馮小雨 王培倫 郭 威

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

基于光纖光柵技術(shù)的邊坡測(cè)斜裝置的改裝與應(yīng)用

馮小雨 王培倫 郭 威

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

將光纖布拉格光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)中，通過對(duì)現(xiàn)有傳感器和測(cè)斜裝置的改裝，設(shè)計(jì)了一種新的邊坡測(cè)斜裝置，并將該項(xiàng)成果用于龍永高速公路某邊坡的現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中，簡(jiǎn)述了光纖布拉格光柵傳感技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的元件安裝、數(shù)據(jù)采集及分析等工作，證實(shí)了該改裝方案的可行性。

光纖光柵，邊坡監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集，改裝設(shè)計(jì)

0 引言

由于邊坡工程大多處于荒山野外，公路在建設(shè)施工中，由于地質(zhì)不良、高山峽谷、人為因素等原因，高邊坡穩(wěn)定性問題非常顯著，因此對(duì)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)是十分有必要的[1，2]。近年來光纖傳感技術(shù)被引入邊坡工程監(jiān)測(cè)中，使得邊坡工程監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)集成化、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制已成為一種可能。但由于邊坡所處復(fù)雜的地形地貌、坡體變形及施工作業(yè)的干擾，很大程度上制約著光纖傳感技術(shù)的推廣應(yīng)用，也對(duì)光纖傳感器的選用、安裝和數(shù)據(jù)采集提出更高要求，對(duì)工程監(jiān)測(cè)人員的專業(yè)性提出更高要求[3-5]。

1 光纖傳感技術(shù)

1.1 光纖布拉格光柵傳感原理

光纖光柵是一種特殊的光纖，其纖芯折射率具有周期性變化特點(diǎn)。入射光波長(zhǎng)λ=2nΛ被光纖光柵反射，形成反射波。反射波中心波長(zhǎng)λ與光柵周期Λ、纖芯有效折射率n有關(guān)。當(dāng)外界被測(cè)因素如溫度、應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)引起反射波中心波長(zhǎng)的變化。其相互間關(guān)系為：

(1)

傳感器的波長(zhǎng)指的是光纖光柵反射譜中的尖峰中心波長(zhǎng)，其峰值隨應(yīng)變、溫度變化而改變。傳感器中心波長(zhǎng)通過光纖光柵傳感分析儀來進(jìn)行解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

1.2 原位測(cè)斜儀改裝設(shè)計(jì)

光纖光柵原位測(cè)斜儀采用高強(qiáng)度PVC測(cè)斜管，測(cè)斜管內(nèi)置光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器，測(cè)斜管內(nèi)側(cè)相對(duì)方向(互成180°角)有兩條凹槽，將應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器用AB膠密封于凹槽內(nèi)，以此較準(zhǔn)確反映PVC管由于土體滑移產(chǎn)生受力的狀況。測(cè)斜管內(nèi)徑及外徑分別為58 mm，70 mm，每根管長(zhǎng)2 m，采用專用的連接器將測(cè)斜管進(jìn)行兩兩對(duì)接。應(yīng)變傳感器粘貼于測(cè)斜管凹槽之前要進(jìn)行兩兩串接，再將串接后的應(yīng)變傳感器封裝于對(duì)接的測(cè)斜管中。保證測(cè)斜管凹槽內(nèi)應(yīng)變傳感器間距為2 m，并且測(cè)斜管底部連接回線(如圖1所示)。

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，要對(duì)邊坡每級(jí)臺(tái)階沿豎直方向鉆若干孔徑為120 mm的孔，將改裝后的光纖光柵測(cè)斜儀放置在孔中央，用細(xì)砂回填孔隙至孔口，多出地面部分測(cè)斜管用水泥砂漿涂抹于四周，以增加穩(wěn)定性(如圖2所示)。

1.3 數(shù)據(jù)采集

光纖光柵應(yīng)變計(jì)可通過達(dá)卡公司提供的LC-FBG-DS100型號(hào)的光纖光柵分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取及采集，LC-FBG-DS100設(shè)備提供了FC/APC光學(xué)接口，只要將與應(yīng)變計(jì)相連的光纜的光學(xué)接頭接入光纖光柵分析儀，即可讀出所需數(shù)據(jù)，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。利用LC-FBG-DS100型號(hào)的光纖光柵分析儀進(jìn)行讀數(shù)時(shí)，要采集一個(gè)初始數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后期數(shù)據(jù)采集參照。進(jìn)行初始數(shù)據(jù)采集時(shí)，要使光纖光柵原位測(cè)斜儀處于空載狀態(tài)即應(yīng)變計(jì)不受力狀態(tài)，這樣，初始讀數(shù)與零壓力相對(duì)應(yīng)，否則初始讀數(shù)會(huì)與未知的壓力水平相一致。因此在測(cè)斜儀未埋入孔結(jié)構(gòu)時(shí)進(jìn)行初始數(shù)據(jù)采集。

2 邊坡光纖監(jiān)測(cè)工程實(shí)例

2.1 工程概況

龍永高速(湘西自治州龍山縣至永順縣)是湖南省“七縱九橫”高速公路路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，路線全長(zhǎng)91.21 km。此監(jiān)測(cè)邊坡位于14標(biāo)合同段永龍界隧道口邊，樁號(hào)K56+910，坡長(zhǎng)113 m，坡高27 m，坡角為47°，分為兩級(jí)開挖，屬重點(diǎn)監(jiān)測(cè)邊坡。根據(jù)地質(zhì)勘探評(píng)價(jià)表可知，該路塹山體表層由強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖、碎石、粉質(zhì)粘土組成，下層為弱風(fēng)化層軟巖。由于此邊坡位于永龍界隧道口，一旦失穩(wěn)垮塌，將嚴(yán)重影響交通安全。因此，業(yè)主方已委托承建方對(duì)此邊坡進(jìn)行了加固處理，具體加固方案為：一級(jí)坡采用錨桿注漿，表面噴射混凝土刷坡防護(hù)，二級(jí)坡采用方格骨架植草防護(hù)。

2.2 光纖光柵測(cè)斜儀布設(shè)

作為重點(diǎn)邊坡監(jiān)測(cè)工程，本邊坡于一級(jí)坡頂平臺(tái)鉆探4個(gè)深度為14 m的孔(由遠(yuǎn)及近往隧道口方向分別編號(hào)為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)孔)用來埋設(shè)光纖光柵原位測(cè)斜儀，總共安裝了56個(gè)應(yīng)變傳感器、4個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器、4個(gè)液位計(jì)，所有傳感器均用傳輸光纜進(jìn)行了串聯(lián)保護(hù)和封裝，組建了一個(gè)光纖傳感邊坡監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)邊坡的加固效果及穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)對(duì)象主要為邊坡土體內(nèi)水位變化及深層位移變化引起的邊坡變形趨勢(shì)。由于現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器都是基于光纖光柵傳感技術(shù)，故在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)只需一臺(tái)光纖光柵解調(diào)儀即可，大大降低了數(shù)據(jù)采集難度及誤差，提高了監(jiān)測(cè)效率。

深部測(cè)斜儀布設(shè)圖見圖3。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

利用無線以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)LC-FBG-DS100型號(hào)的光纖光柵分析儀與筆記本電腦對(duì)接，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、無線傳輸，以Excel表格形式呈現(xiàn)采集結(jié)果。用式(1)將采集結(jié)果計(jì)算出相應(yīng)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值，利用差分法求解出深部測(cè)斜儀相應(yīng)各測(cè)點(diǎn)撓度值。目前監(jiān)測(cè)工作已進(jìn)行了半年有余，圖4～圖7是部分監(jiān)測(cè)結(jié)果。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：

1)邊坡土體水平位移隨深度變化曲線整體呈弓形，隨深度增加，水平位移先變大后減小。

2)水平位移最大集中在5 m～7 m處，月累計(jì)位移量最大達(dá)到34 mm，但仍遠(yuǎn)小于工程經(jīng)驗(yàn)閾值5 mm/d，在深度3 m～8 m范圍內(nèi)水平位移曲線變化明顯，依據(jù)監(jiān)測(cè)工程經(jīng)驗(yàn)可知破壞通常發(fā)生在這一區(qū)域。

3)邊坡土體表層及深層位移量整體偏小，其原因是一級(jí)坡體幾月前采取了小管棚注漿超前支護(hù)和錨桿防護(hù)措施，邊坡內(nèi)土體凝固較好，邊坡整體穩(wěn)定性較好，加固效果良好。

3 結(jié)語

1)由改裝的光纖光柵測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，且前者所采集數(shù)據(jù)更全面、精度更高；由幾個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況基本穩(wěn)定，該改裝方案基本可行。

2)從應(yīng)用層面來看，依托龍永高速公路沿線某邊坡加固工程，實(shí)現(xiàn)了光纖布拉格光柵傳感技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的元件安裝、數(shù)據(jù)采集及分析等工作，并進(jìn)一步證明此方法的可行性及改進(jìn)優(yōu)化的可能性。利用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)龍永高速14標(biāo)合同段樁號(hào)K56+910高邊坡內(nèi)部深層位移，由監(jiān)測(cè)結(jié)果得知坡體內(nèi)水平位移發(fā)生最大處集中在5 m～7 m，位移最大1.13 mm/d，遠(yuǎn)小于工程閾值5 mm/d，該邊坡整體穩(wěn)定性良好。

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The modification and application of slope measuring device based on fiber grating technology

Feng Xiaoyu Wang Peilun Guo Wei

(TransportationEngineeringSchool,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China)

This paper applied the fiber Prague grating sensing technology to slope monitoring, through the modification to existing sensor and measuring device, designed a new slope measuring device, and applied the results to site stability monitoring of a slope in Longyong highway, described the original installation, data collection and analysis and other works of fiber Prague grating sensing technology field application, confirmed the feasibility of modification scheme.

fiber grating, slope monitoring, data collection, modification design

2015-01-05

馮小雨(1988- )，男，在讀碩士； 王培倫(1990- )，男，在讀碩士； 郭 威(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)08-0069-03

TU413.62

A