bodenbereich eingebrachtes Bohrloch 1. Das Bohrloch wird mit einem Verfüllmaterial 2 versehen. Das Verfüllmaterial dient einer Stabilisierung und damit als Trägermaterial für ein darin eingebettetes Lichtleiterbündel 3. Das Lichtleiterbündel kann sowohl aus mehreren Lichtleitfasern bestehen oder auch nur eine einzige Lichtleitfaser beinhalten. Bei der Verwendung nur einer Faser ist zweckmäßigerweise eine hier nicht gezeigte Splitter- und Verteilereinheit vorgesehen, die die Lichtleitfaser zum einen mit unterschiedl ichen Lichtsignalen beaufschlagt und die resultierenden Messsignale voneinander trennt und unterschiedlichen Auswertungsroutinen als Input zur Verfügung stellt.
Das Verfüllmaterial weist mechanische Eigenschaften auf, die denen des anstehenden Bodens ähneln, insbesondere weist das Verfüllmaterial ähnliche me- chanische Eigenschaften auf. Hierzu kann beispielsweise ein geeigneter Bodenmörtel verwendet werden.
Insbesondere ist das Verfüllmaterial spatenlösbar. Das Verfüll material untersetzt durch seine Beschaffenheit und härtet demzufolge nicht vollständig aus. Damit wird dem Problem Rechnung getragen, dass Glasfasern bzw. auf Glasfasern basierende Lichtwellenleiter aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften nur bis Dehnungen von ca. 2% einsetzbar sind, wobei größere Dehnungen zu einem Zerreißen der Glas-Lichtwellenleiter führen. Das Verfüll material untersetzt durch seine Beschaffenheit große Bodenbewegung derart, dass das Lichtleiterbündel bei derartigen Bewegungen das Verfüllmaterial durchteilt. Die Fasern des Lichtleiterbündels vollziehen dabei über ein gewisses Maß hinausgehende Bodenbewegungen nur teilweise mit, sie werden somit weniger gedehnt und bleiben auch unter diesen Bedingungen funktionstüchtig. Bei kleineren Bodenbewegungen findet ein solches Durchschneiden jedoch nicht statt. Derartige Bodenbewegungen werden durch das Verfüll material auf das Lichtleiterbündel vollständig übertragen. Dabei wird die Wirkung der Haftreibung zwischen dem Verfüllmaterial, insbesondere dem Bodenmörtel, und einer darauf abgestimmten Materialbeschichtung an dem Lichtleiterbündel ausgenutzt.
Alternativ zu den Glasfasern können für das Lichtleiterbündel auch Polymerfasern verwendet werden. Diese sind für deutlich größere Dehnungen verwendbar, allerdings weisen diese eine hohe Dämpfung auf und können daher nur für kürzere Strecken eingesetzt werden.
Das Lichtleiterbündel 3 besteht aus grundsätzlich zwei Faserkomponenten. Eine erste Komponente wird durch mehrere Lichtwellenleiter 4 gebildet. Diese bilden jeweils einen faseroptischen Längensensor mit verschiedenen Grundlängen aus. Eine zweite Komponente des Lichtleiterbündels ist in Form eines Lichtwellenleiters 5 ausgeführt. Dieser enthält eine Kette aus Faser-Bragg- Gittern 6. Jedes der einzelnen Faser-Bragg-Gitter stellt einen optischen Deh- nungs- und Schersensor für eine bestimmte Teufe des Bohrlochs 1 dar. Die Anordnung aus dem Lichtwellenleiter und den Faser-Bragg-Gittern bildet eine faseroptische Dehnungs- und Schersensorkette 7, die sich entlang des gesamten Bohrloches erstreckt.
Fig . 2 zeigt einen Ausschnitt aus der faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette 7. An dem für die Dehnungs- und Schersensorkette vorgesehenen Lichtwellenleiter 5 sind hier beispielhaft drei Faser-Bragg-Gittern 6 angeordnet. Diese sind auf verschiedenen Abschnitten des Lichtwellenleiters 5 aufgereiht und damit im Bohrloch auf verschiedenen Teufen T1 bis Tn angeordnet.
Der Lichtwellenleiter weist ein so genanntes Gladding mit einem Brechungsindex rii und einen Kern mit einem Brechungsindex n2 auf. Dabei ist der
Brechungsindex des Kerns n2 größer als der Brechungsindex der Ummantelung rii. Im Bereich jedes einzel nen Faser-Bragg-Gitters 6 ist der Brechungsindex des Kerns in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes moduliert. An diesen Stellen wechselt der Brechungsindex n2 mit Bereichen ab, die einen Brechungsindex n3 aufweisen. Das so gebildete optische Schichtsystem entspricht optisch einer Folge von Antireflexbeschichtungen mit geringen Brechzahlunterschieden. Das so gebildete Faser-Bragg-Gitter weist in Abhängigkeit vom Aufbau des Schichtsystems, insbesondere von der Periodenlänge der verschiedenen Brechzahlen n2 und n3 eine hohe Reflektivität für Licht mit einer für dieses optische System ausgezeichneten Bezugswellenlänge λref auf. Weißes Licht mit einer kontinuierlichen Wellenlängenverteilung λKθnt wird dadurch monochromatisch mit der jeweiligen Bezugswellenlänge λref reflektiert, wobei der restliche Lichtanteil aus dem kontinuierlichen Spektrum das einzelne Faser-Bragg-Gitter im Wesentlichen ungeschwächt durchläuft.
Die Bezugswellenlänge λref für jedes einzelne Faser-Bragg-Gitter kann durch die Stapelfolge, insbesondere die Dicke der einzelnen alternierenden Schichten in dem optischen Schichtsystem sehr einfach festgelegt werden. Dabei zeichnet sich jedes einzelne Faser-Bragg-Gitter 6 innerhalb der Kette 7 durch je eine eigene Bezugswellenlänge λrefi, λref2 und λref3 aus. Diese sind jeweils auf einer eigenen Teufe Ti, T2 und T3 angeordnet. Damit ist jedes einzelne Faser- Bragg-Gitter innerhalb der Kette 7 auf der entsprechenden Teufe über dessen jeweilige Bezugswellenlänge identifizierbar und kann daher messtechnisch einzeln auf dessen Zustand untersucht werden.
Fig. 3 zeigt auf schematische Weise das Messprinzip für die Dehnungs- und Schersensorkette 7. Eine Scherung bzw. eine Dehnung auf einer Scherebene S innerhalb einer gewissen Teufe beeinflusst das dort befindliche Faser-Bragg- Gitter 6 des Lichtwellenleiters 5. Durch die dabei bewirkte Dehnung, Stauchung oder Scherung wird der Lichtwellenleiter um einen Betrag proportional zu einer gegebenen Strecke Δx verformt. Der Schichtaufbau des dort gelegenen Faser-Bragg-Gitters 6 wird dadurch beeinflusst. Das Faser-Bragg-Gitter reflektiert das eingestrahlte Licht nun nicht mehr an seiner Bezugswellenlänge λref sondern mit einer Wellenlänge, die gegenüber der Bezugswellenlänge um einen Betrag Δλ verschoben ist.
Zusammen mit der vorhergehend erläuterten Adressierung der Faser-Bragg- Gitter innerhalb der Sensorkette 7 kann damit zum einen aus der Verschiebung Δλ auf die Stärke der Verformung dieses Abschnitts des Lichtwellenleiters geschlossen werden und zum anderen lässt sich auch aus der beeinfl ussten Bezugswellenlänge λref die Teufe der Verformung S angeben. In dem hier vorgegeben Beispiel ist die Bezugswellenlänge λref3 des Faser-Bragg-Gitters auf der Teufe T3 um einen Betrag Δλref3 verschoben. Damit befindet sich die Tiefe S der Verformung Δx im Bereich der Teufe T3.
Messtechnisch wird die Detektion ausgeführt, indem über eine Weißlichtquelle 8 weißes Licht erzeugt und in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird . Das aus dem Lichtwellenleiter rückreflektierte Licht wird spektral analysiert (9). Anschließend werden in dem dabei erhaltenen Spektrum die Verschiebungen der Bezugswellenlängen λrefi bis λref3 in einer Auswerteeinheit, insbesondere einem PC mit einem entsprechenden Auswerteprogramm geprüft und ausgegeben, wodurch die Teufe einer Bodenbewegung und deren Stärke ermittelt werden kann. Fig . 4 zeigt hierzu ein weiteres Beispiel. Bei dem hier dargestellten Beispiel sind zehn Faser-Bragg-Gitter und damit zehn Dehnungs- und Schersensoren G l bis G lO vorgesehen. Der Lichtwellenleiter 5 ist mittels einer optischen Anschlussleitung 11 mit der hier nicht dargestellten Messtechnik, d. h. der Anordnung aus Weißlichtquelle und Spektrometer, verbunden. Der Abstand der einzelnen Dehnungs- und Schersensoren beträgt ca . 1 Meter. Die in der Glasfaser eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitter zeigen nur in unmittelbarer Umgebung der Scherzone eine große Dehnung an. In einem größeren Abstand von der Scherzone (ca. 2 Meter) bleiben die Faser-Bragg-Gitter unbeeinflusst.
In ausgedehnten Messfeldern kann es vorteilhaft sein, die einzelnen Faser- Bragg-Gitter der faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette auf ein und dieselbe Wellenlänge auszulegen. In einer an sich bekannten Weise werden dann Veränderungen der Wellenlänge infolge mechanischer Bodenbeanspruchung im entsprechenden einzelnen Gitter mittels eines Interrogators, also einer Abfrageeinrichtung, detektiert und über eine Laufzeitmessung geortet.
Alternativ zu der beschriebenen Spektrometeranordnung ist auch eine Anwendung eines so genannten tuned laser-Verfahrens möglich. Hierbei wird mittels einer speziellen Laseranordnung zunächst ein sehr schmalbandiges Laserlicht erzeugt und über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich durchgestimmt.
Scherversuche haben gezeigt, dass mit Hilfe einer Faser-Bragg-Gitter-Kette und in Kombination mit einer faseroptischen Längenmessung die Lage einer Scherzone eindeutig detektiert werden kann. Als Versuchsanordnung für einen Test der Faser-Bragg-Gitter-Kette wird beispielsweise in ein ca. 6 m langes D30-PVC-Rohr konzentrisch eine Faser-Bragg-Gitter-Kette eingebracht und mit dem erwähnten Verfüllmaterial verfüllt. Dieses Rohr wird halbseitig eingespannt. Am freien Ende werden unterschiedliche Lasten aufgebracht und sowohl eine Längung der Faser-Bragg-Gitter als auch deren Beeinflussung durch eine Durchbiegung des Rohres wird messtechnisch erfasst. Fig . 5 zeigt einen beispielhaften Grundaufbau für die faseroptische Längenmessung. Hierbei wird in einem zu überwachenden Gelände, in einer mit Trägermaterial verfüllten Bohrung oder einem Bauwerk ein speziell gecoatetes Glasfaserkabel oder eine Polymerkabel verlegt, dessen Gesamtlänge einige bis mehrere hundert Meter beträgt. Je nach Anforderung liegt die Genauigkeit der mit diesem Kabel ausgeführten optischen Weglängenmessung im Zentimeter- bis sub-Millimeter-Bereich.
Messtechnisch ist bei dem hier gezeigten Beispiel der Lichtwellenleiter 4 des faseroptischen Längenmesssensors schleifenförmig verlegt. Die Schleife ist so bemessen, dass sich deren Umkehrpunkt an einer vorgegebenen Teufe T innerhalb des Bohrlochs befindet. Von einer Lichtquelle 12, beispielsweise einer Lasereinheit, wird ein Lichtsignal erzeugt, das von einem Signalmodulator 13 harmonisch moduliert wird . Das Lichtsignal tritt in den Lichtwellenleiter 4 ein, durchläuft die Schleife und wird anschließend von einem Detektor 14, insbesondere einem Fotoelement, empfangen. Ein Phasendetektor 15 ermittelt nun einen Phasenunterschied φ zwischen dem am Eingang des Lichtwellenleiters 4 eintretenden Lichtsignal aus dem Signalmodulator 13 und dem an dem Fotoelement empfangenen Signal. Dieser Phasenunterschied hängt von der Laufzeit des Lichtes innerhalb der Schleife des Lichtwellenleiters ab und ist somit proportional zur Länge des Lichtwellenleiters und letztlich auch zur konkret vorliegenden Teufe T des Umkehrpunktes der Schleife. Ein einzelner Lichtwellenleiter, dessen Länge und damit dessen Teufe T bekannt ist kann damit über den Phasenunterschied φ identifiziert werden. Wird diese Messung mit unterschiedl ichen Modulationsfrequenzen durchgeführt, lässt sich daraus auch die absolute Länge des Lichtwellenleiters 4 und damit auch die Teufe T bestimmen.
Bei einer Längenänderung ΔL des Lichtwellenleiters 4 wird die Laufzeit des Lichtes innerhalb der Anordnung verändert. Damit ändert sich auch der Phasenunterschied φ um einen Betrag Δφ. Aus dem Wertepaar φ und dem diesem Wert zugeordneten Phasenunterschied Δφ kann somit einem Lichtwellenleiter mit einer vorab bekannten Teufe T eine Längenänderung ΔL in eindeutiger Weise zugeordnet und damit eine lokale Bodenbewegung, insbesondere eine Hebung oder Senkung, registriert werden.
Ist nicht nur ein Lichtwellenleiter 14 in Form eines gecoateten Glasfaserkabels, sondern ein ganzes Bündel solcher Kabel mit unterschiedlichen Längen in der Bohrung enthalten oder in einer Böschung verlegt, so werden nur die Lichtwellenleiter durch die Bodenbewegung gedehnt und in ihrer Länge beein- flusst, die die Zone der Bodenbewegung überstreichen. Die übrigen Leiter bleiben unbeeinflusst.
Gemäß der Darstellung aus Fig . 6 sind jeweils mehrere Lichtwellenleiter 4 vorgesehen, deren Umkehrpunkte jeweils in einem Abstand von ca. 30 Metern an einzelnen Verankeru ngen 16 in einer Böschung 17 befestigt sind . Jeder der einzelnen Lichtwellenleiter weist eine bekannte Gesamtlänge auf. Eine im Bereich S stattfindende Veränderung der Böschung 17 und eine damit einhergehende Streckung der diesen Bereich überstreichenden Lichtleiter führt dabei zu einer an diesen Leitern detektierbaren Längenänderung . Alle anderen Lichtleiter bleiben unbeeinflusst und liefern somit kein Längenänderungssignal . Damit lässt sich der Bereich S der Veränderung der Böschung eingrenzen, wobei bei einer Länge des Lichtwellenleiters von mehreren hu ndert Metern bereits kleine Längenänderungen im mm- und sub-mm-Bereich sehr empfindlich nachweisbar sind .
Ebenso ist eine optische Längenmessung auch im Rahmen eines Rückstreuverfahrens möglich, das hier nicht in einer Figur dargestellt ist. Der dafür vorgesehene Lichtwellenleiter ist nicht als eine Schleife ausgebildet. Vielmehr weist dessen in das Bohrloch verlegte Ende eine Verspiegel ung auf. Das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht läuft durch den Leiter und wird an dessen Ende reflektiert. Aus der Intensität des reflektierten Lichtes kann dann bei einem für den Kern des Lichtwellenleiter bekannten Extinktionskoeffizienten bzw. aus einer für den Lichtwellenleiter bekannten Dämpfu ng die Länge des Leiters bestimmt und als gemessener Tiefenwert ausgegeben werden. Fig . 7 zeigt eine beispielhafte mögliche Kombination von verschiedenen vorhergehend erläuterten faseroptischen Komponenten. Die hier gezeigte Kombination vereinigt einen Lichtleiter FBG mit einem Faser-Bragg-Gitter nach der vorhergehend beschriebenen Art sowie mehrere faseroptischen Längenmess- einrichtungen. Dies sind insbesondere faseroptische Einrichtungen auf Glasfaserbasis für einen Vielmodenbetrieb ILMM sowie für einen Einzelmodenbetrieb ILSM sowie eine auf Polymerfasern beruhende faseroptische Einrichtung ILPOF. In Verbindung damit sind faseroptische Einrichtungen für eine Längenmessung im Rückstreumodus vorgesehen. Dies ist insbesondere eine Faseroptik auf der Basis von Polymerfasern OTDR POF sowie entsprechende Einrichtungen auf Glasfaserbasis mit einem Einzelmodenbetrieb OTDR SM und einen Vielmodenbetrieb OTDR MM. Diese sind sämtlich in dem vorher erwähnten Verfül lmaterial eingegossen.
Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Bodensonde 18 mit den darin vereinigten vorhergehend erläuterten faseroptischen Komponenten. Die Lichtwellenleiter sind im nichtsensitiven Bereich der Bodensonde mit einer Isolation 18a umgeben. Im unteren, sensitiven Bereich der Bodensonde liegen die faseroptischen Lichtwellenleiter als Bestandteile einzelner Lichtleitkabel 19 vor, die vorzugsweise dünn und flexibel ausgebildet sind . Der obere, aus dem Boden der Bodensonde herausragende Teil der Lichtwellenleiter ist zu einem Pigtailbündel 20 zusammengefasst, das über entsprechende Steckvorrichtungen an die jeweiligen Messeinheiten 21 oder an ein entsprechendes Interface angekoppelt ist.
Bei Bohrungen an der Erdoberfläche sind die faseroptischen Kabel zweckmäßigerweise von einem Drahtnetz umgeben, das hinreichend grobmaschig ist, um ein Einfließen der Verfüllung zwischen die Lichtleitkabel 19 zu ermöglichen. Das Drahtnetz soll gewährleisten, dass die Lichtleitkabel innerhalb der Bohrung im Boden nicht verkanten oder auf andere Weise falsch und irregulär verlegt sind . Fig . 9 zeigt ein aus mehreren derartigen Bodensonden 18 aufgebautes Sondenfeld 23. Die Bodensonden sind jeweils nach dem in Fig . 1 gezeigten Prinzip eingebracht. Sie müssen nicht notwendigerweise senkrecht in dem Boden verankert sein. Es ist ebenso möglich, diese in einer Bodenflanke hinein zu treiben oder sie auch gemäß der Darstellung aus Fig . 6 parallel zum Verlauf einer Böschung oder einer Bodenflanke zu treiben. Die aus der Oberfläche herausragenden Pigtailbündel 20 werden an eine hier nicht gezeigte Mess- und Überwachungsstation geführt. Dabei ist jeder der Messpu nkte für die zu ermittelnden Bodenbewegungen sowohl faseroptisch bezüglich der Teufe als auch auf dem Messfeld selbst durch die Nummer und die Lage der Bohrung im Boden eindeutig bestimmt. Hierdurch lassen sich dreidimensionale Übersichten über die im Messfeld stattfindenden Bodenbewegungen und Bewegungsrichtungen gewinnen.
Die Deformationsmessung kann mit einem Verfahren zur punktuellen oder integralen Temperaturmessung zur Temperaturkompensation kombiniert werden.
Für die integrale Temperaturmessung wird parallel zum Lichtwellenleiter ein Material mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand (z. B. elektrisches Kabel) verlegt, dessen elektrischer Gesamtwiderstand zur Temperaturkompensation genutzt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Bohrloch
2 Verfül lmaterial
3 Lichtleiterbündel
4 Lichtwellenleiter für Längenmessung
5 Lichtwellenleiter für Scher- und Dehnungsmessung
6 Faser-Bragg-Gitter
7 Dehnungs- und Schersensorkette
8 Weißlichtquelle Spektrometereinheit
optische Anschlussleitung mit Stecker
Lichtquelle
Signalmodulator
Fotoelement
Phasendetektor
Verankerung
Böschu ng
Bodensonde
Lichtleitkabel
Pigtailbündel
Messeinheit/Interface
Sondenfeld

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen,
umfassend
ein in mindestens ein Bohrloch oder einen Graben (1) eingebrachtes zunächst fließfähiges und dann selbstverdichtendes Verfüllmaterial (2) mit einer in dem Verfüllmaterial eingebetteten Lichtleiteranordnung zum Ausbilden eines faseroptischen Längensensors und/oder einer faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtleiteranordnung mindestens einen ersten Lichtwellenleiter (4) zum Ausbilden des faseroptischen Längensensors und/oder mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter (5) mit Faser-Bragg-Gittern (6) zum Ausbilden der faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette (7) um- fasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfüllmaterial (2) durch die Lichtleiteranordnung, ohne selbige zu zerstören, durchschneidbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtleiteranordnung (3) mindestens einen ersten faseroptischen Längensensor in einer ersten Länge und mindestens einen zweiten faseroptischen Längensensor in einer zweiten Länge aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faseroptische Dehnungs- und Schersensorkette (7) mindestens ein erstes Faser-Bragg-Gitter mit einer ersten Bezugswellenlänge (λrefi) bei einer ersten Teufe und mindestens ein zweites Faser-Bragg-Gitter mit einer zweiten Bezugswellenlänge (λref2) bei einer zweiten Teufe aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtwellenleiter (4) des faseroptischen Längensensors einen schlei- fenförmigen Verlauf aufweist und mit einer Laufzeitmessanordnung für ein Lichtsignal (13, 15) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtwellenleiter (4) des faseroptischen Längensensors mit einer Messanordnu ng aus einem optischen Signalgeber und einem Signalempfänger zum Messen eines Rückstreusignals aus dem Lichtwellenleiter verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtwellenleiter (4) des faseroptischen Längensensors als ein Vielmoden- oder ein Einmoden-Leiter ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtwellenleiter (5) der faseroptischen Dehnungs- und Schersensorkette in Form eines Einmoden-Leiters ausgebildet ist.
10. Verfahren zum ortsaufgelösten Erfassen von Bodenbewegungen,
mit folgenden Verfahrensschritten
Einbringen mindestens eines beliebig orientierten Bohrloches oder Grabens (1) in einen Bodenbereich, Einhängen eines Lichtleiter-Bündels (3) mit mindestens einem faseroptischen Längensensor und/oder mindestens einer faseroptischen Dehnungs- und Schersensoranordnung aus einer Kette mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter (6), Einbringen eines Überdehnungsschutzes du rch ein Verfüllen des Bohrlochs oder Grabens mit einem fließfähigen und selbstverdichtenden Verfüllmaterial, optisches Messen einer Längenänderung an.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Einhängen des Lichtleiterbündels eine Vielzahl von faseroptischen Längensensoren mit unterschiedlichen Längen und/oder eine Deh- nungs- und Schersensoranordnung mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Teufen angeordneten Faser-Bragg-Gittern mit unterschiedlichen Bezugswellenlängen in dem Bohrloch angeordnet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Messung der Längenänderung als eine optische Laufzeitmessung erfolgt, wobei ein harmonisch moduliertes optisches Signal in einen als Schleife ausgebildeten faseroptischen Längensensor eingekoppelt und die Laufzeit des optischen Signals mittels einer Phasendetektion bestimmt wird .
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Messung der Längenänderung als eine Rückstreumessung ausgeführt wird, wobei eine veränderte Intensität eines Rückstreusignals aus dem Lichtwellenleiter bestimmt und daraus ein Wert für eine Längenänderung bestimmt wird .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der optischen Dehnungs- und Schermessung eine Wellenlänge eines an dem jeweiligen Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtsignals bestimmt wird, wobei eine mechanische Veränderung des Faser-Bragg-Git- ters als eine Veränderung der Wellenlänge des reflektierten Lichtsignals gegenüber einer Bezugswellenlänge des Faser-Bragg-Gitters registriert wird .
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