庫岸邊坡變形場與水分場光纖監(jiān)測技術研究

汪其超，孫義杰，施 斌，曹鼎峰

（1.南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210046；2.南京工業(yè)大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 211800）

1 研究背景

每當新的水庫興建，庫區(qū)沿岸原有地質(zhì)環(huán)境和自然條件的平衡會被打破，可能導致古滑坡的復活和新滑坡的產(chǎn)生，從而改變河流水文情況、影響航道運行、產(chǎn)生堰塞湖等諸多隱患，對沿岸居民、建筑、農(nóng)田等形成巨大的危害［1］。建立庫岸滑坡的多場監(jiān)測系統(tǒng)則可以了解和掌握滑坡體演變過程，為滑坡的穩(wěn)定性評價、預測預報及治理提供科學依據(jù)，對保障庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

分布式光纖感測技術（DFOS）近十多年來迅速發(fā)展，它包括全分布式測量感測光纖應變的布里淵光時域反射技術（BOTDR）［2］，全分布式測量感測光纖溫度的拉曼光時域反射技術（ROTDR）［3］和準分布式高精度測量應變和溫度的布喇格光纖光柵測量技術（FBG）［4］。DFOS技術具有分布式、高量程、高精度、大面積、長距離傳輸和實時在線監(jiān)測的優(yōu)點，可通過分布式光纖監(jiān)測網(wǎng)絡獲得滑坡體在空間和時間上連續(xù)的分布信息，當滑坡體的變形場或水分場發(fā)生改變時，監(jiān)測系統(tǒng)可感知它們的分布和大小。DFOS技術目前已廣泛應用于水利、建筑、礦山等地質(zhì)災害的監(jiān)測。如Iten等［5］利用BOTDA技術，通過埋入光纖應變傳感器，定位并獲取了滑坡邊界和深部變形；張丹等［6］應用BOTDR光纖傳感監(jiān)測技術對某隧道進行了監(jiān)測研究，并論證了該技術應用于巖土工程等結(jié)構物監(jiān)測的可行性和優(yōu)勢；程剛等［7］開展了基于BOTDR分布式光纖感測技術的采動覆巖變形現(xiàn)場試驗研究，為實現(xiàn)煤礦安全高效開采提供了一種新的監(jiān)測技術。

本文通過介紹ROTDR、BOTDR和FBG這3種光纖感測技術，以及課題組基于這3種技術研發(fā)的滑坡體變形場與水分場監(jiān)測技術，并以三峽馬家溝I號庫岸滑坡為例，介紹了DFOS監(jiān)測方案、傳感器布設工藝和部分水分場、變形場的監(jiān)測成果，驗證DFOS技術應用于庫岸滑坡變形場和水分場監(jiān)測的可行性。

2 庫岸邊坡光纖監(jiān)測技術的特點

目前庫岸滑坡的監(jiān)測主要集中在滑坡體的變形場和水分場的監(jiān)測，隨著我們對庫岸邊坡的預報和防治愈加重視，庫岸邊坡監(jiān)測技術也在不斷地發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到儀器監(jiān)測及自動化監(jiān)測階段。表1是幾種常規(guī)的庫岸邊坡監(jiān)測技術［8］，由表可知：常規(guī)的庫岸邊坡監(jiān)測技術具有各自的優(yōu)點，但每種技術都存在一定局限性，如應用條件嚴格、多為點式監(jiān)測、精度不高、價格昂貴等［9］，因此還無法完全適應現(xiàn)代庫岸滑坡監(jiān)測的要求。

分布式光纖感測技術（DFOS）是一種以光為載體，以光纖為媒介，感知并傳輸被測量外界信號的新型傳感技術。將DFOS技術應用于庫岸邊坡具有以下優(yōu)勢：基于DFOS技術的監(jiān)測方法可獲得滑坡體變形場和水分場的變化，實現(xiàn)了分布式、高量程、高精度、大面積和實時在線監(jiān)測，彌補了常規(guī)庫岸邊坡監(jiān)測方法的不足；基于DFOS技術的傳感器具有體積小、高精度、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，彌補了常規(guī)監(jiān)測儀器（如振弦式滲壓計）的測量精度低且缺乏長期穩(wěn)定性的不足［10］；基于DFOS技術的傳感器相較于常規(guī)的監(jiān)測手段（如位移計、滲壓計），安裝、測試更加簡單，光纜可回收，降低了人力、材料成本，具有更高的性價比。由于DFOS技術相較于其它監(jiān)測技術具有明顯的優(yōu)勢，它將進一步成為國內(nèi)外競相研發(fā)、應用的熱點項目，也將在庫岸邊坡的監(jiān)測中得到更深入的應用研究。

表1 幾種常規(guī)的庫岸邊坡監(jiān)測技術

3 庫岸邊坡光纖監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法

3.1 庫岸邊坡光纖監(jiān)測系統(tǒng)

3.1.1 FBG光纖光柵無線監(jiān)測系統(tǒng) 本項目采用的監(jiān)測系統(tǒng)為蘇州南智傳感科技有限公司研發(fā)的NZS-FBG-A01型無線監(jiān)測系統(tǒng)，分為傳輸和監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

該產(chǎn)品可用于長時間的現(xiàn)場測量，多個傳感器通道可以同時解調(diào)多條光纖上的傳感器或進行通道分析，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸條件采用無線通訊將獲得所有數(shù)據(jù)，并傳送至客戶端軟件測試系統(tǒng)，進行實時過程監(jiān)測。表2是該解調(diào)儀系統(tǒng)的測試參數(shù)。

課題組于2015年1月成功將FBG無人值守監(jiān)測系統(tǒng)應用于三峽馬家溝滑坡監(jiān)測項目中。根據(jù)近半年的數(shù)據(jù)分析，證明該系統(tǒng)可對滑坡體中深部變形、滲流滲壓及地下水位進行遠距離、實時在線監(jiān)測，并且信號傳輸非常穩(wěn)定，對于及時獲取和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握現(xiàn)場滑坡體水分場、變形場情況提供了一個先進的監(jiān)測手段。

圖1 FBG傳感器應用示意

表2 NZS-FBG-A01型無人值守FBG解調(diào)儀參數(shù)表

表3 DTS技術參數(shù)表

3.1.2 基于ROTDR的分布式光纖溫度測量系統(tǒng)（DTS） 基于ROTDR技術的分布式光纖溫度測量系統(tǒng)（Distributed Temperature Sensors，DTS）主要包含工控主機、溫度監(jiān)測主機、測溫光纜、組態(tài)軟件、分析軟件。課題組研究采用的Sentinel DTS主要參數(shù)見表3。

3.1.3 BOTDR監(jiān)測系統(tǒng) BOTDR監(jiān)測系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲存與傳輸、數(shù)據(jù)處理等部分組成。采用的終端光纖應變解調(diào)儀為N8511型BOTDR，表4為N8511主要參數(shù)。

表4 N8511光纖應變分析儀的主要技術性能指標

3.2 庫岸邊坡光纖監(jiān)測方法

3.2.1 庫岸邊坡變形場監(jiān)測

（1）監(jiān)測技術及方法。庫岸邊坡向滑坡演化的過程中，巖土體的變形破壞通常是漸進性的［11］。通過對庫岸邊坡巖土體的變形場進行測量，可以監(jiān)測其動態(tài)演化規(guī)律，建立滑坡演化模式，預測預報滑坡體的失穩(wěn)滑動［1］。監(jiān)測對象包括巖土體深部和淺層變形場。監(jiān)測時，利用BOTDR的全分布式和FBG的高精度監(jiān)測的優(yōu)點，可采用BOTDR與FBG兩種光纖傳感技術相結(jié)合的技術方案。

（2）深部巖土體變形場監(jiān)測。庫岸邊坡巖土體深部變形場監(jiān)測通常采用鉆孔埋設測管的方法，即將基于BOTDR和FBG技術的應變感測光纜粘貼于測斜管外壁，將測斜管下放到指定深度，再對鉆孔進行回填充實，如圖2所示。通過對光纖傳感光纜應變進行監(jiān)測，可對滑坡體深部滑動面進行定位，繼而掌握滑坡體的演化過程及規(guī)律，實現(xiàn)滑坡體失穩(wěn)滑動的預測預報。

（3）淺層巖土體變形場監(jiān)測。庫岸邊坡巖土體淺層變形場監(jiān)測可采用感測光纖溝槽定點布設的方法，即在溝槽開挖完成后，在槽內(nèi)每隔一定間距設置錨固點，將基于BOTDR和FBG技術的應變感測光纜施加一定預應變后逐點固定于錨固點上，如圖3所示。

3.2.2 庫岸邊坡水分場監(jiān)測

（1）監(jiān)測目的。庫水位的周期性變化將對庫岸滑坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。庫水位上升時，邊坡內(nèi)部地下水將出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象，地下水浸潤線上升，浸潤線上部土體含水率增加；庫水位下降時，邊坡內(nèi)部地下水浸潤線下降，浸潤線上部土體含水率減小［12］。通過監(jiān)測庫岸邊坡地下水位及含水率的變化規(guī)律，即可掌握邊坡體內(nèi)部水體變化情況，從而為邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

（2）C-DTS含水率光纖測試。根據(jù)C-DTS測試技術原理［13］，可將碳纖維內(nèi)加熱式溫度感測光纜縱向植入滑坡體深部（圖4）。采用單節(jié)長度為4 m，直徑為5 cm的PVC管作為內(nèi)管，環(huán)氧樹脂膠對內(nèi)管兩端的接口螺絲進行粘合固定，將碳纖維內(nèi)加熱光纜螺旋式纏繞于內(nèi)管上，逐節(jié)將成品下放于鉆孔內(nèi)，安裝后采用中細砂對鉆孔進行回填，完成光纜布設工作。

圖2 應變感測光纜布設圖

圖3 溝槽應變感測光纜布設示意

圖4 碳纖維內(nèi)加熱光纜及FBG滲壓計布設圖

圖5 FBG滲壓計原理圖

（3）FBG滲壓計水位監(jiān)測。將FBG滲壓計埋設于鉆孔中監(jiān)測邊坡深部孔隙水壓力，在孔內(nèi)同一光纜不同位置串聯(lián)多個FBG滲壓計，實現(xiàn)分層監(jiān)測，圖5為FBG滲壓計原理圖。預先向孔內(nèi)倒入20～40 cm厚的中粗砂，將表面包裹好紗布的滲壓計放入孔中［14］，并在孔口對其固定。滲壓計檢驗合格后，其上回填20～40 cm厚中粗砂，再填入10～20 cm細砂，最后在余孔段灌入水泥膨潤土漿，完成FBG滲壓計的布設。

4 庫岸邊坡光纖監(jiān)測實例及分析

4.1 馬家溝滑坡光纖監(jiān)測

4.1.1 監(jiān)測實例簡介 馬家溝I號滑坡位于三峽庫區(qū)長江支流吒溪河左岸，整體呈舌形分布，發(fā)育有多級緩坡平臺和分布較多的陡坎，邊坡基巖地層巖性主要為石英砂巖和粉砂巖，基巖上部為粉質(zhì)黏土及石英砂巖碎塊，結(jié)構松散，透水性強，遇水易軟化、泥化，是三峽地區(qū)易滑地層之一。鑒于此，2012年8月開始應用分布式光纖感測技術對滑坡進行光纖布設、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測分析工作。前期監(jiān)測結(jié)果顯示，DFOS技術可以準確地識別和定位滑坡體深部滑動面，實現(xiàn)探索馬家溝滑坡體內(nèi)部變形規(guī)律［15］。

為進一步掌握馬家溝滑坡體中水分場對變形場的影響，掌握滑坡動態(tài)演化過程，采用課題組新近研發(fā)的C-DTS技術，對滑體中的水分場進行了分布式監(jiān)測。同時，結(jié)合NZS-FBG-A01光纖光柵無線監(jiān)測系統(tǒng)，對滑坡體變形場進行遠程實時在線監(jiān)測（圖6）。

4.1.2 水分場監(jiān)測 為實現(xiàn)滑坡體水分場的監(jiān)測，沿滑坡體主滑方向補充設置了3個光纖綜合監(jiān)測孔（圖6），沿坡體從下到上編號依次為OFS5、OFS4、OFS6，對應測孔深度分別為37.5 m，40 m，28 m。用紗布制作成反濾砂包，將滲壓計包裹其中。成孔后，采用直埋方式在確定孔深處布設FBG滲壓計，用于滑坡孔壓及地下水位監(jiān)測。單節(jié)鋁制測斜管長度為4 m，將碳纖維內(nèi)加熱式溫度感測光纜環(huán)向繞制于測斜管上，用布基膠帶將光纜固定，再用熱縮管對光纜進一步保護，制作過程如圖7。

圖6 光纖傳感器布設位置示意

4.1.3 變形場監(jiān)測 為監(jiān)測滑坡體深部變形場，采用全接觸粘貼方式沿測斜管外壁對稱布設應變感測光纜，在測斜孔內(nèi)布設直埋式應變感測光纜。為監(jiān)測坡體淺層變形場，在坡體前緣OFS1孔高程處新布設橫向測線SF3和縱向測線SF4（圖5），其中SF3垂直于主滑方向，SF4平行于主滑方向。分別采用定點和直埋的方式布設應變感測光纜，用于坡體淺層場監(jiān)測，施工狀況如圖8。布設、回填完成后在地表砌筑光纖綜合監(jiān)測墩，將通信光纜一端與感測光纜熔接，熔接端置于電表箱內(nèi)封閉保護，另一端引至監(jiān)測站，便于后期采集數(shù)據(jù)。

圖7 碳纖維內(nèi)加熱光纜布設圖

圖8 溝槽施工圖

4.1.4 光纖的保護 為提高光纖在鉆孔及槽內(nèi)的成活率，獲得長期、有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，施工中采取以下措施：（1）將0.9 mm應變光纖粘貼于管壁四周凹槽，于表面均勻涂抹環(huán)氧樹脂，形成高強度覆蓋層以保護光纖；（2）直埋于土體中的光纖采用金屬基索狀結(jié)構，光纖外表包有高強度金屬加強件，提高了傳感光纖的強度；（3）鉆孔中布設好管壁光纖、直埋光纖后，回填材料采用細砂、黏土球，按一定配比混合均勻后逐次回填，減少對光纖的磨損；槽底部布設直埋式應變感測光纜，上層覆蓋20 cm厚度細粒土，再回填不含碎石的原位土。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

4.2.1 OFS5孔滲壓水位與庫水位比較 根據(jù)每日公布的三峽庫區(qū)水情數(shù)據(jù)，取茅坪水文站2016年1月20日至3月23日的庫水位數(shù)據(jù)，與相同時段OFS5孔滲壓水位對比分析。由圖9可知：除去個別數(shù)據(jù)，1月20日至3月23日期間，滲壓水位與庫水位的變化規(guī)律基本一致。因此，可通過FBG滲壓計讀數(shù)較好地反映庫水位變化規(guī)律，從而對庫岸邊坡的水分場進行分析。

4.2.2 OFS5孔滲壓水位與測斜管應變比較 將OFS5孔的滲壓水位與黏貼式應變感測光纜的變形進行比較，由圖10可知：2016年1月21日至1月30日，邊坡前緣水位在緩慢下降，測斜管所受的應變增速較小；1月30日至3月3日，水位下降速率在增大，測斜管的變形增速也增大；3月3日至3月8日，水位在快速下降，測斜管所受應變的增速進一步增大；3月8日之后水位有所上升，應變增速減小?？芍核蛔兓c邊坡變形密切相關，水位加速下降過程中，應變增速在增加，上升過程中，應變增速減小。

圖9 滲壓水位與庫水位

圖10 滲壓水位及測斜管應變

4.2.3 基于C-DTS技術的土體含水率部分監(jiān)測結(jié)果由圖11可知，地下深度在0～3.8 m范圍，土體體積含水率在0.15～0.23范圍內(nèi)波動；3.8 m～4 m范圍，土體體積含水率出現(xiàn)突變，由0.17驟增至0.35；4 m以下時，土體體積含水率基本穩(wěn)定在0.34～0.43之間。根據(jù)實驗室的測定，土體含水率在0.32以上時土體已經(jīng)飽和，由此可判定0～3.8 m深度范圍土體處于非飽和狀態(tài)，4 m以下深度土體為飽和狀態(tài)，即地下4 m深度處為地下水位深度，與實測水位深度一致。

5 結(jié)論

圖11 滑坡土體含水率隨深度變化曲線

本文介紹了庫岸邊坡水分場和變形場的DFOS光纖監(jiān)測技術，提出了水分場與變形場的監(jiān)測方法，結(jié)合三峽馬家溝庫岸滑坡，建立了基于DFOS技術的光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對水分場及變形場的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，得到以下結(jié)論：（1）FBG滲壓計讀數(shù)能很好的反映出庫水位的變化規(guī)律。（2）邊坡變形場與庫水位變化密切相關，庫水位下降，變形速率增大；水位上升，變形速率降低。（3）C-DTS技術可以準確測定土體中水分場的變化規(guī)律，可確定滑坡體滑動面地下水位變化規(guī)律。（4）監(jiān)測結(jié)果證明了DFOS技術對庫岸邊坡水分場和變形場的監(jiān)測的可行性，值得推廣應用。（5）由于監(jiān)測時間較短，測得水位數(shù)據(jù)主要處于庫水位下降過程，所得的結(jié)論還不夠充分，因此下一步將繼續(xù)對馬家溝滑坡進行跟蹤監(jiān)測，確定庫水位下降及上升的完整周期內(nèi)水分場與變形場的變化及其相互聯(lián)系。

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