廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105

近年來(lái)隨著工程項(xiàng)目用地緊張，開(kāi)山修路、挖山填海造地形成了大量人造邊坡。而由地震、降雨和人工因素等觸發(fā)的邊坡變形過(guò)大，甚至滑坡等地質(zhì)災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。此類(lèi)事故多發(fā)生于完工但未建立整體全局位移監(jiān)控的已建邊坡，因此建立完整的邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)和早期變形預(yù)警系統(tǒng)顯得非常重要。

1 現(xiàn)有邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)情況

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家從20 世紀(jì)40 年代開(kāi)始做了大量邊坡監(jiān)測(cè)的研究工作，主要有依靠人工的傳統(tǒng)技術(shù)和利用先進(jìn)電子設(shè)備的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)［1］。

（1）傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)有：大地測(cè)量法、鉆孔（豎井）測(cè)斜法、巖土體應(yīng)力法、孔隙水檢測(cè)法等。這些技術(shù)基本依靠人工定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工作量大，時(shí)效性較差，而且無(wú)法在惡劣的氣候條件下實(shí)施。另外，所采用的傳感元件尺寸普遍較大、抗干擾性和穩(wěn)定性較差、精度低。

（2）針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的不足，研發(fā)出的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，如：“3S”技術(shù)、時(shí)域反射（TDR）技術(shù)、地面激光掃描技術(shù)、光學(xué)影像（CCD）轉(zhuǎn)換技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)等。但這些技術(shù)在工程應(yīng)用中也存在幾方面問(wèn)題：①技術(shù)應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)施工難度大，技術(shù)成本高。②監(jiān)測(cè)條件范圍有局限性。現(xiàn)有的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)可能只適用于某些特定條件下的監(jiān)測(cè)。例如InSAR 技術(shù)還不太適用于小范圍的突發(fā)性的滑坡、泥石流等活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。而遙感、光學(xué)影像等技術(shù)，對(duì)惡劣天氣、植被覆蓋、邊坡變形量小及變形緩慢等情況，缺乏有效的解決手段。③邊坡監(jiān)測(cè)資料分析和理論模型研究不足。④多數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)要在工程設(shè)計(jì)階段提前介入，并隨著工程施工進(jìn)度逐步布設(shè)。對(duì)于已經(jīng)建成的邊坡無(wú)法補(bǔ)充設(shè)置。

2 光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

布里淵時(shí)域反射原理（stimulated Brillouin optical timedomain reflectometer，BOTDR）表明光纖中的布里淵散射光頻率變化量（頻移量）與光纖軸向應(yīng)變或環(huán)境溫度之間存在線(xiàn)性關(guān)系，光纖傳感技術(shù)則根據(jù)這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感。分布式光纖系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)幾十公里范圍內(nèi)光纖沿線(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)，應(yīng)變測(cè)量精度為±1.0%，傾斜傳感器則測(cè)出0.001°的偏轉(zhuǎn)，可根據(jù)工程要求對(duì)光路進(jìn)行逐段掃描，以獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象整體的溫度、變形、受力、傾角等變化情況，具有抗電磁干擾、防水、抗腐蝕、耐久性長(zhǎng)等特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的受力性能沒(méi)有影響，特別適用于后期增設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完工邊坡。

3 光纖傳感器布設(shè)技術(shù)

3.1 在實(shí)際邊坡監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用中需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）采取相應(yīng)的保護(hù)措施或采用特殊封裝的傳感光纜（如鎧裝光纖），以保證在工程施工和后期監(jiān)測(cè)中不被損壞。

（2）設(shè)置溫度補(bǔ)償光纖，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)應(yīng)變結(jié)果的影響。

（3）對(duì)已完工而未布設(shè)傳感器的邊坡，需針對(duì)不同邊坡形式，不削弱監(jiān)測(cè)對(duì)象性能為前提，采取不同光纖錨固、黏貼方式。

（4）采用新型監(jiān)測(cè)傾角位移的傳感器，監(jiān)測(cè)豎向鋼筋混凝土擋土墻式邊坡在為主動(dòng)土壓力作用下的整體傾斜。

3.2 不同邊坡光纖傳感器布設(shè)方法

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2012 中規(guī)定，不同土質(zhì)條件的邊坡形式有自然坡面或鋼筋混凝土格構(gòu)梁加固邊坡。若空間受限無(wú)法設(shè)立邊坡，則可采用鋼筋混凝土重力式擋土墻來(lái)防止變形。故針對(duì)不同邊坡也應(yīng)采用不同的變形監(jiān)測(cè)布設(shè)方案。

（1）在自然邊坡表面上布設(shè)。根據(jù)實(shí)際工程地形、范圍及監(jiān)測(cè)方案的要求，經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方式及測(cè)點(diǎn)布置位置。確定光纖橫縱向間隔、繞行方式，以及溫度補(bǔ)償光纖布置位置。

如圖1a 所示，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖紙實(shí)地安裝光纖，用樹(shù)脂或熱熔膠將光纖牢固粘結(jié)于PVC 管（直徑15mm）表面。間隔5～10m 用長(zhǎng)0.2m 水泥釘，將PVC 管固定在監(jiān)測(cè)邊坡表面。在完成光纖安裝后，連接信號(hào)解調(diào)儀，對(duì)光纖進(jìn)行初始校準(zhǔn)，以便于和投入使用后收集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)表層巖土體發(fā)生位移時(shí)，將帶動(dòng)PVC 管發(fā)生彎曲變形，并使附著的光纖發(fā)生拉伸。BOTRD 可分析反饋的信號(hào)，確定信號(hào)異常的區(qū)域，并在遠(yuǎn)程終端給予預(yù)警。

圖1 布設(shè)示意圖

（2）在邊坡格構(gòu)梁上布設(shè)。對(duì)土層情況較為復(fù)雜或者較陡的邊坡，常采用鋼筋混凝土格構(gòu)地梁加固。為保證土體、地梁和光纖協(xié)調(diào)變形，可在已施工澆筑完成的地梁表面鑿刻深4cm左右的凹槽。將黏貼光纖的PVC 管埋入凹槽，再用細(xì)砂漿填縫，同時(shí)用膨脹螺栓間距1 米進(jìn)行固定（圖1b）。當(dāng)植入光纖的縱橫格構(gòu)梁形成完整監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，外部接頭用金屬波紋管進(jìn)行保護(hù)，并在臨近位置布置自由光纖進(jìn)行溫度補(bǔ)償。接線(xiàn)完成后在解調(diào)儀上檢測(cè)是否有斷點(diǎn)，并完成調(diào)試。

（3）在豎直擋土墻上布設(shè)。對(duì)于近似垂直的鋼筋混凝土擋土墻，因其整體剛度較大，在開(kāi)裂、隆起前就可能發(fā)生整體傾斜變形，而這一變形將使得表面分布式光纖的監(jiān)測(cè)失效。為了解決這一問(wèn)題研發(fā)出光纖傾斜傳感器，并將其封裝于密閉不銹鋼盒子中。根據(jù)不同尺寸擋土墻設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，只需用膨脹螺栓將其固定于擋土墻表面，相互之間用鎧裝光纖聯(lián)結(jié)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，對(duì)光纖傾斜傳感器進(jìn)行初始化數(shù)據(jù)校準(zhǔn)（圖2）。

1-光纖傾斜傳感器，2-信號(hào)傳輸光纖，3-垂直邊坡?lián)鯄Γ?-邊坡后土

3.3 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控體系的建立

（1）在光纖傳感器按布設(shè)方案完成設(shè)置和校準(zhǔn)之后，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維定位，并將采集的三維坐標(biāo)輸入電腦，構(gòu)建完整的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維可視化模型。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移預(yù)警。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)事先對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)（含基準(zhǔn)點(diǎn)）的變形位移值進(jìn)行了預(yù)警設(shè)置，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值達(dá)到預(yù)警值，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，并給出達(dá)到預(yù)警值的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及變形值，同時(shí)在可視化模型中顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置，實(shí)現(xiàn)早期防控的目的［2］。

（3）系統(tǒng)工作原理［3］

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，提出了光纖傳感器在已建成邊坡變形監(jiān)控上的幾種方法，并首次將傾斜彌補(bǔ)豎直鋼筋混凝土擋土墻整體傾斜的監(jiān)測(cè)空白。詳細(xì)闡述了自然土體邊坡、格構(gòu)梁加固邊坡和豎直鋼筋混凝土擋土墻三種最常見(jiàn)邊坡光纖傳感器的布置方法，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控體系的設(shè)置方案，對(duì)已建成邊坡變形的有效監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。