光纖光柵技術(shù)在邊坡安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

蔡煜杰，張碧華

（1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650031；2.北京菲博泰光電科技有限公司，北京 100043）

公路鐵路、軌道交通和基坑開(kāi)挖等建設(shè)中，涉及各式各樣的邊坡工程。降雨、季節(jié)性冰凍等外界因素會(huì)對(duì)邊坡造成損傷而產(chǎn)生滑坡，對(duì)邊坡進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)是降低事故發(fā)生概率的有效方法。以往邊坡監(jiān)測(cè)是傳統(tǒng)的人工測(cè)量和布設(shè)簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)儀器，目前可通過(guò)光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)可持續(xù)性的監(jiān)測(cè)。本文分析了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，提出了一套完整的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得邊坡監(jiān)測(cè)更具可靠性。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵傳感器是光纖傳感技術(shù)中最典型的傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)（如溫度和應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)），光纖光柵傳感器的反射光譜會(huì)發(fā)生變化，即中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生一定的漂移量，反射譜中心波長(zhǎng)的漂移量計(jì)算表達(dá)式如下

其中，λB為光纖光柵中心波長(zhǎng)；neff為光纖纖芯有效折射率；Λ 為光柵柵格周期。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致neff和Λ 發(fā)生變化，從而導(dǎo)致λB發(fā)生變化。因此，可以根據(jù)中心波長(zhǎng)的變化量來(lái)確定外界環(huán)境參量的變化，從而達(dá)到測(cè)量外界環(huán)境參量的目的[1-3]。

2 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析

目前，滑坡監(jiān)測(cè)主要是對(duì)坡體的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然而邊坡是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，外界對(duì)邊坡的作用可以劃分為應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等等。而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)這些物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)相對(duì)割裂，無(wú)法形成統(tǒng)一化的系統(tǒng)分析；傳統(tǒng)的傳感器多為植入式傳感元件，這些傳感元件主要由金屬材料制成，對(duì)防水、防腐蝕、防酸等要求較高，但是耐久性一般，容易受到各類(lèi)電磁干擾，測(cè)得的數(shù)據(jù)可靠性較低。

光纖傳感系統(tǒng)的安裝相對(duì)簡(jiǎn)便，光纖可以覆蓋較大區(qū)域，減少了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的密集安裝需求。這使得在邊坡范圍內(nèi)布設(shè)傳感器更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)。其次，系統(tǒng)的多參量監(jiān)測(cè)能力使其能夠提供全面的數(shù)據(jù)，幫助監(jiān)測(cè)人員全面了解邊坡的狀況。這種綜合監(jiān)測(cè)有助于更準(zhǔn)確地判斷邊坡的健康狀況，為及時(shí)采取預(yù)防措施提供了有力支持。另外，光纖傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸能力使得數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)測(cè)，無(wú)需人員親臨現(xiàn)場(chǎng)。這為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)預(yù)警和遠(yuǎn)程管理提供了方便，提高了邊坡監(jiān)測(cè)的效率和實(shí)時(shí)性。

在成本方面，盡管光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初期投資可能較高，但安裝和維護(hù)方面的成本相對(duì)較低，覆蓋區(qū)域較大，減少了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的密集布置和維護(hù)工作。系統(tǒng)能夠提供廣泛、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，有助于及早發(fā)現(xiàn)邊坡問(wèn)題，從而降低潛在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而減少維護(hù)和修復(fù)的成本。此外，光纖傳感系統(tǒng)壽命長(zhǎng)且不容易受外部環(huán)境影響，進(jìn)一步降低了整體的運(yùn)營(yíng)成本?？傮w而言，光纖傳感監(jiān)測(cè)邊坡在可操作性上具有靈活性、全面性和遠(yuǎn)程性的優(yōu)勢(shì)，使其成為現(xiàn)代邊坡監(jiān)測(cè)中的可靠選擇。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面都具有優(yōu)勢(shì)。

3 邊坡監(jiān)測(cè)光纖光柵傳感器

3.1 光纖光柵離層傳感器

光纖光柵離層傳感器主要是監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定層和滑動(dòng)層相對(duì)移動(dòng)的位移量。邊坡離層傳感器主要是由錨頭、錨繩、光纖光柵支架組成。使用時(shí)將錨頭澆筑到邊坡內(nèi)部穩(wěn)定區(qū)域，光柵支架安裝在坡體表面，用錨繩將錨頭和支架相連。當(dāng)邊坡表面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)的錨繩會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而導(dǎo)致傳感支架上的光纖光柵受力發(fā)生變化，引起波長(zhǎng)的變化。通過(guò)終端數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的處理即可得到滑坡的位移量，工作原理如圖2 所示。

圖2 光纖光柵離層傳感器工作原理示意圖

3.2 光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器

光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器主要用于測(cè)量邊坡支護(hù)錨桿的受力情況。錨桿應(yīng)力傳感器固定在錨桿的錨段，將錨桿、錨索從傳感器壓力環(huán)孔中穿過(guò)，如圖3 所示。傳感器夾在托盤(pán)和緊固螺母之間，當(dāng)錨桿受力變化時(shí)，在錨桿托盤(pán)和緊固螺母之間的光纖光柵受力發(fā)生變化，引起波長(zhǎng)的變化。通過(guò)終端數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的處理即可得錨桿上應(yīng)力變化大小。如果錨桿上應(yīng)力持續(xù)變大，則說(shuō)明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 光纖光柵FRP智能錨桿

光纖光柵FRP 智能錨桿可監(jiān)測(cè)邊坡不同地質(zhì)分層對(duì)支護(hù)錨桿的作用力分布情況。光纖光柵FRP 智能錨桿是將光纖光柵內(nèi)置于不同規(guī)格的FRP 錨桿內(nèi)，通過(guò)觀測(cè)埋入式在錨桿內(nèi)部的多支光線光柵傳感單元的受力情況，并依據(jù)錨桿力學(xué)和邊坡地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)終端數(shù)據(jù)處理便可以得到錨桿全場(chǎng)范圍內(nèi)的應(yīng)變、軸力、彎矩、剪力等數(shù)據(jù)，如圖4 所示。使用這些力學(xué)數(shù)據(jù)便可以分析邊坡工作狀態(tài)及邊坡安全狀況，對(duì)錨桿支護(hù)的安全施工及設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

圖4 光纖光柵FRP智能錨桿工程應(yīng)用圖

3.4 光纖光柵滲壓計(jì)

如圖5 所示，光纖光柵滲壓計(jì)可監(jiān)測(cè)有河流、暗流、懸湖等地段邊坡的巖土孔隙被滲流侵蝕的情況。光纖光柵滲壓計(jì)采用獨(dú)有的壓力彈性元件作為傳感基底，專(zhuān)為精確測(cè)量完全飽和或者部分飽和土壤和巖石中的小孔水壓而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)應(yīng)用于測(cè)量流體的壓力，如埋入壩體、填土內(nèi)監(jiān)測(cè)其地下水位及孔隙水壓力，也可安裝在鉆孔、測(cè)井或測(cè)壓管中。

圖5 光纖光柵滲壓計(jì)工程應(yīng)用圖

3.5 光纖光柵傾角計(jì)

如圖6 所示，光纖光柵傾角計(jì)用于對(duì)邊坡整體傾斜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將傳感器布設(shè)于測(cè)斜管內(nèi)部，傳感器通過(guò)底座打孔安裝。當(dāng)坡體發(fā)生傾斜時(shí)，會(huì)引起光纖光柵的受力變化，導(dǎo)致波長(zhǎng)變化。通過(guò)終端數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的處理即可得坡體的傾斜程度，便可以對(duì)坡體進(jìn)行相應(yīng)的治理。

圖6 光纖光柵傾角計(jì)工程應(yīng)用圖

4 數(shù)據(jù)分析與安全評(píng)估

在光纖光柵邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)在邊坡現(xiàn)場(chǎng)完成?，F(xiàn)場(chǎng)光纖光柵信號(hào)處理器將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)4G 等無(wú)線方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器上，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理工作。

安全評(píng)估子系統(tǒng)主要對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行自動(dòng)分析和評(píng)定，以確定邊坡穩(wěn)定性評(píng)估。在邊坡發(fā)生異常和監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)規(guī)定的安全閥值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行安全預(yù)警，以便采取相應(yīng)的預(yù)案。其主要功能包括：①對(duì)數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)進(jìn)行分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)端倪；②分析記錄縫隙長(zhǎng)期發(fā)展變化趨勢(shì)；③分析記錄各錨桿受力長(zhǎng)期發(fā)展變化趨勢(shì)；④評(píng)估溫度變化對(duì)邊坡?tīng)顟B(tài)的影響特性；⑤評(píng)估雨量、水位對(duì)邊坡?tīng)顟B(tài)的影響特性；⑥對(duì)邊坡明顯失穩(wěn)，傳感器明顯超出閾值的情況發(fā)出報(bào)警預(yù)警信號(hào)；⑦定期并生成報(bào)告提供給養(yǎng)管部門(mén)。

可根據(jù)邊坡安全評(píng)估結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整監(jiān)測(cè)策略，如表1 所示。

表1 邊坡安全評(píng)估動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)策略

5 結(jié)論

綜上所述，光纖光柵傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)可持續(xù)性地監(jiān)測(cè)邊坡的變形、錨桿的內(nèi)力、邊坡的土壓力、邊坡的傾斜、邊坡內(nèi)部巖土體的水壓力、滲透率等，再經(jīng)過(guò)傳輸模塊傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)各個(gè)參量進(jìn)行集成化的監(jiān)測(cè)分析，相對(duì)于傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)，光纖光柵邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、高效給出邊坡的預(yù)警和治理方案等措施，為工程建設(shè)安全施工運(yùn)維保駕護(hù)航。