王文韜， 郭　昕， 李尚賢

(長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙　410076)

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光纖光柵測斜技術(shù)工程應(yīng)用研究

王文韜， 郭昕， 李尚賢

(長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙410076)

摘要：邊坡變形監(jiān)測一直是了解邊坡位移情況，保證邊坡變形安全可控的一個重要手段，然而傳統(tǒng)監(jiān)測方法受天氣、人為等外在因素影響較大，難以實時對邊坡狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，基于此，從設(shè)備改造、埋設(shè)方法、數(shù)據(jù)采集及處理等方面進(jìn)行了探討研究，并依托龍永高速公路ZK56+860～ZK56+940段右側(cè)邊坡進(jìn)行的測試，檢測結(jié)果顯示設(shè)備運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：邊坡監(jiān)控； 光纖光柵測斜儀； 位移

0引言

邊坡測斜是邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的主要內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的測斜方法埋置測斜管用測斜儀進(jìn)行測斜[1]，該方法測斜數(shù)據(jù)精度高，可靠性強(qiáng)，使用費(fèi)用低，不足之處在于數(shù)據(jù)的獲取困難，人力成本過高。隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息的進(jìn)步，GPS和光纖技術(shù)得到迅速的發(fā)展，GPS監(jiān)測法[2]應(yīng)用領(lǐng)域廣，其優(yōu)點在于數(shù)據(jù)獲取方便，可遠(yuǎn)程操作等，其不足之處是精度有限且不穩(wěn)定，使用費(fèi)用較高。近年來，光纖傳感技術(shù)[3，4]由于其精度高，安裝方便，可長期遠(yuǎn)距離實時監(jiān)測而被廣泛應(yīng)用在巖土工程當(dāng)中，光纖傳感技術(shù)按照傳感器的不同又分為分布式光纖傳感技術(shù)[5]，光纖光柵傳感技術(shù)[6-11]等，相對于其他光纖傳感器，光纖光柵傳感器有靈敏度高，使用壽命長，而且具有多分復(fù)用的功能[3]，能將不同柵距的光柵置于同一光纖上，從而實現(xiàn)對溫度、應(yīng)力、應(yīng)變同時監(jiān)測，將光纖光柵與傳統(tǒng)測斜技術(shù)結(jié)合[6]，既保證測斜數(shù)據(jù)的可靠，也可以對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高精度、實時動態(tài)監(jiān)測。

1光纖光柵測斜裝置

1.1測斜裝置傳感器制作

測斜裝置采用PVC測斜管為基材，應(yīng)變計安裝在導(dǎo)軌內(nèi)[6]，因此采用定制的薄片型光纖光柵應(yīng)變計作為監(jiān)測元件(元件尺寸為1 cm×6.5 cm)，并根據(jù)各元件上所示波長將元件按每組7個進(jìn)行分組。

1.2測斜裝置的安裝

1.2.1光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝

傳感器所用基材是長度為2 m的PVC測斜管，將薄片型光纖光柵應(yīng)變傳感器(FBG)粘貼于測斜管內(nèi)部導(dǎo)軌內(nèi)，PVC管通過耦合器進(jìn)行相互連接，形成一個整體深部測斜裝置。見圖1。

圖1　測斜裝置安裝圖

1.2.2光纖光柵溫度傳感器安裝

測斜孔鉆孔深度基本都在十幾米以上且晝夜溫差變化明顯，因此每一個測孔內(nèi)均需安裝光纖光柵溫度傳感器，起到溫度補(bǔ)償作用[12，13]，視邊坡的長度將2～3個溫度傳感器串接在位移傳感器系統(tǒng)中，起到溫度補(bǔ)償作用。

2光纖光柵信號的采集與傳輸

整個光纖光柵信號采集主要經(jīng)過傳感和解調(diào)兩個過程，傳感過程是外界參量調(diào)制傳感器中心波長，解調(diào)則是將傳感器反射波信號對應(yīng)成外界參量，目前信號調(diào)解方案有許多，本文采用可調(diào)F-P(Fabry-Perot濾波器，圖2)濾波解調(diào)法調(diào)解傳感器波長信號的方法來采集傳感器信號[3]，其實現(xiàn)過程如下圖所示，由于公路施工期與運(yùn)營期的邊坡環(huán)境和狀態(tài)差別較大，因此信號采集傳輸也分為施工期和運(yùn)營期兩種模式。

圖2　信號采集流程圖

2.1施工期測斜信號的采集與傳輸

施工期邊坡未成型，錨固措施未全部做到位，平臺還需要做多次整平加固，不具備鋪設(shè)光纜等長期性傳輸設(shè)備的條件，其信號主要的采集方式是人為現(xiàn)場采集。見圖3、圖4。

圖3　信號現(xiàn)場采集

圖4　施工期數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.2運(yùn)營期信號的采集與傳輸

運(yùn)營期邊坡施工已經(jīng)全部結(jié)束，邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，人為現(xiàn)場監(jiān)測困難，現(xiàn)場具備埋設(shè)長久性傳輸設(shè)備的條件，因此邊坡測斜數(shù)據(jù)需要進(jìn)行長距離傳輸，由于光纖光柵傳感器對光波敏感性較高，為了避免信號長距離傳輸造成損耗，本裝置采用信號先采集解調(diào)再傳輸?shù)姆椒?，即將解調(diào)儀放置于邊坡端，傳感器波長信號通過解調(diào)為數(shù)字信號，通過光纜傳輸?shù)竭吰吗B(yǎng)護(hù)所。見圖5。

圖5　運(yùn)營期數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3應(yīng)用實例及數(shù)據(jù)處理分析

3.1工程狀況

龍永高速公路ZK56+860～ZK56+940段右側(cè)邊坡最高處23 m，設(shè)有3級邊坡，地質(zhì)構(gòu)造主要由黏土和泥質(zhì)頁巖組成，由于位于龍山縣大農(nóng)車斷裂帶周邊，受其影響，邊坡巖體破碎，邊坡穩(wěn)定性差，因此為了監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定性，于2014年7月在該邊坡埋設(shè)了光纖光柵測斜裝置，定義往坡內(nèi)方向為正向，反之為負(fù)向。其布設(shè)方式如圖6所示。

圖6　光纖光柵測斜裝置布置圖

3.2數(shù)據(jù)處理

光纖光柵的波長數(shù)據(jù)并不能直接反映邊坡的位移情況，只能反映光柵柵距的變化量，需要計算得出光柵應(yīng)變，由應(yīng)變計算得出測斜管不同點位的撓度，繼而得出邊坡的位移情況[4]，圖6中4孔測斜裝置的工作方式一致，故選擇其中一孔(4#孔)例，詳細(xì)闡述該裝置的數(shù)據(jù)計算過程，具體數(shù)值如表1～表3所示。

3.3位移分析[14]

通過對“3.2節(jié)”的數(shù)據(jù)處理過程重復(fù)操作即得到邊坡不同孔位不同深度位移情況，其位移隨時間變化曲線如圖7所示。

從圖7中不難看出，該邊坡單孔最大月平均位移在15～17 mm，相對處于分別邊坡兩端的1#、4#孔位，處于邊坡中部的2#、3#孔位所在邊坡斷

表1 傳感器波長數(shù)據(jù)傳感器波長/μξ2014-09-262014-10-242014-11-0311527.971527.9631527.93521531.9811531.9931531.99931537.7231537.7421537.75241543.8191543.8861543.91051551.1321551.2041551.22661555.3851555.3941555.39471560.7211560.4331560.486溫度1551.2231551.2311551.233波長/μξ2014-11-092014-11-262014-12-02應(yīng)變系數(shù)1527.9111527.7961527.8411527.971531.9881531.9521531.9481531.9811537.7451537.7411537.7331537.7231543.9121543.9201543.9221543.8191551.2361551.2581551.2571551.1321555.3941555.3561555.3431555.3851560.4861560.6641560.7191560.7211551.2331551.2321551.2321551.223

表2 傳感器應(yīng)變值傳感器應(yīng)變2014-09-262014-10-242014-11-031-100.938-114.526-168.8782-87.353-66.388-55.9063-423.432-382.385-360.7824-360.667-229.337-182.2945-593.195-444.896-399.5836-645.627-628.537-628.53771756.2231230.9981327.654應(yīng)變2014-11-092014-11-262014-12-02-215.465-438.694-351.343-75.124-138.018-145.006-375.904-384.546-401.829-178.373-162.692-158.772-378.986-333.672-335.732-628.537-700.695-725.3811327.6541652.2721752.576

表3 不同測點的位移測點/m位移/mm2014-09-262014-10-242014-11-03-2-20.383-21.839-23.414-4-20.986-21.293-23.629-6-11.886-11.709-14.139-8-6.573-5.913-8.437-10-3.468-2.637-4.801-12-1.072-0.395-1.847-14-0.617-0.242-0.938位移/mm2014-11-092014-11-262014-12-02-26.771-30.729-33.668-27.466-32.042-34.822-15.502-20.720-23.002-7.443-13.854-15.716-2.928-8.755-10.113-0.352-4.203-5.057-0.149-1.875-2.224

圖7　位移隨時間變化曲線圖

面位移變化累積量大，位移曲線基本與邊坡位移趨勢一致，說明該測斜裝置測斜方法以及數(shù)據(jù)編譯方法是有效合理的。

4結(jié)論

1) 本文立足于傳統(tǒng)邊坡測斜方法以及光纖光柵傳感新技術(shù)提出新的測斜裝置，能提供高精度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；在對該裝置傳感器應(yīng)變進(jìn)行標(biāo)定、計算之后，得到邊坡不同測點的水平位移，計算結(jié)果與現(xiàn)場情況較符合。

2) 龍永高速ZK56+860 ～ ZK56+940段右側(cè)邊坡通過邊坡測斜裝置信號采集、信號數(shù)據(jù)處理編譯、高速公路光纜數(shù)據(jù)傳輸，以及養(yǎng)護(hù)處系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的記錄與再處理，從而形成對邊坡位移的實時監(jiān)測系統(tǒng)，為邊坡可能發(fā)生滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，也為同類型工程監(jiān)測處治提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬全珍，張寶華.鉆孔測斜儀在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報，2005(S1).

[2] 沈強(qiáng).山區(qū)高速公路層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測與預(yù)測方法研究[D].武漢：中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所)，2007.

[3] 隋海波，施斌，張丹，等.地質(zhì)和巖土工程光纖傳感監(jiān)測技術(shù)綜述[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2008(1).

[4] 宋震，王寶軍，施斌，等.粵贛高速公路K3邊坡光纖監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2009(4).

[5] 隋海波，施斌，張丹，等.邊坡工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008(S2).

[6] 裴華富，殷建華，朱鴻鵠，等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的邊坡原位測斜及穩(wěn)定性評估方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010(8).

[7] 彭蓓，孟麗君.分布式光纖光柵傳感的研究與發(fā)展[J].軟件導(dǎo)刊，2012(6).

[8] 楊興，胡建明，戴特力.光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(4).

[9] 龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[10] 朱鴻鵠，殷建華，靳偉，等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的地基基礎(chǔ)健康監(jiān)測研究[J].土木工程學(xué)報，2010(6).

[11] 陳朋超，李俊，劉建平，等.光纖光柵埋地管道滑坡區(qū)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2010(6).

[12] 胡志新，王震武，馬云賓，等.溫度補(bǔ)償式光纖光柵土壓力傳感器[J].應(yīng)用光學(xué)，2010(1).

[13] 趙濤.基于光纖光柵溫度傳感的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測原理及方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[14] 姚宏旭，韋秉旭.淺談邊坡滑坡監(jiān)測中測斜數(shù)據(jù)曲線的定性分析和判斷[J].工程建設(shè)，2011(3).

中圖分類號：U 416.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0025-03