分布式光纤在边坡工程中的应用

一、引言近年来，我国气候正从干旱转向多雨，地壳表层活动的不断增强，特别是山区经济开发活动的进一步升级，以及不合理的工程活动、滥伐森林、破坏草场、孤独垦荒等人为因素和我国多山的自然环境因素，近十几年来，滑坡在我国山区的频繁发生，平均每年造成的直接经济损失达10多亿元，死亡近千人。因此，滑坡的监测及预防是必不可少的任务。二、国内外研究现状布里渊散射光时域反射技术(BOTDR)是目前国际上近几年才发展成熟起来的一项光纤传感技术。BOTDR技术起初应用于航天领域,在发达国家相继应用于电力、通讯、工程等领域的应变监测和监控。工程领域主要应用于桥梁、大坝、隧道等大型基础工程的安全监测和健康诊断,并取得了很多成功应用的经验;在日本,开始将BOTDR技术应用于边坡工程的变形监测中;从90年代开始,我国就开始光纤传感技术的应用研究,目前国内BOTDR技术主要应用于桥梁、隧道等构筑工程的变形监测领域。BOTDR具有分布式、长距离、灵敏度高、抗电磁干扰等特点,通过合理的布设,可以方便地对滑坡体的各个部位进行监测。由于其具有很好的技术应用前景,已经成为一些发达国家如日本、美国、加拿大、瑞士等国家竞相研发的课题。三、常用山体滑坡监测方法及其特点1.1大地精密测量法滑坡监测一般采用大地精密测量法。该方法利用精密水准仪通过几何水准测量获得垂直位移量,并利用精密全站仪通过交会法、导线法等得到水平位移量,由此得知滑坡体的三维位移量、位移趋势以及地表形变范围。因为该方法具备操作简便、易于实现和成果准确可靠等优点,所以长期以来备受滑坡工程监测人员的青睐。但是它也存在着一定的局限,例如易受地形通视条件限制及天气状况影响,监测周期长,连续观测的能力差等。1.2近景摄影测量法该方法的测量方式比较多。如利用普通相机或数码相机照相,输入计算机先进行像点测量,再通过程序计算获取三维坐标,根据坐标判断形变[7];或者用专用量测相机对滑坡监测范围进行拍摄,并构成立体像对,结合坐标量测仪测出观测点的像坐标,然后结合坐标法测定地面变形[8]。近景摄影测量用于滑坡监测的优势在于,观测人员无需到达观测现场,且观测站点也不要求绝对稳定,只要取景理想即可。但是,该方法仍然会受到天气状况的影响,并且位移监测的绝对精度较低。1.3GPS法最近十几年来,GPS作为现代大地测量的一种技术手段,已经广泛应用于滑坡、地面沉降、地震、地裂缝等地质灾害监测中。与大地精密测量法相比,采用GPS技术进行滑坡监测操作更加简单,而且观测点之间不要求通视,也不受天气影响,能实现全天候作业。通过精确解算,GPS监测水平位移和垂直位移的精度可达到毫米级。在基线较短的情况下,GPS技术对垂直位移的形变监测甚至可以达到几何水准测量的精度。它可以实现三维大地测量,进行连续监测及实现测量过程的自动化,作业简单方便,具有全天候、高精度、低投资等优点。存在的问题是在高山地区,卫星信号容易被遮挡,多路径效应较为严重,对测量有一定影响,另外接收机的价格较贵,妨碍其推广应用。1.4TDR检测法时间域反射测试技术(TimeDomainReflectomery)是一种电子测量技术,许多年来,一直被用于各种物体形态特征的测量和空间定位。TDR用于滑坡监测时,向埋入监测孔内的电缆发射脉冲信号,当遇到电缆在孔中产生变形时,就会产生反射波信号。经过对反射信号的分析,就能确定电缆发生形变的程度和位置。该方法具有价格低廉、监测时间短、可遥测、安全性高以及数据提供快捷的特点。但是这种检测方法的不足之处在于,它不能确定滑坡移动的方向。另外,TDR技术监测滑坡的有效性是以其测试电缆的变形为前提,若电缆未产生破坏,就很难监测滑坡的位移。传统的监测方法存在对点监测周期长、无法实现自动测量和数据处理等缺点。四、分布式光纤监测法光波在光纤中传播并与光纤中的声学声子相互作用发生布里渊散射。当光纤沿线存在轴向应变或者温度发生变化时，光纤中的背向布里渊散射光的频率相对于注入的脉冲光频率将发生漂移，布里渊散射光频率的漂移量与光纤所受的轴向应变和温度的变化呈良好的线性关系。BOTDR就是利用光纤中的自发布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变或温度之间的线性关系，得到光纤的轴向应变或温度分布。光纤的轴向应变、温度与布里渊散射光频移的关系可分别表示为ε=CS(νB－νB0)+ε0(1)T=CT(νB－νB0)+T0(2)式中：ε为光纤的应变；T为温度；CS为布里渊频移–应变系数；CT为布里渊频移–温度系数；νB为光纤的布里渊频移；νB0，ε0和T0分别为光纤初始状态的布里渊频移量、应变和温度。为了使光纤准确反应被测物的应变状态,必须使光纤与被测物同步变形。为了确保这一点,常用的方法是用专用或特制的粘结剂将光纤粘贴在被测物上,这种方法在三峡巫山残联滑坡监测中已获得较好的应用。在利用BOTDR实现监测的时候,可以借鉴这种方法,充分利用山体滑坡前期治理工程形成的混凝土结构,使用粘结剂直接将传感光纤铺设于混凝土表面,这样可以充分、有效地感应到滑坡的应力变化,而且方便用于网状布设,实现整体监测。因此,这种方法可以很好地应用于BOTDR实现滑坡监测的方案中。光纤铺设的另外一个方面是采用何种方式进行铺设。根据滑坡监测的具体环境特征,可以采用以下两种方：(1)全面粘着铺设:是将光纤拉直后,用粘结剂将光纤完全贴附在混凝土结构物上。拉直的光纤,由于它与结构物紧密相连,因此可以确保它的应变与构筑物保持同步。(2)定点粘着铺设:是将光纤拉直、微微受力绷紧后,按一定的间隔定点粘着在构筑物上。一旦构筑物沿光纤方向拉伸或收缩,两点之间的光纤即发生变形,从而测得构筑物在两点间的变形情况。无论是全面粘着,还是定点粘着,都必须用粘结剂将其粘贴在构筑物上,采用何种粘结剂和添加剂,应根据不同的情况,通过实验室和现场试验而定。但是这种光纤的铺设方式是在利用滑坡前期治理工程的基础上的,直接在混凝土的表面铺设传感光纤。设计在其他场合的光纤铺设方式以达到满足变形监测需要,又能提高光纤的使用寿命是一个亟待解决的关键问题。五、实例分析为了研究BOTDR技术应用于边坡监测的有效性，本文在宁淮高速公路某段人工填土边坡上进行监测实验。该边坡路段为弱膨胀土，坡高8.0m，坡率为1∶2，局部为人工填土，施工过程中未夯实。传感光纤间隔5.0m采用钢钎进行固定，固定深度为0.5m，光纤埋入边坡表面10cm深处，按图7所示布设成分布式光纤传感网络。同时，沿坡面3#，4#线之间以及A，B线之间各布设一条纵向和横向放置在PU管内的自由光纤作为温度补偿光纤，使其不受土体变形的影响。由于边坡土体相对比较均匀，且监测周期相对较短，温度变化不大，采用这种布设方法得到的温度信息基本上可以满足监测的需要。应用BOTDR对传感光纤应变进行了监测，图2，3为边坡在经历几次降雨后某一次光纤应变监测结果。从图2得出，A线传感光纤a-b-c段发生应变异常，从图中曲线得出应变段长为10m。图2为3#线监测结果，应变异常段i-j-k-l长为15m。从而可以确定，图1中阴影区域边坡表层土体可能发生滑动。图1坡面变形监测布置示意图图2A线应变监测结果图33#线应变监测结果边坡发生滑动后，现场勘测结果如图10所示。边坡滑动区域沿A线方向长为7.6m，沿3#线方向长为8.0m。BOTDR监测结果大于滑动区实际长度，这是因为边坡表层土体滑动的同时会带动光纤的固定节点一起移动，对A线来说，节点b的移动会造成ab和bc段光纤受拉，产生较大的应变；3#线上，节点j移动造成ij段拉伸，节点k移动造成jk和kl段同时拉伸。监测结果表明，光纤传感网络对边坡土体变形非常敏感，应用BOTDR技术可实现对边坡变形的监测以及变形区域的空间定位，变形监测结果能够满足滑坡预警要求。图4滑坡后边坡状况六、结论光纤布设工艺的研究，特别是如何将传感光纤无损地、合理地植入待测对象是分布式光纤监测中的一项十分关键的研究课题。本文对传感光纤在边坡加固工程上的布设、传感光纤的保护方法和温度补偿方法进行了介绍，提出锚杆应力和抗滑桩变形时挠度的计算方法，构建基于BOTDR的边坡加固工程分布式光纤应变远程监测系统。现场实验结果证明基于BOTDR的分布式光纤监测技术用于边坡工程的应变、变形等监测是可行的，也是十分有效的。采用远程分布式监测系统，可以对边坡进行全天候实时、在线监测，省时、省力和安全，是当前和今后边坡监测发展的一个重要方向。此外，对于大型边坡工程，降雨、孔隙水压力和震动等因素都会边坡稳定性产生影响，将BOTDR监测技术与其他监测手段结合，如GPS、深部测斜、降雨量监测、孔隙水压力、土体吸力和土压力监测等，可以得到更加全面的监测结果。参考文献(References)：[1]李爱国，岳中琦，谭国焕，等.香港某边坡综合自动监测系统的设计和安装[J].岩石力学与工程学报，2003，22(5)：790–796.(LIAiguo，YUEZQ，THAMLG，etal.DesignandinstallationofcomprehensiveinstrumentationsystemforslopeinHongKong[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2003，22(5)：790–796.(inChinese))[2]殷建华，丁晓利，杨育文，等.常规仪器与全球定位仪相结合的全自动化遥控边坡监测系统[J].岩石力学与工程学报，2004，357–364.(YINJianhua，DINGXiaoli，YANGYuwen，etal.IntergrationofconventionalinstrumentsandGPSforremoteautomaticmonitoringofslopes[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2004，23(3)：357–364.(inChinese))23(3)：[3]施斌，丁勇，徐洪钟，等.分布式光纤应变测量技术在滑坡早期预警中的应用[J].工程地质学报，2004，12(增1)：515–518.(SHIBin，DINGYong，XUHongzhong，etal.Anapplicationofdistributedopticfiberstrainmeasurementtoearly-warningofslope[J].JournalofEngineeringGeology，2004，12(Supp.1)：515–518.(inChinese))[4]李静.滑坡稳定性研究现状综述及思考.西部探矿工程，2006.[5]黄满刚，孙世国.边坡稳定性分析方法的研究.矿业快报，2008.7.[6]周勇.崩、滑、流灾害的国内外现状.西部探矿工程，2007第2期[7]黄满刚，孙世国.边坡稳定性分析方法的研究.矿业快报，2008.7.[8]闻生.地质灾害预测预报的国内外现状.企业技术开2006.8.[9]郭立文，李海涛.滑坡灾害预测方法研究综述.山西建筑，2008.8.[10]舒行钢，刘日圣.有限元数值分析在滑坡稳定性分析中的运用.山西建筑，2008.[11]齐甦,彭少民.国内外滑坡防治与研究现状综述[J].地质勘探安全,2000(3).