光纤传感器与边坡监测

一、边坡问题的现状滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素的影响，致使部分或全部土体（或岩体）在重力作用下，沿着地面软弱面（或软弱带）整体地或分散地顺坡向下滑动的地质现象。我国是地质灾害多发国家之一，尤以滑坡灾害的影响最为严重。据不完全统计，中国有70多座城市和460多个县市受到滑坡灾害的威胁及危害，平均每年至少造成15-23亿元的经济损失。如果能够对滑坡进行监测,实现滑坡危害的早期预报,就可以最大限度地减少和防止滑坡所造成的损失。因此,监测既是滑坡调查、研究和防治工程的重要组成部分，又是崩塌滑坡灾害预测预报信息获取的一种有效手段。二、滑坡监测的方法从滑坡的监测内容来看，滑坡监测应该是由多种监测方法相结合的。对于不同的监测目的、不同的滑坡发育阶段及不同的滑坡类型所选择的滑坡监测方法也不同。目前滑坡动态监测中使用的技术大致可归纳为宏观简易地质检测法、大地精密测量法、设站观测法、仪器仪表监测法和综合自动遥测法。2.1、宏观简易地质检测法这种方法主要是对滑坡发育过程中的各种迹象，如地裂隙、房屋、泉水动态等进行定期监测、记录，掌握滑坡的动态变化和发展趋势。其中，最常用的是对地表裂隙、建筑物变形的监测。在裂隙处设置简易监测标志，定期测量裂隙长度、宽度、深度的变化，以及裂隙的形态和开裂延伸方向等。由于滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和大小不同，滑速也不同，因而不同部位产生不同力学性质的裂隙，有滑坡后部的拉张裂隙、滑坡体中前部两侧的剪切裂隙、滑体前缘的鼓张裂隙和滑坡舌部的扇形裂隙。除此之外，还有一些滑坡标志，如封闭洼地、滑坡鼓丘、滑坡泉、马刀树、醉汉林等。该方法的特点是获取的信息直观可靠，简单经济，实用性较强，适应于对正在发生病害的边坡进行观测。但也存在内容单一、精度低和劳动强度大等缺点。2.2、大地精密测量法该方法即采用高精度光学和光电测量仪器，如精密水准仪、全站仪等仪器，通过测角和测距来完成监测任务。监测边坡的二维(X、Y方向)水平位移常用前方交会法、距离交会法：监测水平单向位移常用视准线法、小角法、测距法：监测边坡的垂直位移常用几何水准测量法、精密三角高程测量法。大地精密测量法长期以来受到滑坡工程监测人员的高度重视，是由于具有如下优点：能确定边坡地表变形范围；量程不受限制；能观测到边坡体的绝对位移量；精度高；多维测量能提供点位坐标和高程；测量数字化，和计算机技术结合形成系统，实时性强；一机多测点，效率高。适用于不同变形阶段的位移监测。但是这种方法的缺点是受到地形条件和气象条件的限制，工作量大，周期长，连续观测能力差。3.3仪器仪表监测法滑坡稳定性的监测涉及到一系列的影响滑坡特定的因素及其随时间的变化量，如降雨量、土壤潮湿度、地下水位及移动特征，其中最重要的是两个因素是移动特征和地下水位。滑坡的移动特征则由滑动面的深度、方向、移动量和移动速度等指标来表示，通过监测这些指标中得一项或者多项就能达到监测滑坡的目的2.2、GPS滑坡监测系统GPS作为现代大地测量的一种技术手段，可以实现三维大地测量，作业简单方便，具有测站间无需通视、能同时测定点的三维位移、不受气候条件的限制、易于实现全系统的自动化、可消除或削弱系统误差的影响和可直接用大地高进行垂直形变测量等优点。特别是在滑坡监测中，主要关注两期监测中所求得监测点的坐标之间的差异，而不是监测点本身的坐标。这样两期监测中所含的共同系统误差虽然会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量，因此，GPS技术在变形监测中迅速得到了推广，成为一种新的很有前途的滑坡监测方法.2.3、TDR检测法TDR基本原理同轴电缆中TDR与雷达技术的工作原理基本相同，其区别在于传播介质不同。在同轴电缆TDR测试过程中，采用同轴电缆作为传输具有一定能量的瞬时脉冲的传播介质，电脉冲信号在同轴电缆中传播的同时，能够反映同轴电缆的阻抗特性。当电缆发生变形时,它的特性阻抗将发生变化。当测试脉冲遇到电缆的特性阻抗变化时，就会产生反射波。对反射波信号的传播时间进行测量,就可以确定其传播时间和速度,由此可以推断出同轴电缆特性阻抗发生变化的位置；通过对反射信号振幅的分析,就可进一步推算电缆的状态等。因此，同轴电缆的TDR技术又称之为“闭路雷达”。2）TDR滑坡监测TDR滑坡稳定性监测系统的组成及埋设如图1所示。首先，在待监测的岩体或土体中钻孔，将同轴电缆放置于钻孔中，顶端与TDR测试仪相连，并以砂浆填充电缆与钻孔之间的空隙，以保证同轴电缆与岩体或土体的同步变形。岩体或土体的位移和变形使埋置于其中的同轴电缆产生剪切、拉伸变形，从而导致其局部特性阻抗的变化，电磁波将在这些阻抗变化区域发生反射和透射，并反映于TDR波形之中。通过对波形的分析，结合室内标定试验建立起的剪切和拉伸与TDR波形的量化关系，便可掌握岩体或土体的变形和位移状况。三、分布式光纤监测法3.1、分布式光纤传感技术原理光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些参数(如强度、相位、频率、偏振态等)变化的测量,实现对环境参数的测量。分布式光纤传感技术以其可复用、分布式、长距离传输的优点成为光纤传感技术中最具前途的技术之一，是光纤传感监测技术的发展趋势。其中，光纤布拉格光栅传感技术（FBG）与布里渊光时域反射传感技术(BOTDR)是最具代表性的两种分布式光纤传感技术。3.2、光纤传感滑坡监测方法在滑坡监测中，光纤的选择更为重要。因为滑坡体的应变往往都比较大，恰当的光纤选择能使监测寿命提高。目前常用于监测的光纤有裸纤和紧套型光纤两种。裸纤虽然测量灵敏度很高，但量程小，易于折断，施工难度大，适应于小应变测量；紧套型光纤由纤芯、包层、涂敷层和护套组成，具有耐腐蚀性强、防水性能好的优点，比裸纤更能抵抗应力作用，量程略大，并且不易断点，有利于施工。选用紧套型光纤可提高监测寿命，因此滑坡监测用光纤常选择紧套型光纤。光纤网络布置一般有两种形式：一维网络形式，光纤连续地沿灾害体自下而上作蛇形布置,这种方式适合于监测一个方向的位移变化情况；二维网络形式，光纤首先连续地沿灾害体自下而上布置，然后，连续地沿水平方向从左至右或从右至左作蛇形布置，这种方式适合于监测两个方向的位移变化情况。在铺设光纤时，应根据典型工作区滑坡体的特点，确定具体的光纤网络的布置方式。在监测实际工程应用中，光纤铺设基本有两种方法，全面接触式铺设和定点接触式铺设，全面接触式铺设的特点是可以全面监测地质灾害体的变形情况，监测对象为整个滑坡体。定点接触式铺设的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在变形处的变形情况，监测对象为滑坡变形缝等潜在变形处。FBG与BOTDR两种光纤传感技术各有优缺点:FBG传感器灵敏度高，能够非常准确地测量应变，虽多个FBG串联组成的FBG传感网络能实现准分布测量，但其用于响应外部被测量的敏感单元是预先设置的传感阵列，因此需对这些离散分布的传感点进行测量，灵活性较低；BOTDR传感元件为光纤，可实现分布式、长距离、不间断测量,受其技术本身的限制，测量的空间分辨率最高只能达到1m。如果将FBG与BOTDR技术联合起来监测滑坡，在整个滑坡体上铺设监测光纤，利用BOTDR技术可获得整个滑坡体的概要信息；在滑坡体变形的关键部位——变形缝安装FBG传感器，利用其监测灵敏度高的特点，获得滑坡某些关键部位的应变值。这样，将FBG与BOTDR两种技术结合起来监测滑坡，既克服了BOTDR监测分辨率不高的缺点，又弥补了FBG只能实现离散点测量的不足，从而可实现由点到线再到面的滑坡监测，获得滑坡体较完整的应变信息。分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（OpticalTime-domainReflectometry），简称BOTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图4.4.1-5给出了一种基于后向散射光检测的BOTDR原理图。图4.4.1-5基于后向散射光检测的BOTDR原理图设光纤上距离始端Z处、长度为dZ的一段光纤产生的后向散射光传播至光纤始端的功率为ZenNASPZPZsintd8)(3)(d2212上式可变换为由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过BOTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用BOTDR方法实现对光纤的分布式测量。图4.4.1-6后向散射光检测波形示意图BOTDR的空间分辨力由W注入光脉冲的宽度决定，为，为提高空间辨力，应使用窄的光脉冲。当波长为的低功率光脉冲注入到传感光纤时，将产生自发后向喇曼散射，包括两条谱线，一条波长为称为斯托克斯线。另一条波长为，称为反斯托克斯线。反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比为由上式可见，自发后向喇曼散射中反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比ZZDZZDZZPZtZtssZtdd)(dd)(2exp)(2d)(dd)(2expd)(d000SPWvnNADing212)(163相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波仅是光介质所处温度的函数，随着环境温度的升高比值呈指数规律增加。四、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