巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù)研究

張繼寶

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 永安 366000)

近年來(lái), 光纖傳感技術(shù)發(fā)展較為迅速,受到人們廣泛關(guān)注,一步步成為繼光纖通信產(chǎn)業(yè)之后發(fā)展起來(lái)的又一大光纖應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè),其中分布式光纖傳感技術(shù)是國(guó)內(nèi)外當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。分布式光纖傳感測(cè)量原理是利用一維光纖空間的連續(xù)測(cè)量技術(shù)。其中,光纖作為感應(yīng)元件和傳遞元件,可用于沿光纖長(zhǎng)度方向測(cè)量光纖的參數(shù),并獲得測(cè)量空間構(gòu)成和隨時(shí)間改變的信息。分布式光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基于光纖拉曼散射或布里淵散射和頻域反射(R/B-OTDR/OFDR)、基于光纖瑞利散射的偏振光、反射技術(shù)(P-OTDR)的光時(shí)域反射領(lǐng)域,以及遠(yuǎn)距離光干涉技術(shù)、準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵的重復(fù)應(yīng)用技術(shù)等。近幾年,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)足發(fā)展,大量資金被投資到公路建設(shè)、鐵路建設(shè)、隧道建設(shè)等基礎(chǔ)工程設(shè)施中。為了保證工程安全,開(kāi)展對(duì)工程本身健康評(píng)價(jià)以及對(duì)其安全監(jiān)控量測(cè)是非常必要的。

目前的多數(shù)情況是我們都會(huì)對(duì)建筑設(shè)施(包括大型工程)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量。有時(shí)使用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和測(cè)量方法,如電感器或振動(dòng)弦,但傳感器主要依靠電磁感應(yīng)或振動(dòng),由金屬制成。這就可能受影響,如果巖土質(zhì)量相對(duì)較差,有水分,則會(huì)生銹、耐久性差、接觸不良、導(dǎo)電性差。低存活率的缺陷導(dǎo)致許多自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)量不能完成。傳統(tǒng)上,在均勻性布局中,上述方法有時(shí)被用來(lái)解決問(wèn)題,但有時(shí)會(huì)丟失一些東西。隨著工程建設(shè)的需要,工程建設(shè)中安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展受到了控制。在巖土工程和地質(zhì)過(guò)程中,二十世紀(jì)下半葉提出的分布式光纖傳感技術(shù)得以應(yīng)用,它可以在一個(gè)相對(duì)較新的項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)來(lái)監(jiān)測(cè)其安全性。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法相比,光纖不僅是一種傳感介質(zhì),而且是一種通信信道,可以在空間中連續(xù)測(cè)量。當(dāng)光纖技術(shù)與被檢測(cè)物體接觸,被測(cè)物體變化時(shí),它可以同時(shí)獲得整個(gè)光纖變化或溫度的平面分布圖。如果網(wǎng)格被布置,則可以獲得各種變形和溫度信息數(shù)據(jù)。它更有利于分析結(jié)構(gòu)在力和形狀上的變化,具有靈敏度高、抗磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)、絕緣性好、長(zhǎng)期使用好等優(yōu)點(diǎn)。由于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn),利用巖土工程地質(zhì)安全監(jiān)測(cè)是非常有利的,這就引起了工程界諸多學(xué)者的關(guān)注。

1 分布式光纖傳感技術(shù)的概述

光纖傳感這種技術(shù),主要是通過(guò)測(cè)量光纖傳輸光中一些如強(qiáng)度的、相位相關(guān)的參數(shù)變化,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的測(cè)量。分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)最具前景的技術(shù)之一,主要是因?yàn)樗哂锌芍貜?fù)使用和傳輸距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn),另外這也是光纖傳感、監(jiān)測(cè)這種技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。其中,光纖布拉格和光柵傳感技術(shù),這兩種分布式光纖傳感技術(shù)(bril-louin optic time domain reflectometry,BOTDR)是最具有前沿性的[2]。

在巖土工程和地質(zhì)工程中,分布式光纖傳感技術(shù)在其中起著較為重要的作用,是一種全新的工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù),在檢測(cè)工作中要用到相關(guān)的光纖變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以及相關(guān)的光波干涉測(cè)量基礎(chǔ)原理。這種技術(shù)可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行具體分析,且應(yīng)用光纖技術(shù)防護(hù)對(duì)相關(guān)的管道進(jìn)行保護(hù)。這樣就可以對(duì)結(jié)構(gòu)工程中的溫度變化監(jiān)測(cè)分析,且實(shí)現(xiàn)一定的控制目的。分布式光纖傳感技術(shù)有很高的應(yīng)用價(jià)值,其工作過(guò)程中主要通過(guò)傳播介質(zhì)的形式,來(lái)檢測(cè)空間信息,依據(jù)所得結(jié)果而制定相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分布圖。這種傳感器的特征表現(xiàn)為靈敏度較高、導(dǎo)電性能差和有很高的抗干擾能力,在地質(zhì)工程的監(jiān)測(cè)過(guò)程中有很高的應(yīng)用價(jià)值。

2 分布式光纖傳感器在巖土與地質(zhì)工程監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

根據(jù)土木工程的相關(guān)知識(shí),鋼筋混凝土的性能和巖土工程的質(zhì)量存在明顯的關(guān)系,其對(duì)整個(gè)工程的安全穩(wěn)定也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)情況變化時(shí),對(duì)應(yīng)的建筑工程質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)同樣的變化,可以通過(guò)分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)這種結(jié)構(gòu)檢測(cè)進(jìn)行分析,根據(jù)所得結(jié)論確定出混凝土結(jié)構(gòu)的不足,然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和維護(hù),滿足工程施工的相關(guān)要求。在此過(guò)程中,如果鋼筋銹蝕,則可以通過(guò)技術(shù)的檢測(cè)分析,為實(shí)現(xiàn)相關(guān)的監(jiān)測(cè)工程質(zhì)量目標(biāo)打下良好的基礎(chǔ)。在施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不滿足要求的情況下,可以通過(guò)這種技術(shù)為健康監(jiān)測(cè)提供可靠的支持,且根據(jù)所得結(jié)果制定相應(yīng)的保障方案,對(duì)相關(guān)巖土工程和地質(zhì)工程進(jìn)行科學(xué)規(guī)范的檢測(cè)。前期,有學(xué)者進(jìn)行了水電站的地質(zhì)平峒裂縫監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)通過(guò)光纖的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多量程、高精度的觀測(cè),為將分布式光纖應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[3]。通過(guò)這一技術(shù),明確相關(guān)的缺陷,提出更加有效的解決方案,確保巖土工程和地質(zhì)工程監(jiān)測(cè)工作正常有序進(jìn)行下去,確保了項(xiàng)目質(zhì)量。

2.2 邊坡監(jiān)測(cè)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,其和地質(zhì)、測(cè)量、幾何等密切相關(guān),在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用集合了這些技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)。這一技術(shù)是在二十世紀(jì)下半葉才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的。分布式光纖傳感技術(shù)是工程測(cè)量領(lǐng)域中的一項(xiàng)高新技術(shù),光纖傳感器以光為信息的載體,可以很好地滿足相關(guān)的檢測(cè)要求,具有穩(wěn)定性高、耐久性好、敏感性較高、反應(yīng)快、質(zhì)量小等特點(diǎn)。

我國(guó)很早就開(kāi)始應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù),主要使用于滑坡方面的監(jiān)測(cè),效果比較明顯。通過(guò)對(duì)光纖傳感在滑坡的監(jiān)測(cè)中進(jìn)行使用,積累的經(jīng)驗(yàn)還有技術(shù)方法以及監(jiān)測(cè)方法的研究,為工程質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)工程中邊坡工程質(zhì)量和附近的建筑質(zhì)量明顯相關(guān),其對(duì)周圍高速公路等區(qū)域的安全也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如果邊坡監(jiān)測(cè)工作的質(zhì)量達(dá)不到要求,則可能導(dǎo)致出現(xiàn)滑坡、泥石流等相關(guān)問(wèn)題,產(chǎn)生一定的危害,這就要求在施工過(guò)程中要進(jìn)行巖土工程地質(zhì)監(jiān)測(cè),且要應(yīng)用到各種檢測(cè)設(shè)備,如將分布式光纖埋設(shè)到工程建筑中進(jìn)行監(jiān)測(cè),然后根據(jù)所得的結(jié)果分析判斷,制定有效的解決辦法,為工程的質(zhì)量和安全性打下良好的基礎(chǔ)。另外,在開(kāi)展這方面的安全監(jiān)測(cè)工作時(shí),應(yīng)該進(jìn)行全方面的分析和判斷,且在充分考慮到周邊土質(zhì)因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)行一定的排序處理,確定其影響大小。綜合不同因素,制定出不同的監(jiān)測(cè)方案,且進(jìn)行一定的優(yōu)化改進(jìn),更好地滿足應(yīng)用要求。只有這樣,監(jiān)測(cè)工作和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作等密切的結(jié)合起來(lái),才可以更好地發(fā)揮協(xié)同作用,為工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支持。如果巖土工程相關(guān)的檢測(cè)結(jié)果很準(zhǔn)確且精度高,則可以發(fā)揮出積極的應(yīng)用價(jià)值。而施工過(guò)程中應(yīng)該對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和設(shè)計(jì),同時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行一定的判斷分析,采取適當(dāng)?shù)拇胧?為保護(hù)工作提供一定的支持和幫助。如在北川縣西山坡滑坡群監(jiān)測(cè)和香港新界鹿徑道公路邊坡監(jiān)測(cè)中運(yùn)用光纖傳感技術(shù),分析了部分光纖監(jiān)測(cè)成果,總結(jié)了光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)[4]。

2.3 鉆孔灌注樁監(jiān)測(cè)

鉆孔灌注樁是很多樁基類型中的一種,樁基的好壞直接關(guān)系上部構(gòu)筑物的穩(wěn)定與安全。鉆孔灌注樁由于在地下,屬于隱蔽工程,工序比較多樣,在地質(zhì)條件復(fù)雜且難判斷情況下,其質(zhì)量控制難度比較大,稍有疏忽,容易出現(xiàn)樁體收縮、膨脹、淤泥、斷樁、礦渣相對(duì)厚度不均衡和鋼籠脫位等質(zhì)量缺陷,影響樁的完整性和T樁的承載力。因此,鉆孔灌注樁質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)是樁基工程中非常必要的工作,也是一項(xiàng)技術(shù)難度較大的中間環(huán)節(jié)[5]。目前,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)常用的檢測(cè)技術(shù)有樁基靜載試驗(yàn)、樁基動(dòng)力法監(jiān)測(cè)和超聲波檢測(cè)[6]。靜載試驗(yàn)的方法是當(dāng)前確定鉆孔灌注樁還有單樁豎向抵抗的抗壓力最常用的技術(shù)方法。在靜載荷試驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)量了樁在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變效應(yīng),了解了樁的承載機(jī)理,并在樁中埋設(shè)了各種鋼制應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變儀等傳感器元件。然而,傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器具有以下缺點(diǎn):埋藏的比較少時(shí),容易檢測(cè)不全;埋設(shè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),會(huì)對(duì)樁的承載力造成不良影響。另外,傳動(dòng)感應(yīng)器與傳導(dǎo)線的結(jié)合容易造成檢測(cè)點(diǎn)的不足和成活率不高,便不能發(fā)揮良好的作用。如采用樁基動(dòng)力測(cè)量和超聲波檢測(cè)作為間接測(cè)試方法,這兩種方法檢測(cè)動(dòng)態(tài)成分高,易受外界環(huán)境干擾,靜載荷試驗(yàn)的測(cè)試精度難以達(dá)到。而布里淵光時(shí)域反射計(jì)(BOTDR)是一種全面布置的檢測(cè)系統(tǒng),比較先進(jìn),具有全面布置功能,還可以在一端檢測(cè),沒(méi)有閉合,相距較遠(yuǎn),耐用性較好,抗外部影響,跟被測(cè)量物很好配合等優(yōu)點(diǎn),可以把點(diǎn)式檢測(cè)技術(shù)存在的不足進(jìn)行改進(jìn),已成為一些全球走在前面的國(guó)家爭(zhēng)相研究的一項(xiàng)前沿攻關(guān)技術(shù)[7]。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展,國(guó)內(nèi)外許多專業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)進(jìn)入這一領(lǐng)域,對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)在巖土工程和地質(zhì)工程中的研究有了初步探索。通過(guò)對(duì)巖土工程、地質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行的大量研究,發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具備了很大的發(fā)展空間,特別是在巖土工程安全監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的過(guò)程中,突出體現(xiàn)了應(yīng)用的廣度和深度。但是,下列問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究:一是對(duì)光纖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的后處理方法研究，對(duì)異常的數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因分析;二是分布式傳感技術(shù)的關(guān)鍵器件還有集成以及工程監(jiān)測(cè)和診斷等。希望以上兩個(gè)問(wèn)題成為未來(lái)光纖傳感技術(shù)研究的重點(diǎn),并加以解決。