光纤传感技术在岩溶塌陷监测中的应用研究

郝文杰，杨卓静，张 青，吕中虎

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定 071051）

岩溶塌陷以其空间上的隐蔽性、时间上的突发性和致塌复杂性等特点给监测预警工作带来了非常大的困难，并造成巨大的经济损失。实际工作中需监测到土洞发育、岩土体变形及塌陷坑边缘、分布等重要信息，因此要将监测点密集地布置在土洞边缘，而监测线则需桥式的跨越土洞上方，以防出现监测漏失。岩溶土洞(塌陷)常规的监测主要采用接触式监测方法［1］，通过周期性的监测地表或地下变形量来预报塌陷，监测点需选择在土洞上方覆盖层、地表或建筑物开裂处等，主要包括:地质雷达定期定线路扫描对比、测斜仪定期监测土洞剖面沉降、位移计监测地表开裂和建筑物裂缝变化情况以及使用TDR等手段动态监测土层受力变形等方法。其中地质雷达、测斜仪和位移计等监测方式，因其监测方法本身的缺陷性，不能满足岩溶塌陷时效性监测的需要，而TDR以其具有的分布式监测等特点，在大面积塌陷监测中具有明显的优越性，但是实际应用中需要考虑塌陷变形受力状况以及同轴电缆与监测体耦合等问题［2～3］。

光纤传感技术是目前国际研究的热点，它利用光在介质传播过程中的某些参数(相位、频率、偏振态等)的变化实现对周围环境中某些物理量(应力、温度等)的测量，其应用于土洞(塌陷)覆盖层变形监测具有一定的优势，主要表现在光纤传感器集传输、传感于一体，并具有可复用、分布式等优点［4］，能够根据监测的需要铺设成不同形状。其中应用于岩土体变形监测主要为光纤布拉格光栅传感技术(FBG)与布里渊光时域反射技术(BOTDR)。

在前期工作中，张青等已经研发出具有自主知识产权的BOTDR和光纤光栅解调仪及配套传感器，并将FBG和BOTDR联合应用于巫山县滑坡监测中，取得了很好的效果［5～6］。蒋小珍等通过大型物理模拟实验，对BOTDR技术应用于岩溶塌陷监测进行了初步的探索，得出光纤在空间上的变化趋势可判断土层扰动带垂直方向的发展过程，光纤随时间的变化趋势可判断土层扰动带水平方向的发展方向等结论［7］。

本文通过在唐山滨河路陡河湾的典型岩溶塌陷点开展BOTDR线性光纤铺设试验，并结合点状FBG位移传感器对塌陷体上方建筑物裂缝变化情况进行监测，成功地将光纤传感技术应用于岩溶塌陷动态监测中，探索了光纤传感技术用于岩溶塌陷监测中的方法与工艺，为继续开展相关研究奠定了基础。

1 岩溶塌陷监测野外试验研究

1.1 试验场地概况

唐山滨河西路陡河湾于2010年7月22日发生严重塌陷。共出现踏坑8处，其中陡河河道内4处，东岸3处，西岸1处，其中河东岸绿化带上最大塌坑成椭圆形(照片1)，长约21m，宽7～8m，可见深度5.5m，其余塌坑成圆形，最大直径8m，最小2m。

陡河西岸为大成山，东岸为贾山，塌陷点处于燕山南麓山前倾斜平原区与低山丘陵区之剥蚀残丘地貌类型之间，属陡河山间河谷地形，附近主要褶皱为开平向斜，断裂构造主要有陡河断裂，唐山断裂及大城山北坡断裂等。

钻孔资料显示，塌陷区地表第四系厚约20m，岩性上部粉质粘土厚约3.9m，下部为粉细砂，底部为粉砂与基岩接触，下伏基岩为奥陶系白云质灰岩，岩芯破碎严重，岩溶发育［8］。

照片1 陡河东岸岩溶塌坑Photo 1 Karst collapse in the east bank of Douhe river

1.2 试验方法及过程

通过大量室内拉伸试验和物理模拟实验，选择φ2.0SM护套光纤为试验用纤，该光纤较裸纤折射能力更强，质地柔软，施工时损坏概率较小，同时该光纤能够随铺设面的变形而变形。施工过程如下:

(1)在原塌陷坑上方处挖掘宽20cm深50cm的回字形光纤铺设槽，如图1；

图1 光纤铺设与塌坑对应示意图Fig.1 Optical fiber coupled with the collapse

(2)平整槽底，筛选挖掘物中颗粒较小土壤作为缓冲剂铺设槽底，厚约5cm；

(3)将光纤保持相对松弛状态铺设于槽中，铺设试验用纤220m，用小颗粒挖掘物回填光纤槽约10cm；

(4)回填较大颗粒挖掘物，同时应用OTDR等仪器监测光纤通断及损耗情况；

(5)对陡河护堤明显裂缝处，安装光纤光栅位移传感器(其中封装了温度和位移两种传感器)，其安装位置在光纤监测箱旁边，监测裂缝变化。

监测仪器选用自主研发的分布式光纤应变监测系统(BOTDR)和光纤光栅解调仪，截至写稿时共采集数据10次。

2 试验数据处理与结果分析

2.1 FBG数据处理及分析

将采集到的应变、温度波长值(表1)带入到换算公式消除温度对应变的影响［9］，对原数据进行修正后，绘制曲线如图2如示。

表1 FBG原始数据Table 1 Raw data of FBG

换算公式:ΔL=K((λ1－λ10)－(λ2－λ20))

式中:K——传感器系数(mm/nm)；

λ1——测温仪光栅的当前波长(nm)；

λ2——温度补偿的当前波长(nm)；

λ10——测温仪光栅的初始波长(nm)；

λ20——温度补偿的初始波长(nm)。

图2 校正后的FBG位移传感器数据曲线Fig.2 Curve of corrected FBG data

由曲线可以看出，在一个水文年中陡河堤坝裂缝周期性变动，春夏裂缝逐渐变小，最小值出现在7～8月份，秋冬裂缝往复增大，最大值出现在12月期间，较夏季增长约3.2mm。

2.2 BOTDR数据处理及分析

在野外应用中光纤变形受到环境温度的影响，研究中选取测试端前后指定长度的尾纤数据作为环境温度对光纤影响的基值，以此完成光纤温度补偿校正［10］。

光纤数据的处理结果表现形式为不同时段监测数据曲线的绘制、监测数据的对比(图3):

图中能够发现陡河光纤9～12m、135～138m、150～156m三处有明显的变化，说明此三处岩土体有形变发生；同时，2011年出现的9～12m处光纤应变，经历了先变小后变大的一个周期过程；光纤135～138m、145～175m和200m附近处周期性变化较明显，经历了先变小后变大的过程。

经过实地测量可知，光纤铺设与原塌坑具有如图1所示的对应关系，其中首段预留光纤约8m，尾端预留光纤约20m，由监测曲线可以看出光纤的9～12m处，很可能处于原塌陷坑的边缘。而20～90m、175m～200m附近的光纤相对变化不明显，可以判断此处为原岩溶塌坑所在位置，因填埋塌坑时经过了水泥灌浆处理，所以此处整体性较好，未发生岩土体受力变形情况。

光纤90～175m处，受力比较明显，尤其135～138m、145～75m、200m附近等处，受力剧烈。光纤经过之处为原塌陷体周围区域，绿化带上层为填埋的约80cm的松软土壤，之下为一定深度的建筑废弃物，根据钻孔资料可知最下面是粉砂，稳定性较差。原塌坑虽经过处理，但岩溶管道并未清除，还会携带走大量的泥沙，造成塌陷，危险性并没有消除。从光纤应变曲线中还可以看出，靠近河堤处光纤应变相对较大，证明靠近河堤位置岩土体应力较大。

经过BOTDR与FBG两种光纤传感技术的数据处理及分析，可以得出，两种监测技术都能够很好地反映出堤坝和绿化带的岩土体受力变化情况。在试验过程中将FBG位移传感器安装于陡河堤坝新出现裂缝处，正好在光纤监测箱附近，与试验光纤9～12m、200m附近等光纤段对应，从监测数据可以看出，光纤反应的岩土体微应变情况与FBG位移传感器有很好的一致性，呈现出明显的周期性，而FBG传感器能够精确地反映出此处的变形量。

3 结论及讨论

图3 光纤应变曲线Fig.3 Curve of optical fiber strain

(1)光纤传感技术应用于岩溶塌陷监测可实现岩溶塌陷岩土体变形的多点定位和描述塌陷变形边界，应用前景广阔。

(2)通过FBG和BOTDR联合监测应用，可以有效避免FBG传感器只能实现离散点的准分布式测量的缺陷，同时利用了BOTDR可实现分布式、长距离、不间断测量的优点。两种方式相结合可以实现点、线、面的全面监测，获得岩土体的较为完整的应变信息。

(3)岩溶塌陷灾害本身特点明显，光纤传感技术实际监测中，需根据具体情况并结合大量的室内试验对光纤选型、铺设方式及工艺和数据处理方面做大量的研究工作。可以通过分布式光纤检测到塌陷体受力位置，定点安装FBG传感器精确测量变形体变化情况，具体工作中仍需地质灾害工作者不断实践、总结和完善。

［1］李瑜，朱平，雷明堂，等.岩溶地面塌陷监测技术与方法［J］.中国岩溶，2005，24(2):103 －108.［LI Y，ZHU P，LEI M T，et al.Monitoring Technique and Method of The Karst Collapse［J］.Carsologica Sinica，2005，24(2):103－108.(in Chinese)］

［2］史彦新，张青，孟宪玮，等.分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用［J］.吉林大学学报:地球科学版，2008，38(5):820 －824.［SHI Y X，ZHANG Q，MENG X W，et al.The Application of Distributed OpticalFiber Sensing Technology in Landslide Monitoring［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2008，38(5):820 －824.(in Chinese)］

［3］张青，史彦新，林君.时间域反射法用于滑坡监测的试验研究［J］.吉林大学学报:地球科学版 ，2007，37(1):135 － 138.［ZHANG Q，SHI Y X，LIN J.Landslide monitor technique based on TDR［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2007，37(1):135－138.(in Chinese)］

［4］孟宪玮，张青，史彦新，等.光纤布拉格光栅波长解调系统的研制［J］.吉林大学学报:地球科学版，2009，39(2):342 －346.［MENG X W，ZHANG Q，SHIY X， etal. Development of Wavelength Demodulation for Fiber Bragg Grating［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2009，39(2):342－346.(in Chinese)］

［5］史彦新，张青，孟宪玮.FBG与BOTDR联合监测滑坡［C］//徐义贤，夏江海，陈超.第三届环境与工程地球物理国际会议论文集.北京:科学出版社，2008:208 －212.［SHI Y X，ZHANG Q，MENG X W.The approach to monitoring landslide with FBG and BOTDR［C］//XU Y X，XIA J H，CHEN C.Proceedings of the 3rd International Conference on Environmental and Engineering Geophysics.Beijing:Seience Press，2008:208 －2l2.(in Chinese)］

［6］ZHANG X F， HAO W J， ZHANG Q， etal.Development of Optical Fiber Strain Monitoring System Based on BOTDR［C］//CUI J P，ZHANG Y，WU J.Processings of 10th International Conference on Electrionic Measurement＆ Instruments.IEEE PRESS.2011:38－41.

［7］蒋小珍，雷明堂，陈渊，等.岩溶塌陷的光纤传感监测试验研究［J］.水文地质工程地质，2006，33(6):75 －79.［JIANG X Z，LEI M T，CHEN Y，et al.An experiment study of monitoring sinkhole collapse by using BOTDR optical fiber sensing technique［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2006，33(6):75－79.(in Chinese)］

［8］付林平，宋利震，付丹平，等.唐山市滨河路西陡河河床岩溶塌陷调查［J］.河北遥感，2011(1):22－24.［FU L P，SONG L Z，FU D P，et al.Douhe bed Investigation of Karst Collapse in Tangshan City［J］.Hebei Remote Sensing，2011(1):22－24.(in Chinese)］

［9］HAO W J，ZHANG X F，ZHANG Q，et al.Study on leakage Monitoring Based on FBG Temperature-Sensing Technology Joint with Resistivity Method［C］//CUI J P，ZHANG Y，WU J.Processings of 10th International Conference on Electrionic Measurement＆ Instruments.IEEE PRESS.2011:42－45.

［10］罗靖筠，张俊义，高幼龙，等.基于温度影响的BOTDR监测数据实验研究［J］.光通信研究，2009(3):45－48.［LUO J J，ZHANG J Y，GAO Y L，et al.Study on temperature influence on BOTDR monitored data［J］.Study on Optical Communications，2009(3):45－48.(in Chinese)］