基于準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)在黃土邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

侯小峰，趙秋鵬，劉博濤

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710003）

0 引 言

我國幅員遼闊，山地、丘陵、高原眾多，約占國土面積五分之三。近年來，隨著公路、鐵路、水利、市政、礦山的高速發(fā)展，實際工程中，邊坡治理、邊坡安全，變成非常重要的問題。由于邊坡多分步在荒郊野外，山區(qū)丘陵，傳統(tǒng)人工巡查手段，已無法滿足安全需要，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和防治，邊坡監(jiān)測在社會實踐中的需求越來越重要。光纖傳感技術(shù)是利用光纖中光傳輸特性與外界應(yīng)變成一定的線性關(guān)系技術(shù)所發(fā)展起來的一種新型傳感監(jiān)測技術(shù)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，具有傳感部位無需電源，數(shù)據(jù)傳輸，耐腐蝕、靈敏度高、響應(yīng)快、重量輕、體積小、監(jiān)測點多，以及可串聯(lián)，并聯(lián)等優(yōu)點。本文通過光纖傳感技術(shù)的原理，結(jié)合邊坡監(jiān)測工程實例，探討光纖傳感在黃土邊坡深部位移監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 光纖傳感技術(shù)的原理

光纖傳感技術(shù)是通過對光纖內(nèi)傳輸光某些傳輸特征參數(shù)變化的測量，實現(xiàn)對外界物理量的測量。光纖傳感技術(shù)以其可串聯(lián)，可并聯(lián)應(yīng)用方便，成本低與云端網(wǎng)絡(luò)結(jié)合緊密傳輸?shù)膬?yōu)點成為邊坡監(jiān)測技術(shù)中最具前途的技術(shù)，是邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。其中掃描式激光探測傳感技術(shù)是最具代表性的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)。掃描式激光監(jiān)測技術(shù)基本原理是利用光纖中的傳輸光的頻率，波長變化量與光纖本體所受的應(yīng)變和溫度等外部物理量之間的線性關(guān)系，來監(jiān)外部物理量的變化。

光纖中監(jiān)測的脈沖光以一定的頻率波長自光纖的入射端耦合，與光纖中的傳感部件相互作用產(chǎn)生波長漂移頻率偏移，其中一部分光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，通過分路器進(jìn)入探測器、經(jīng)過一系列復(fù)雜的信號處理可以得到該返回探測光功率與原發(fā)射光的變化特性。如果光纖受到外界環(huán)境的變化特性就發(fā)生引起傳輸光特性改變，由傳輸光的變化量與光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系可以得到光纖的應(yīng)變。

光纖的軸向應(yīng)變和溫度與入射光波長的漂移量關(guān)系表示為：

其中v（，）是光纖溫度為時的光纖應(yīng)變；v（，）是光纖0、溫度為時的光纖應(yīng)變；、分別為初始溫度和測量時的溫度；和Δ分別為應(yīng)變、溫度變化量。、分別為溫度為，時的波長，為矯正系數(shù)

根據(jù)監(jiān)測得知溫度系數(shù)較應(yīng)變系數(shù)比較大，溫度對波長偏移的影響大。本系統(tǒng)采用共扼梁法式的應(yīng)變的上下兩側(cè)溫度進(jìn)行相互補償，使溫度影響降到可以忽略程度。

2 光纖邊坡深部位移監(jiān)測OMMS系統(tǒng)的特點

光纖邊坡深部位移監(jiān)測系統(tǒng)作為一種新的黃土邊坡深部位移監(jiān)測是一種較新的監(jiān)測技術(shù)手段，與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比較，主要特點如下：

（1）光纖內(nèi)部位移監(jiān)測管本質(zhì)安全，不需要特制數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|和電源。

（2）光纖監(jiān)測管本身采用PPR材質(zhì)，重量輕，組裝容易施工方便。而且對黏貼與其上的光纖傳感器力學(xué)參數(shù)影響很小，通過套管連接，能夠簡易布施于90 mm×2 000 mm的深孔中，方便施工。

（3）光纖監(jiān)測管共軛梁法設(shè)計，靈敏度高，溫度影響小，本身不需要電源，無需定期校準(zhǔn)，減少維護(hù)成本 。

（4）光纖監(jiān)測管充分利用光纖傳感的特性結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，延長監(jiān)測管只需追加套管即可。

（5）可滿足工程多點位、復(fù)雜布局實時監(jiān)測的要求。

（6）普通單模光纖作為傳輸單元，可以與視頻，數(shù)據(jù)共用一根光纜。

（7）信息量大。光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)可以在整個光纖探測管上通過最小二乘法等測試計算出每一點的模擬位移變化，進(jìn)而得出整個探測管線狀的位移變化矩陣圖。

（8）性能價格比高，隨著光纖的進(jìn)一步普及批量化生產(chǎn)，物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)進(jìn)一步推廣，是的全數(shù)字化邊坡成為可能。

3 實例分析

3.1 工程概況

陜西咸陽市涇陽某礦山邊坡，地形西高東低，地面標(biāo)高介于811.6 m～847.9 m之間，最大高差36.3 m。場地地貌單元屬黃土梁。因取土開挖，現(xiàn)已形成長約170 m，寬40 m，高約30 m的邊坡。邊坡坡度50°～80°，地層巖性主要為黃土，表層覆蓋薄層人工回填土，厚度2 m。邊坡坡頂距礦山廠房最小距離僅3 m，邊坡下部為廠區(qū)道路。2020年3月采取“削坡+抗滑樁+旋噴錨索框架格構(gòu)+擋墻+截排水”進(jìn)行加固。但是在同年的9月份雨季，邊坡頂部局部出現(xiàn)垮塌、掉塊現(xiàn)象。鑒于此，2020年10月對該邊坡運用OMMS監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)對其進(jìn)行了監(jiān)測。

3.2 光纖監(jiān)測系統(tǒng)

本次主要采用OMMS監(jiān)測系統(tǒng)，項目監(jiān)測中所使用的光纖為普通單G.652作為傳輸單元利用特制光纖傳感器串作為傳感單元。利用共軛梁法補償原理實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分離式測量，進(jìn)一步根據(jù)應(yīng)變，計算監(jiān)測管孔內(nèi)部個點的位移變化狀態(tài)，并且可以通過上位機(jī)實現(xiàn)在線監(jiān)測，同時能夠利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程跨區(qū)域監(jiān)控。工作過程：邊坡內(nèi)部剪切作用于光纖位移監(jiān)測管，經(jīng)位移監(jiān)測管帶動管兩側(cè)光纖傳感模組產(chǎn)生變化，光纖傳感組件的應(yīng)變帶動器件內(nèi)光路的變化，通過光纖傳輸?shù)浇庹{(diào)模塊，解調(diào)模塊根據(jù)組件光路的變化經(jīng)過計算反映出內(nèi)部監(jiān)測管各個位移探測點的變化。 按邊坡內(nèi)部位移變化，光纖傳感組件產(chǎn)生的變化，調(diào)制光纖中的光信號，使光信號位移變化而規(guī)律變化，將變化的光信號傳到遠(yuǎn)方終端，達(dá)到地下位移變化轉(zhuǎn)為光信號變化的目的，實現(xiàn)光纖無源邊坡位移感應(yīng)監(jiān)測功能。

3.3 光纖監(jiān)測儀器布設(shè)

埋設(shè)要點：首先，在邊坡頂部穩(wěn)定土體內(nèi)開四個直徑90 mm洞，深約2 000 cm，之后把光纖監(jiān)測管垂直布設(shè)于探測孔內(nèi)，用混凝土上蓋密封內(nèi)，邊坡現(xiàn)場如圖1所示，傳感儀器的組裝如圖2所示。邊坡體上部的觀測點布置在邊坡頂部平臺上，觀測點間距為20 m，按照可能形成的滑動帶進(jìn)行布點。二級坡的深層位移觀測點布置在同一直線上，以便監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互驗證和對比分析。

圖1 邊坡現(xiàn)場

圖2 傳感儀器的組裝

鉆成孔之后，把已經(jīng)定制好的光纖探測管逐步放入。在光纖監(jiān)測管管安裝過程中，沿監(jiān)測管外側(cè)對稱粘貼基于監(jiān)測的應(yīng)變光纜，透過套管不斷延伸。將光纖應(yīng)變光纜沿軸向布設(shè)在60 mm PPR管的上、下光纖傳感槽位中固定好加上下部堵頭，用碳纖維保護(hù)條加以保護(hù)。同時，孔內(nèi)安放實驗校準(zhǔn)溫度傳感器，采用激光掃描探測技術(shù)測量探測管溫度沿深度分布狀態(tài)，用作溫度補償比較。中粗砂填充，其余回填粘土?；靥顣r，要求挑選出較 大的碎石，防止堵塞鉆孔，回填不實，而影響測量的精度。

地表沿監(jiān)測管位置用PVC管槽保護(hù)傳輸光纖把檢測數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)骄C合數(shù)據(jù)采集中心在綜合監(jiān)測中心把數(shù)據(jù)云端上傳根據(jù)光纖監(jiān)測資料。

為了精確測定邊坡深部的位移大小及方向，在邊坡中鉆取了90 mm的孔，追加埋設(shè)了一根長20 m、外徑60 mm、內(nèi)徑50 mm的光纖監(jiān)測管儀。該光纖探測管表面前后左右對稱布設(shè)了2對根應(yīng)變測試光纜。埋設(shè)時，將監(jiān)測管分段拼裝并置于鉆孔中，再用水泥灌漿。根據(jù)監(jiān)測管的監(jiān)測結(jié)果，可以同時測定邊坡深部 前后左右 兩個水平方向上的位移量。

按設(shè)計要求在需要的位置埋設(shè)光纖監(jiān)測管（專用PPR管），管上標(biāo)注有互相垂直的四個導(dǎo)向槽。通過導(dǎo)向槽按照順序下放監(jiān)測管，用套管鏈接監(jiān)測管和光纖，接口用專用堵頭密封。監(jiān)測管安裝完畢后，用管子上堵頭蓋住管口，防止損壞光前傳感器，并在管頂砌筑保護(hù)裝置，保護(hù)及固定光纖監(jiān)測管。把監(jiān)測管光纜通過傳輸光纜匯聚到邊緣光纖解調(diào)數(shù)據(jù)分析中心。

3.4 OMSS監(jiān)測系統(tǒng)云端實現(xiàn)和微信通知

OMSS監(jiān)測系統(tǒng)依靠在光纖傳感+AI、大數(shù)據(jù)、云計算和5G等技術(shù)基礎(chǔ)之上，達(dá)到了地上、地下實時立體監(jiān)測，邊坡內(nèi)外裂痕、坍塌、滑坡提前預(yù)警的目的。根據(jù)用戶需求和現(xiàn)場需要采用B/S架構(gòu)，采用“端邊云”數(shù)據(jù)分布式處理模式。主要硬件由windows server管理平臺，光信號處理模塊，光纖地波感應(yīng)監(jiān)測管，存儲器模塊，攝像頭和AI圖像分析，太陽能供電模塊，無線路由器，手持式告警終端等組成。軟件模塊主要有：系統(tǒng)管理軟件，實時監(jiān)測軟件，預(yù)報警軟件，攝像頭AI軟件，多級平臺接入管理軟件，大數(shù)據(jù)處理管理軟件，通信協(xié)議管理軟件，地圖信息應(yīng)用軟件，日常報表、管理等軟件。具體是在現(xiàn)場把傳感器監(jiān)測的信號經(jīng)過解調(diào)處理變成應(yīng)變信息，結(jié)合4G衛(wèi)星傳輸?shù)焦苍贫恕Ｔ谠贫私?jīng)過數(shù)據(jù)處理告警分析透過企業(yè)微信管理平臺實時輸送告警信息到每個巡查者的手持機(jī)中。

3.5 軟件界面

開機(jī)界面。系統(tǒng)軟件平臺基于GIS技術(shù)平臺開發(fā)，功能強(qiáng)大，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)分析于一體的專業(yè)綜合平臺，設(shè)三級密碼：一級為維護(hù)員，二級為管理員，三級為操作員。

預(yù)警報警。支持彈出軟件窗口報警、微信推送報警，顯示數(shù)據(jù)列表，清晰準(zhǔn)確。如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點報警數(shù)據(jù)信息示意圖

3.6 監(jiān)測結(jié)果分析

在邊坡頂部平臺布設(shè)JCK1和JCK3光纖監(jiān)測管管，在中部平臺布設(shè)JCK2和JCK4測斜管，對邊坡深部位移進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖4至圖6所示，2組探測管所測得的邊坡深部位移變形沿測斜管埋深的分布形式非常接近相似，都沿著探測管埋深呈現(xiàn)逐漸收斂的狀態(tài)，最終趨于穩(wěn)定，從總體監(jiān)測結(jié)果來看，監(jiān)測過程中并未出現(xiàn)整體的明顯變形增長趨勢，坡面深部較小，穩(wěn)定性較好。

圖4 JCK1監(jiān)測結(jié)果

圖5 JCK2監(jiān)測結(jié)果

圖6 JCK3監(jiān)測結(jié)果

圖7 JCK4監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 論

充分利用光纖傳感技術(shù)，并結(jié)合工程實例，分析分布式光纖傳感技術(shù)在邊坡深部位移監(jiān)測的整個應(yīng)用過程，在監(jiān)測應(yīng)用中充分利用物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，實時快速地監(jiān)測邊坡內(nèi)部變化狀態(tài)中取得了一定的效果。但其在不同工況下測試位移應(yīng)變告警閾值需要將進(jìn)一步進(jìn)行驗證，需進(jìn)一步完善。