基于布里淵光時域反射技術(shù)的斷層穩(wěn)定性監(jiān)測試驗

王瓊 金永黎 歐元超 付茂如

摘 要：針對斷層穩(wěn)定性問題，采用BOTDR分布式光纖感測技術(shù)對內(nèi)蒙阿拉善地區(qū)賀蘭山西麓斷層進行了監(jiān)測分析，研究了自然條件下斷層內(nèi)部應(yīng)力的變化情況。研究結(jié)果表明：賀蘭山西麓斷層在觀測周期內(nèi)鉆孔周圍圍巖整體發(fā)生拉伸變形;斷層面附近巖層的應(yīng)力狀態(tài)易受斷層活動的影響，根據(jù)分布式光纖的應(yīng)變分布曲線能夠精確劃分出斷層活動的影響范圍在斷層之上9m和之下8m;BOTDR分布式監(jiān)測技術(shù)可以有效捕捉到自然條件下斷層微弱活動所引起的應(yīng)變變化，實現(xiàn)應(yīng)變的動態(tài)實時監(jiān)測。BOTDR監(jiān)測技術(shù)為長期、精細化評價斷層穩(wěn)定性狀態(tài)提供了十分可靠的監(jiān)測手段。

關(guān)鍵詞：賀蘭山;斷層穩(wěn)定性;BOTDR;分布式監(jiān)測;應(yīng)變

中圖分類號： P694文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）02-0051-06

收稿日期：2020-05-18

基金項目：安徽理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目（2019CX1002）

作者簡介：王瓊（1997-），女，陜西寶雞人，在讀碩士，研究方向：地球探測與信息技術(shù)。

Monitoring Experiment on Fault Stability Based on BOTDR

WANG Qiong， JIN Yongli，OU Yuanchao，F(xiàn)U Maoru

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui232001， China）

Abstract：Aiming at the problem of fault stability， this paper uses BOTDR distributed optical fiber sensing technology to monitor and analyze the fault in the western foot of Helan Mountain in Alashan area of Inner Mongolia， researching the change of internal stress of fault under natural conditions. The followings were showed by the results. The stress state of rock strata near fault surface is easily affected by fault activity， and the influence range of fault activity can be accurately divided according to the strain distribution curve of distributed optical fiber， which is 9 m above the fault and 8 m below it. The hanging wall is mainly subjected to tensile strain， while the footwall is mainly compressive strain. BOTDR distributed monitoring technology can effectively capture the strain changes caused by weak fault activity under natural conditions， realizing the real-time dynamic monitoring of strain. BOTDR monitoring technology provides a very reliable monitoring means for long-term and fine evaluation of fault stability.

Key words：Helan Mountain; fault stability; BOTDR; distributed monitoring; strain

斷層是地殼受力發(fā)生斷裂，沿斷裂面兩側(cè)巖塊發(fā)生的顯著相對位移的構(gòu)造，在淺層地殼中發(fā)育廣泛[1]。斷層結(jié)構(gòu)面不僅破壞了巖體的連續(xù)性、完整性，而且嚴(yán)重影響著斷層帶內(nèi)巖體的物理力學(xué)特性，對地層穩(wěn)定性有著極為不利的影響[2]。國內(nèi)外學(xué)者針對該問題開展了大量研究工作，也取得了一定成果。文獻[3]等通過對SanAndreas斷層地應(yīng)力變化的長期觀測，得出斷層附近一定范圍內(nèi)巖體所受最大剪切應(yīng)力與其距斷層的距離成反比。文獻[4]利用斷層的幾何形態(tài)和三向主應(yīng)力間的關(guān)系將斷層劃分為正斷層、逆斷層及走滑斷層，并利用庫倫準(zhǔn)則計算出此類斷層的摩擦系數(shù)。文獻[5]運用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究了斷層在煤礦采動影響下的活動情況，有效指導(dǎo)了煤礦的安全生產(chǎn)。文獻[6]通過對龍陵-瑞麗斷裂帶附近獲得的實測數(shù)據(jù)進行分析，得出斷層面上的應(yīng)力值未達到使斷層活動的臨界值之前斷層不會活動的結(jié)論。

分布式光纖感測技術(shù)（BOTDR）是一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)[7]。由于其具有感測距離長、耐久性好、抗干擾性強、易組網(wǎng)等特點，近年來在巖土工程監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文獻[8]利用BOTDR技術(shù)對馬家溝滑坡抗滑樁變形進行了長期監(jiān)測分析，從抗滑樁內(nèi)力分布狀態(tài)及外在環(huán)境因素兩方面對抗滑樁的穩(wěn)定性進行了分析和評價。文獻[9]基于BOTDR分布式光纖感測技術(shù)原理對無錫楊墅里地裂縫進行了分布式監(jiān)測，得到了較好的應(yīng)用效果。文獻[10]對BOTDR應(yīng)用于大型基礎(chǔ)工程健康診斷中的可行性進行了深入分析。

本文以賀蘭山西麓斷層為研究對象，采用布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR），在斷層區(qū)域打穿層鉆孔并布設(shè)分布式感測光纖，獲得了自然條件下斷層內(nèi)部的應(yīng)變信息，然后從斷層性質(zhì)和地層巖性條件對斷層穩(wěn)定性進行了分析和評價，為斷層活動的監(jiān)測技術(shù)與評價提供了參考。

1 基于BOTDR的斷層穩(wěn)定性監(jiān)測

1.1 技術(shù)原理

本文采用AV6419分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀[11-14]對現(xiàn)場研究區(qū)內(nèi)斷層進行監(jiān)測。該儀器基于自發(fā)布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR），以分布式的感測方式進行測量。即由BOTDR向光纖中發(fā)射一束脈沖光，光通過光纖傳播時，光子和光纖中產(chǎn)生的聲子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生布里淵散射，引起反射光的頻率發(fā)生改變。而該頻率的變化主要受散射角和光纖特性的影響，因而，通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移便可實現(xiàn)分布式應(yīng)變測量。

BOTDR傳感技術(shù)所采用的光纖具有體積小、韌性大，能以任意形式復(fù)合于基體結(jié)構(gòu)中且不影響基體性能的特點。通過測試光纖不同位置的布里淵散射光功率和頻率可獲得整個測試光纖上各測點的應(yīng)變。該傳感技術(shù)系統(tǒng)最大的優(yōu)點在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介，能夠滿足長距離、不間斷監(jiān)測的要求，便于與光纖傳輸系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制[15-16]。

1.2 應(yīng)用可行性分析

眾所周知，斷層是由地殼運動引起的。斷層活動受區(qū)域應(yīng)力場或局部應(yīng)力場控制，斷層兩盤的相對位移是其內(nèi)部應(yīng)力改變的外在體現(xiàn)。故有效掌握斷層所在區(qū)域巖體內(nèi)應(yīng)力變化情況，對斷層的穩(wěn)定性評價等具有有益指導(dǎo)。

BOTDR作為一種分布式光纖感測技術(shù)能夠監(jiān)測到被感測對象應(yīng)變變化，并且應(yīng)用這一技術(shù)可以監(jiān)測最長80km光纖沿線的應(yīng)變，應(yīng)變測量范圍為（-1.5～+1.5）%，距離分解度可達1m，應(yīng)變測量精度可達±0.003%，完全滿足了本試驗的監(jiān)測要求。

2 斷層穩(wěn)定性研究

2.1 工程概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙阿拉善盟阿拉善東南部的賀蘭山山前洪積扇中部，東依賀蘭山，西鄰騰格里沙漠，海拔高程達到1 500～1 650m。研究斷層為位于巴彥浩特鎮(zhèn)西部丘陵區(qū)的賀蘭山西麓斷層，該斷層發(fā)育在賀蘭山西20km處，沿賀蘭山西麓呈南北向延伸，北段被第四系覆蓋，向南與龍首山—青銅峽—固原斷裂相交，是一條走向南北、西傾，傾角75°左右，全長約90km的斷層[17]。該斷層控制了盆地的東部邊界，斷層兩側(cè)地層年代不一，西側(cè)為古近系漸新統(tǒng)，東側(cè)為白堊系下統(tǒng)。古近系、新近系、白堊系不整合于石炭系、奧陶系之上，基巖基底深埋在2 500m以下。研究區(qū)斷層具體地層巖性情況如表1所示。

2.2 鉆孔設(shè)計

現(xiàn)場鉆探人員依照鉆孔設(shè)計有關(guān)參數(shù)要求，架設(shè)鉆機在觀測點處垂直地面進行鉆探，鉆孔穿過斷層帶，鉆孔具體參數(shù)如表2所示。

2.3 傳感光纖的選擇與安裝

1）線纜選擇 為克服地應(yīng)力作用的影響，滿足光纜抗拉、壓強度高的要求，本次試驗選擇強度較大的金屬基索狀應(yīng)變感測光纜（見圖1），具體參數(shù)如表3所示。

2）現(xiàn)場安裝 現(xiàn)場安裝選用金屬導(dǎo)頭的自重帶著光纖線纜。為防止光纖線纜在下入鉆孔的過程中受到破壞，特加入一根鋼絲繩，安裝過程中由鋼絲繩承受主力。裝入鉆孔的光纖線纜總長為76.5m，線纜裝入結(jié)束后，對鉆孔進行注漿封孔。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實可靠性，待封孔后孔壁及圍巖應(yīng)力達到平衡狀態(tài)（封孔45d后）再進行數(shù)據(jù)采集，施工現(xiàn)場如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時間為2018年5月28日16點至6月1日14點，每組數(shù)據(jù)采集的時間間隔為2h，剔除部分異常數(shù)據(jù)組，最終共獲得有效數(shù)據(jù)41組。以首次采集的數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)，后期數(shù)據(jù)均與背景數(shù)據(jù)進行作差處理。觀測周期內(nèi)鉆孔的應(yīng)變分布云圖如圖3所示，其中x軸方向代表采集次數(shù);y軸方向代表鉆孔深度，地面孔口位置為0點;不同顏色的色標(biāo)代表對應(yīng)位置的應(yīng)變值。

圖3表明鉆孔測試傳感光纜主要呈現(xiàn)拉應(yīng)變，尤其是在斷層位置的巖體由于受到上下盤差異性錯動影響而產(chǎn)生剪切變形。 但由于地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造方面的影響， 鉆孔不同深度位置處光纖線纜的應(yīng)變特征區(qū)段性明顯?？咨?～5m的位置范圍內(nèi)， 光纖線纜呈現(xiàn)出壓縮應(yīng)變， 最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在距孔口2.5m的位置，相對壓應(yīng)變值達到了-18με;孔深12～18m的位置范圍內(nèi)，應(yīng)變值呈現(xiàn)上升趨勢，最大相對拉應(yīng)變出現(xiàn)在距孔口15m的位置，應(yīng)變值達到了28με;孔深35～60m范圍內(nèi)應(yīng)變變化較為顯著，該區(qū)域處于斷層控制區(qū)，因而在35～41m、45～52m和52～60m范圍內(nèi)都出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)變，且在距孔口49m位置處的拉應(yīng)變值最大，達到了85με。位于鉆孔孔底的70～76.5m范圍內(nèi)光纖線纜主要呈現(xiàn)出壓應(yīng)變變化特征，最大變化值達到了-11με。

為進一步分析應(yīng)變變化原因，將應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線與地層巖性圖相對應(yīng)，如圖4所示。

圖4中共出現(xiàn)了6處較為明顯的應(yīng)力變化，第1處是鉆孔孔口的腐殖土底部位置，腐殖土松散軟弱，受外力影響變形明顯;第2處是距孔口15m位置的灰?guī)r上部，灰?guī)r中的裂隙受到斷層擾動后會產(chǎn)生較大應(yīng)變;第3處是距孔口40m的斷層上盤灰?guī)r中，距斷層面較近（8m左右），受斷層面應(yīng)力變化影響較大;第4處為斷層面上的應(yīng)變，該處應(yīng)變受斷層面活動直接控制，傳感光纜對其應(yīng)變感應(yīng)最為靈敏、應(yīng)變值最大;第5處是距孔口56m的斷層下盤灰?guī)r中，該點與觀測點3應(yīng)變變化大致相同，但由于受上下兩盤相對運動的滑動摩擦力影響，該處應(yīng)變值較觀測點3處略大;第6處位于位于斷層下盤角礫巖中，受上盤擠壓作用產(chǎn)生壓應(yīng)變。綜上，斷層面附近巖層的應(yīng)力狀態(tài)易受斷層活動的影響，且影響范圍跨越斷層之上9m和之下8m。

鉆孔控制范圍內(nèi)的斷層高度為76.5m，為深入研究鉆孔內(nèi)光纖附近應(yīng)力的分布情況與變化規(guī)律，在光纖線纜上選取了6個應(yīng)變值變化明顯的觀測點進行分析，6個觀測點分別位于距孔口3、15、40、48、56、73m位置處。6個觀測點對應(yīng)的應(yīng)變變化折線圖如圖5所示。

分析上圖應(yīng)變結(jié)果知，布設(shè)于斷層活動影響范圍之外的斷層上盤觀測點（觀測點1、2）應(yīng)變值整體變化不大;而位于斷層面附近及斷層下盤的觀測點（觀測點3、4、5）應(yīng)變值明顯增大;鉆孔最底部的觀測點6應(yīng)變值較小，且整體表現(xiàn)為壓縮應(yīng)變。

觀測點1處應(yīng)變值變化范圍介于-16～17με之間，此處為淺表覆蓋層，頂部為腐殖土，下部為砂質(zhì)黏土和固結(jié)良好的砂土，地層風(fēng)化程度高、密實度低、穩(wěn)定性較差，受地表活動發(fā)生應(yīng)變變化的幅度較大;觀測點2處應(yīng)變值變化范圍介于0～24με之間，此處位于角礫巖和灰?guī)r的巖性分界面處，斷層受地層拉張力作用上盤向下運動，巖層間的微弱活動和斷層盤運動共同導(dǎo)致該部位產(chǎn)生拉應(yīng)變變化;觀測點3處應(yīng)變值變化范圍介于-3～17με之間，該處位于斷層面附近的灰?guī)r巖層中，灰?guī)r厚度大且裂隙發(fā)育，易受地層活動影響。上盤受拉張作用向下運動產(chǎn)生拉應(yīng)變變化，但由于監(jiān)測點距斷層面較遠，監(jiān)測過程中應(yīng)變值波動不大;觀測點4處應(yīng)力變化范圍介于0～70με之間，該測點恰好位于斷層面上，受斷層兩盤相對運動影響較大，加之灰?guī)r破碎程度高，地應(yīng)力狀態(tài)改變引起鉆孔周圍圍巖應(yīng)力重分布，故該點處的應(yīng)力變化范圍最大;觀測點5處應(yīng)力變化范圍介于-5～30με之間，此測點位于斷層下盤灰?guī)r中，由于其距孔口位置較遠（56m），受上覆巖體自重應(yīng)力影響較大，加之位于灰?guī)r與構(gòu)造角礫巖的分界面處，受天然應(yīng)力變化影響產(chǎn)生較大應(yīng)變;觀測點6處位于斷層下盤的角礫巖中，應(yīng)變值變化范圍介于-8～8με之間。由于上盤巖層的自重和相對運動時所產(chǎn)生的摩擦作用，該處先受到擠壓力作用，表現(xiàn)為壓應(yīng)變;待斷層滑動到監(jiān)測點下方時，轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變。

3 結(jié)論

針對斷層活動性監(jiān)測難的問題，本文采用分布式光纖傳感技術(shù)對賀蘭山西麓斷層進行了連續(xù)監(jiān)測，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合地層巖性條件對斷層穩(wěn)定性進行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）監(jiān)測鉆孔的測試結(jié)果顯示傳感光纜主要呈現(xiàn)拉應(yīng)變，表明賀蘭山西麓斷層在觀測周期內(nèi)鉆孔周圍圍巖整體發(fā)生一定的變形;

（2）根據(jù)分布式光纖的應(yīng)變分布曲線能夠大致劃分出斷層的影響范圍在斷層之上9m和之下8m，距孔口49m位置處的應(yīng)變值最大，達到了85με;

（3）BOTDR分布式監(jiān)測技術(shù)可以有效捕捉到自然條件下斷層微弱活動所引起的應(yīng)變變化，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變的全程實時監(jiān)測。

因此，BOTDR光纖感測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)斷層的連續(xù)、分布式應(yīng)變監(jiān)測，為斷層的穩(wěn)定性分析和評價提供先進可靠的監(jiān)測手段，可在巖土工程監(jiān)測領(lǐng)域推廣應(yīng)用。當(dāng)然，本試驗在研究過程中也存在一些不足，比如：現(xiàn)場監(jiān)測時間較短、數(shù)據(jù)采集時間間隔較長、所獲用于斷層穩(wěn)定性評價分析的監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量不夠多等。針對這一問題，本課題組擬在后期對該研究斷層進行更長時間的應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測，為斷層穩(wěn)定性的長期、動態(tài)監(jiān)測及危險預(yù)警提供足夠數(shù)據(jù)支撐。

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（責(zé)任編輯：李 麗）