基于光纖感測技術(shù)的鹽城陳家港地面沉降精細(xì)化過程研究

吳起帆，吳靜紅，賈立翔，唐柏鑒，龔緒龍

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011；2.蘇州南智傳感科技有限公司，江蘇 蘇州215123；3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院 自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，江蘇 南京210018）

地面沉降是指地面標(biāo)高持續(xù)下降的一種地質(zhì)現(xiàn)象，已成為世界各大城市的一個主要工程地質(zhì)問題[1]。多數(shù)地面沉降是由于大量開采地下水導(dǎo)致的，地面沉降的發(fā)生發(fā)展緩慢而不易察覺，是一種“慢性”災(zāi)害，因此，對地面沉降的長期監(jiān)測就顯得尤為重要。

目前，通過采用合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測可以獲取地表高程變化。秦曉瓊等[2]利用永久散射體雷達(dá)干涉技術(shù)（PSInSAR技術(shù)）監(jiān)測上海地面沉降，監(jiān)測結(jié)果與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較驗證，誤差在毫米級，驗證了該技術(shù)的有效性和實用性。潘登等[3]針對鄭州市地面沉降機(jī)理研究較薄弱的問題，利用InSAR和水準(zhǔn)技術(shù)分析出該地區(qū)地面沉降主要分布地區(qū)。羅建忠等、沈玉娜等[4-5]利用GPS監(jiān)測技術(shù)對地面沉降區(qū)域地表形變進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，驗證了該技術(shù)應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測的可行性。然而這些監(jiān)測技術(shù)主要適用于宏觀的區(qū)域性地面沉降趨勢分析，不能對地下不同深度土層的變形量進(jìn)行直接監(jiān)測。對于深部土體位移監(jiān)測，現(xiàn)階段主要采用基巖標(biāo)和分層沉降標(biāo)，如王美華等[6]以“三維立體化監(jiān)測”為目標(biāo)，提出了土體深層（分層）沉降監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢，并建立包含空中、地面、土體內(nèi)部的同步監(jiān)測，實現(xiàn)變形監(jiān)測智能評價和安全預(yù)警。王剛等[7]對鄭州市地面沉降監(jiān)測進(jìn)行場地選址、建標(biāo)深度確定等一系列施工，采用三牙輪鉆頭寶塔式鉆具組合不取心鉆進(jìn)施工工藝，對基巖標(biāo)的建設(shè)有一定的借鑒意義和推廣價值。但是該方法成本較高且只能對特定深度土層進(jìn)行變形監(jiān)測，無法實現(xiàn)鉆孔全斷面土層變形分析。

分布式光纖感測技術(shù)作為一種新型的監(jiān)測技術(shù)，能夠獲得地面沉降過程中多場多參量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精細(xì)化的沉降過程監(jiān)測，近些年已被試用于地面沉降監(jiān)測中[8]。顧凱等[9-11]利用它對一個300 m深鉆孔進(jìn)行了監(jiān)測，并對土層結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，通過識別沉降和變形演化過程，提供了沿整個河道的土體變形分布清晰圖像，證明了含水層的變形受孔隙水壓力的顯著控制，認(rèn)為該技術(shù)在地面沉降監(jiān)測中具有穩(wěn)定的長期監(jiān)測性能。

本文結(jié)合全分布式光纖監(jiān)測技術(shù)布里淵光時域反射技術(shù)（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR），和準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測技術(shù)布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG），對鹽城市響水縣陳家港中心小學(xué)內(nèi)的一個350 m深鉆孔土層進(jìn)行了近兩年半的監(jiān)測，分析評價了該地區(qū)地下含水層水體變動情況及地下土體受水體變動影響下的變形特征。

1 光纖感測技術(shù)原理

1.1 全分布式感測技術(shù)

BOTDR技術(shù)是基于入射光波與聲波或傳播的壓力波在光纖中傳播時產(chǎn)生的非彈性碰撞而出現(xiàn)的光散射[12]，可以看成入射光在移動光柵上的散射。其應(yīng)變測量原理如圖1所示。當(dāng)散射光能量達(dá)到最高時，能夠確定位置Z處的布里淵頻率漂移VB，布里淵散射光的頻移VB與光纖應(yīng)變ε呈線性關(guān)系，即

其中，VB（ε）是當(dāng)應(yīng)變?yōu)棣艜r的布里淵頻率的漂移量；VB0為在測試環(huán)境溫度不變的條件下，光纖自由狀態(tài)時的布里淵頻率漂移量；為光纖的應(yīng)變系數(shù)；ε為光纖的實際發(fā)生應(yīng)變量。

圖1 BOTDR的應(yīng)變測量原理圖[12]

1.2 準(zhǔn)分布式感測技術(shù)

FBG技術(shù)是通過改變光纖芯區(qū)折射率，使其產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的，其工作原理如圖2。當(dāng)溫度或應(yīng)變改變后，光纖的折射率發(fā)生了改變，從而引起光柵波長偏移。利用應(yīng)變和溫度之比與光柵波長偏移量的線性關(guān)系，得出被測體應(yīng)變量[13]。波長漂移量與應(yīng)變和溫度的關(guān)系可表示為?

其中，Δλβ為FBG中心波長的變化量；λβ為FBG中心波長；Pe為有效光彈系數(shù)；ε為光纖軸向應(yīng)變；ΔT為溫度變化量；α為光纖的熱膨脹系數(shù)；ζ為光纖的熱光系數(shù)。

準(zhǔn)分布式感測技術(shù)利用一根信號傳導(dǎo)光纖，將多個FBG傳感器串聯(lián)起來，通過波分復(fù)用和時分復(fù)用等感測原理，將多個傳感器的感測信號區(qū)分而獲得各個傳感器的感測信息。

圖2 FBG傳感系統(tǒng)原理[13]

2 鹽城陳家港地面沉降監(jiān)測方案

2.1 研究區(qū)域概況

鹽城響水地貌為平原，大面積覆蓋第四紀(jì)與新近紀(jì)沉積物，多為淤泥、淤泥質(zhì)亞黏土、亞黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、亞砂土等多層狀結(jié)構(gòu)的松散沉積物。近年來，鹽城響水通過圍海造陸、工程建設(shè)來發(fā)展經(jīng)濟(jì)，對區(qū)域內(nèi)大量高壓縮性、高含水量和低承載力的軟土產(chǎn)生的較大擾動，土體穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生地面沉降[14]。截止到2016年全市累計地面沉降量均大于100 mm，而累計地面沉降量大于200 mm的區(qū)域面積為10 812 km2，約占鹽城市總面積的63.86%（注：江蘇省地質(zhì)勘察技術(shù)院調(diào)查結(jié)果）。顧晟彥等[15]利用MapGIS中的空間分析功能將分布在鹽城北部的濱海、阜寧、響水射陽縣城等定為高危險區(qū)，如圖3所示。據(jù)此，將地面沉降觀測鉆孔地點選在鹽城響水，鉆孔具體位置處于鹽城市響水縣陳家港中心小學(xué)內(nèi)（見圖3）。

圖3 地面沉降危險性分區(qū)圖[15]及光纖監(jiān)測孔位置示意圖

2.2 監(jiān)測方案

監(jiān)測鉆孔深度為350 m，傳感器具體布設(shè)安裝方案如圖4所示。為實現(xiàn)鉆孔全斷面地層巖土體變形監(jiān)測，選用了地層定點雙芯全分布式傳感光纜，其內(nèi)部有兩根光纖，一根為250μm直徑光纖，另一根為900μm直徑光纖，兩根光纖均為局部定點松套光纜，可實現(xiàn)地層變形分段均一化測量和較大變形測量。

根據(jù)相關(guān)地層資料，在0～350 m深度范圍內(nèi)，分別在72 m、166 m和197 m含水層布設(shè)1支光纖光柵滲壓計用于監(jiān)測含水層內(nèi)滲水壓力變化情況，重點進(jìn)行水位監(jiān)控。此外，對于抽水含水層內(nèi)及其上部相鄰隔水層分別布設(shè)1支15 m標(biāo)距的光纖光柵位移計，用于監(jiān)測其變形情況。其中，抽水含水層內(nèi)位移計頭部深度101 m，尾部深度86 m，相鄰隔水層內(nèi)位移計頭部深度85 m，尾部深度70 m。

2.3 監(jiān)測實施

在鉆孔成孔完成后，對鉆孔進(jìn)行一次掃孔，并用清水進(jìn)行洗孔處理。將光纜和光纖光柵傳感器引線穿入到配重導(dǎo)頭內(nèi)，根據(jù)設(shè)計方案串接連線，將各光纜和引線串接成回路。使用環(huán)氧樹脂膠將光纜與導(dǎo)頭粘結(jié)，在其外面使用布基膠帶纏繞固定[16]，如圖5所示。將兩條定點光纜上的兩條受力麻繩，交叉綁扎固定在導(dǎo)頭上（見圖5（a））。在鉆孔周圍場地上，將位移計引標(biāo)安裝固定好（見圖5（b））。將固定好光纜、引線和麻繩等配重導(dǎo)頭放入鉆孔內(nèi)部。將鉆桿放入配重導(dǎo)頭尾部套管內(nèi)，通過下放鉆桿將光纜帶入到鉆孔深部（圖5（c）），待光纜下放到底部后，使用儀器對光纜進(jìn)行檢測。最后采用封孔材料進(jìn)行回填封孔。

圖4 光纖傳感器布設(shè)方案

圖5 監(jiān)測實施（a：導(dǎo)頭連接；b：位移計安裝；c：光纜下放）

陳家港監(jiān)測孔光纖監(jiān)測點于2014年9月28日布設(shè)完成，封孔材料與周圍土體固結(jié)耦合周期為2～3個月，初始值采集在封孔材料回填接近3個月之后的2014年12月14日采集。將采集的初始值數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)分析的基準(zhǔn)數(shù)值（分布曲線應(yīng)變基準(zhǔn)值），之后監(jiān)測周期約為3個月一次，并進(jìn)行長期監(jiān)測。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 全斷面應(yīng)變、變形分析

將2014年12月14日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為初始數(shù)值，之后監(jiān)測周期所測得的應(yīng)變數(shù)值減去初始數(shù)值，即可得到各監(jiān)測周期內(nèi)感測光纜的應(yīng)變變化值，根據(jù)BOTDR監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，截至2017年6月25日，相應(yīng)監(jiān)測周期內(nèi)，雙芯光纜的兩種光纖的應(yīng)變分布曲線見圖6。陳家港監(jiān)測孔地層定點250μm和900μm光纖監(jiān)測趨勢基本相同，在15 m深度范圍以上正應(yīng)變急劇減小為負(fù)應(yīng)變，這是由于淺表土體圍壓較小造成的預(yù)拉狀態(tài)下光纜的回縮，并且該深度地表受到大氣溫度變化而影響。在15～25 m深度范圍壓應(yīng)變隨監(jiān)測周期逐漸增大，表面該深度范圍內(nèi)土層處于壓縮狀態(tài)。其余層段應(yīng)變基本上處于零值附近，土體未發(fā)生明顯的變形。

將感測光纜的應(yīng)變值沿深度方向進(jìn)行積分，可以得到土層近似變形量（見圖7）。在深度上，土層變形主要發(fā)生在200 m以上，200 m以下地層變形量較小。其中，0～100 m范圍變形波動較大，這主要與地下水的波動密切相關(guān)。在時間上，隨著監(jiān)測次數(shù)的增多，全斷面土層變形呈逐漸增大的趨勢，說明現(xiàn)階段該地區(qū)土層仍有持續(xù)壓縮。圖8給出了陳家港鉆孔布設(shè)的含水層內(nèi)部（頭部深度103 m和尾部深度88 m）及含水層上覆隔水層（頭部深度87 m和尾部深度72 m處）內(nèi)的2支光纖光柵位移計監(jiān)測到的土層變形以及相對應(yīng)位置的全分布式光纖監(jiān)測到的72～87 m、88～103 m土層變形圖。位移計監(jiān)測到的土層變形顯示72～87 m弱透水層呈現(xiàn)出壓縮回彈再壓縮的波動變形，整體上有回彈趨勢，壓縮主要發(fā)生在6月至8月的夏季。88～103 m含水層變形同樣存在波動變形，但整體上呈壓縮狀態(tài)，最大壓縮量在7 mm左右。而全分布式光纖監(jiān)測到的72～87 m和88～103 m土層變形趨勢相同，整體呈現(xiàn)出壓縮回彈再壓縮，壓縮主要也發(fā)生在夏季，最大壓縮量在6 mm左右?？梢园l(fā)現(xiàn)全分布式監(jiān)測與準(zhǔn)分布式監(jiān)測存在一定差異，這是因為全分布式監(jiān)測得到的應(yīng)變受BOTDR空間分辨率（1 m）的影響，同時受上下土層應(yīng)變的相互影響。

圖6 陳家港監(jiān)測孔應(yīng)變分布曲線圖

圖7 陳家港地層變形隨深度的變化關(guān)系圖

圖8 光纖光柵位移計與全分布式監(jiān)測土層變形趨勢圖

3.2 孔隙水壓力變化

在72 m、166 m及197 m處布設(shè)的三支光纖光柵滲壓計監(jiān)測了不同含水層的孔隙水壓力變化情況，圖9給出了這三個含水層孔隙水壓力的變化趨勢。72 m含水層孔隙水壓力最小，197 m含水層孔隙水壓力最大，即含水層越深孔隙水壓力越大。從圖中可以看出孔隙水壓力總體是先下降后上升的趨勢，三個含水層孔隙水壓力在2016年6月15日均為最低值，該時間為夏季，地下水消耗量及蒸發(fā)量大，導(dǎo)致地下水位下降。總的來說，三個含水層孔隙水壓力呈現(xiàn)波動變化，夏季降低，冬季回升。72 m含水層孔隙水壓力在初期是呈下降趨勢，說明該區(qū)域含水層監(jiān)測開始時在經(jīng)歷排水階段。而166 m和197 m含水層孔隙水壓力初期有一個上升階段然后再下降，說明含水層初期存在補水階段，隨著排水的進(jìn)行，孔隙水壓力慢慢下降直到最低點處。

3.3 水位波動與土層變形特性

圖10給出了三個含水層不同時期累計變形量與其孔隙水壓力變化的關(guān)系。從圖中可以看出，72 m深度滲壓計的壓力整體上先減小后增大再減小，而在72 m含水層則先出現(xiàn)了回彈壓縮再回彈，總體上處于回彈變形，這是由于埋深較小的土層變形除了受水位變化影響外，還受上部建筑荷載等其他因素影響；166 m和197 m深度處滲壓計的壓力先是緩慢增加后突然減小，后又緩慢增加，呈V字型。166 m和197 m的含水層變形隨時間的變化也基本一致，呈現(xiàn)出壓縮回彈再壓縮的趨勢，且壓縮量明顯大于回彈量，并且197 m處的含水層壓縮變形量要高于166 m出的含水層壓縮變形量，可以發(fā)現(xiàn)深部土層變形主要受水位變化影響，變形略滯后于水位。

不同的含水層其水位變化不同，出現(xiàn)的土體變形趨勢也并不完全一致。現(xiàn)階段開采條件若不變，深部含水層將繼續(xù)發(fā)生壓縮變形。

3.4 沉降趨勢評價

表1給出了三個含水層各階段變形及沉降量，從表中可以看出各含水層年沉降量略有差異，其中72 m含水層（Ⅰ）的年沉降量約為1.74 mm，而166 m含水層（Ⅱ）和197 m含水層（Ⅲ）年沉降量分別為5.66 mm和10.4 mm，呈現(xiàn)出隨著含水層的加深而沉降量增大的趨勢。并且，從每一含水層的月沉降量也可以看出，在每一年的夏季地下水位下降時，沉降量也明顯增大。

圖9 孔隙水壓力隨時間的變化關(guān)系圖

圖10 孔隙水壓力與各含水層變形關(guān)系圖

表1 三個含水層各階段變形和沉降量

4 結(jié)論

本文將全分布式監(jiān)測技術(shù)BOTDR與準(zhǔn)分布式監(jiān)測技術(shù)FBG相結(jié)合，并應(yīng)用于鹽城響水地面沉降監(jiān)測中，對陳家港中心小學(xué)一個350 m深鉆孔進(jìn)行了兩年半的全斷面精細(xì)化監(jiān)測，得到如下結(jié)論：

（1）陳家港地層應(yīng)變變化較為明顯的是地表至地下25 m范圍內(nèi)，0～15 m范圍內(nèi)存在拉應(yīng)變和壓應(yīng)變交替變化的情況，主要是由于大氣溫度的變化較為頻繁及圍壓較小情況下的預(yù)拉回彈；15～25 m土層壓應(yīng)變逐漸增大，為壓縮主要層位，其余深度土層變形相對穩(wěn)定。

（2）研究區(qū)地下水波動具有循環(huán)過程，呈現(xiàn)出夏季降低，冬季回升的特點。

（3）淺部含水層變形受多種因素影響，與水位變化沒有直接關(guān)系；深部含水層整體上均呈現(xiàn)出先壓縮再回彈再壓縮趨勢，與水位變化相關(guān)，且變形略滯后于水位變化。

（4）三個監(jiān)測含水層目前仍有沉降壓縮趨勢，且年沉降量呈現(xiàn)出隨著含水層的加深而增大的趨勢，由于夏季地下水為下降明顯，沉降也明顯增大，其沉降程度較大。