基于光纖光柵技術的邊坡測斜裝置的改裝與應用

馮小雨 王培倫 郭 威

(長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410076)

·巖土工程·地基基礎·

基于光纖光柵技術的邊坡測斜裝置的改裝與應用

馮小雨 王培倫 郭 威

(長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410076)

將光纖布拉格光柵傳感技術應用于邊坡監(jiān)測中，通過對現(xiàn)有傳感器和測斜裝置的改裝，設計了一種新的邊坡測斜裝置，并將該項成果用于龍永高速公路某邊坡的現(xiàn)場穩(wěn)定性監(jiān)測中，簡述了光纖布拉格光柵傳感技術現(xiàn)場應用時的元件安裝、數(shù)據(jù)采集及分析等工作，證實了該改裝方案的可行性。

光纖光柵，邊坡監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集，改裝設計

0 引言

由于邊坡工程大多處于荒山野外，公路在建設施工中，由于地質不良、高山峽谷、人為因素等原因，高邊坡穩(wěn)定性問題非常顯著，因此對邊坡進行長期有效的監(jiān)測是十分有必要的[1，2]。近年來光纖傳感技術被引入邊坡工程監(jiān)測中，使得邊坡工程監(jiān)測實現(xiàn)集成化、自動化和遠程控制已成為一種可能。但由于邊坡所處復雜的地形地貌、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的推廣應用，也對光纖傳感器的選用、安裝和數(shù)據(jù)采集提出更高要求，對工程監(jiān)測人員的專業(yè)性提出更高要求[3-5]。

1 光纖傳感技術

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。入射光波長λ=2nΛ被光纖光柵反射，形成反射波。反射波中心波長λ與光柵周期Λ、纖芯有效折射率n有關。當外界被測因素如溫度、應力發(fā)生改變時，都會引起反射波中心波長的變化。其相互間關系為：

(1)

傳感器的波長指的是光纖光柵反射譜中的尖峰中心波長，其峰值隨應變、溫度變化而改變。傳感器中心波長通過光纖光柵傳感分析儀來進行解調轉換為數(shù)字信號。

1.2 原位測斜儀改裝設計

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

現(xiàn)場安裝時，要對邊坡每級臺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斜儀放置在孔中央，用細砂回填孔隙至孔口，多出地面部分測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

光纖光柵應變計可通過達卡公司提供的LC-FBG-DS100型號的光纖光柵分析儀進行數(shù)據(jù)的讀取及采集，LC-FBG-DS100設備提供了FC/APC光學接口，只要將與應變計相連的光纜的光學接頭接入光纖光柵分析儀，即可讀出所需數(shù)據(jù)，并可對數(shù)據(jù)進行存儲。利用LC-FBG-DS100型號的光纖光柵分析儀進行讀數(shù)時，要采集一個初始數(shù)據(jù)，以便進行后期數(shù)據(jù)采集參照。進行初始數(shù)據(jù)采集時，要使光纖光柵原位測斜儀處于空載狀態(tài)即應變計不受力狀態(tài)，這樣，初始讀數(shù)與零壓力相對應，否則初始讀數(shù)會與未知的壓力水平相一致。因此在測斜儀未埋入孔結構時進行初始數(shù)據(jù)采集。

2 邊坡光纖監(jiān)測工程實例

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91.21 km。此監(jiān)測邊坡位于14標合同段永龍界隧道口邊，樁號K56+910，坡長113 m，坡高27 m，坡角為47°，分為兩級開挖，屬重點監(jiān)測邊坡。根據(jù)地質勘探評價表可知，該路塹山體表層由強風化泥質頁巖、碎石、粉質粘土組成，下層為弱風化層軟巖。由于此邊坡位于永龍界隧道口，一旦失穩(wěn)垮塌，將嚴重影響交通安全。因此，業(yè)主方已委托承建方對此邊坡進行了加固處理，具體加固方案為：一級坡采用錨桿注漿，表面噴射混凝土刷坡防護，二級坡采用方格骨架植草防護。

2.2 光纖光柵測斜儀布設

作為重點邊坡監(jiān)測工程，本邊坡于一級坡頂平臺鉆探4個深度為14 m的孔(由遠及近往隧道口方向分別編號為1號，2號，3號，4號孔)用來埋設光纖光柵原位測斜儀，總共安裝了56個應變傳感器、4個溫度補償傳感器、4個液位計，所有傳感器均用傳輸光纜進行了串聯(lián)保護和封裝，組建了一個光纖傳感邊坡監(jiān)測及預警系統(tǒng)，對邊坡的加固效果及穩(wěn)定狀態(tài)進行了長期有效的監(jiān)測。監(jiān)測對象主要為邊坡土體內水位變化及深層位移變化引起的邊坡變形趨勢。由于現(xiàn)場安裝的傳感器都是基于光纖光柵傳感技術，故在進行數(shù)據(jù)采集時只需一臺光纖光柵解調儀即可，大大降低了數(shù)據(jù)采集難度及誤差，提高了監(jiān)測效率。

深部測斜儀布設圖見圖3。

2.3 監(jiān)測結果及分析

利用無線以太網(wǎng)實現(xiàn)LC-FBG-DS100型號的光纖光柵分析儀與筆記本電腦對接，現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動采集、無線傳輸，以Excel表格形式呈現(xiàn)采集結果。用式(1)將采集結果計算出相應各測點應變值，利用差分法求解出深部測斜儀相應各測點撓度值。目前監(jiān)測工作已進行了半年有余，圖4～圖7是部分監(jiān)測結果。

由監(jiān)測結果可知：

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，月累計位移量最大達到34 mm，但仍遠小于工程經(jīng)驗閾值5 mm/d，在深度3 m～8 m范圍內水平位移曲線變化明顯，依據(jù)監(jiān)測工程經(jīng)驗可知破壞通常發(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，其原因是一級坡體幾月前采取了小管棚注漿超前支護和錨桿防護措施，邊坡內土體凝固較好，邊坡整體穩(wěn)定性較好，加固效果良好。

3 結語

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

2)從應用層面來看，依托龍永高速公路沿線某邊坡加固工程，實現(xiàn)了光纖布拉格光柵傳感技術現(xiàn)場應用時的元件安裝、數(shù)據(jù)采集及分析等工作，并進一步證明此方法的可行性及改進優(yōu)化的可能性。利用光纖傳感技術監(jiān)測龍永高速14標合同段樁號K56+910高邊坡內部深層位移，由監(jiān)測結果得知坡體內水平位移發(fā)生最大處集中在5 m～7 m，位移最大1.13 mm/d，遠小于工程閾值5 mm/d，該邊坡整體穩(wěn)定性良好。

[1] 趙 歡,李東升.某公路高邊坡施工監(jiān)測分析[J].公路工程,2014,39(5):63-67.

[2] 李世貴,任 仁.高路堤軟基深部變形機理及位移響應規(guī)律[J].公路工程，2013,38(3)：22-26.

[3] 丁 勇,施 斌,崔何亮，等.光纖傳感網(wǎng)絡在邊坡穩(wěn)定監(jiān)測中的應用研究[J].巖土工程學報,2005,27(3):338-342.

[4] 隋海波,施 斌,張 丹，等.邊坡工程分布式光纖監(jiān)測技術研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(2):3725-3731.

[5] 劉 杰，施 斌，張 丹，等.基于BOTDR的基坑變形分布式監(jiān)測實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006，27(7):1224-1228.

[6] 歐進萍，周 智，武湛君，等.黑龍江呼蘭河大橋的光纖光柵智能監(jiān)測技術[J].土木工程學報，2004,37(l):45-50.

[7] Hill K O，F(xiàn)ujii Y， Johnson D C， et al. Photosensitivity in optical fiber waveguide：application to reflection filter fabrication[J].Applied Physics Letters，1978,32(10):647-649.

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