光纤光栅测斜技术工程应用研究

王文韬， 郭　昕， 李尚贤

(长沙理工大学， 湖南 长沙　410076)



光纤光栅测斜技术工程应用研究

王文韬， 郭昕， 李尚贤

(长沙理工大学， 湖南 长沙410076)

摘要：边坡变形监测一直是了解边坡位移情况，保证边坡变形安全可控的一个重要手段，然而传统监测方法受天气、人为等外在因素影响较大，难以实时对边坡状态进行监控，基于此，从设备改造、埋设方法、数据采集及处理等方面进行了探讨研究，并依托龙永高速公路ZK56+860～ZK56+940段右侧边坡进行的测试，检测结果显示设备运行效果良好。

关键词：边坡监控； 光纤光栅测斜仪； 位移

0引言

边坡测斜是边坡稳定性监测的主要内容之一，传统的测斜方法埋置测斜管用测斜仪进行测斜[1]，该方法测斜数据精度高，可靠性强，使用费用低，不足之处在于数据的获取困难，人力成本过高。随着电子技术和网络信息的进步，GPS和光纤技术得到迅速的发展，GPS监测法[2]应用领域广，其优点在于数据获取方便，可远程操作等，其不足之处是精度有限且不稳定，使用费用较高。近年来，光纤传感技术[3，4]由于其精度高，安装方便，可长期远距离实时监测而被广泛应用在岩土工程当中，光纤传感技术按照传感器的不同又分为分布式光纤传感技术[5]，光纤光栅传感技术[6-11]等，相对于其他光纤传感器，光纤光栅传感器有灵敏度高，使用寿命长，而且具有多分复用的功能[3]，能将不同栅距的光栅置于同一光纤上，从而实现对温度、应力、应变同时监测，将光纤光栅与传统测斜技术结合[6]，既保证测斜数据的可靠，也可以对边坡稳定性进行远距离、高精度、实时动态监测。

1光纤光栅测斜装置

1.1测斜装置传感器制作

测斜装置采用PVC测斜管为基材，应变计安装在导轨内[6]，因此采用定制的薄片型光纤光栅应变计作为监测元件(元件尺寸为1 cm×6.5 cm)，并根据各元件上所示波长将元件按每组7个进行分组。

1.2测斜装置的安装

1.2.1光纤光栅应变传感器安装

传感器所用基材是长度为2 m的PVC测斜管，将薄片型光纤光栅应变传感器(FBG)粘贴于测斜管内部导轨内，PVC管通过耦合器进行相互连接，形成一个整体深部测斜装置。见图1。

图1　测斜装置安装图

1.2.2光纤光栅温度传感器安装

测斜孔钻孔深度基本都在十几米以上且昼夜温差变化明显，因此每一个测孔内均需安装光纤光栅温度传感器，起到温度补偿作用[12，13]，视边坡的长度将2～3个温度传感器串接在位移传感器系统中，起到温度补偿作用。

2光纤光栅信号的采集与传输

整个光纤光栅信号采集主要经过传感和解调两个过程，传感过程是外界参量调制传感器中心波长，解调则是将传感器反射波信号对应成外界参量，目前信号调解方案有许多，本文采用可调F-P(Fabry-Perot滤波器，图2)滤波解调法调解传感器波长信号的方法来采集传感器信号[3]，其实现过程如下图所示，由于公路施工期与运营期的边坡环境和状态差别较大，因此信号采集传输也分为施工期和运营期两种模式。

图2　信号采集流程图

2.1施工期测斜信号的采集与传输

施工期边坡未成型，锚固措施未全部做到位，平台还需要做多次整平加固，不具备铺设光缆等长期性传输设备的条件，其信号主要的采集方式是人为现场采集。见图3、图4。

图3　信号现场采集

图4　施工期数据传输流程图

2.2运营期信号的采集与传输

运营期边坡施工已经全部结束，边坡处于相对稳定的状态，人为现场监测困难，现场具备埋设长久性传输设备的条件，因此边坡测斜数据需要进行长距离传输，由于光纤光栅传感器对光波敏感性较高，为了避免信号长距离传输造成损耗，本装置采用信号先采集解调再传输的方法，即将解调仪放置于边坡端，传感器波长信号通过解调为数字信号，通过光缆传输到边坡养护所。见图5。

图5　运营期数据传输流程图

3应用实例及数据处理分析

3.1工程状况

龙永高速公路ZK56+860～ZK56+940段右侧边坡最高处23 m，设有3级边坡，地质构造主要由黏土和泥质页岩组成，由于位于龙山县大农车断裂带周边，受其影响，边坡岩体破碎，边坡稳定性差，因此为了监测边坡的稳定性，于2014年7月在该边坡埋设了光纤光栅测斜装置，定义往坡内方向为正向，反之为负向。其布设方式如图6所示。

图6　光纤光栅测斜装置布置图

3.2数据处理

光纤光栅的波长数据并不能直接反映边坡的位移情况，只能反映光栅栅距的变化量，需要计算得出光栅应变，由应变计算得出测斜管不同点位的挠度，继而得出边坡的位移情况[4]，图6中4孔测斜装置的工作方式一致，故选择其中一孔(4#孔)例，详细阐述该装置的数据计算过程，具体数值如表1～表3所示。

3.3位移分析[14]

通过对“3.2节”的数据处理过程重复操作即得到边坡不同孔位不同深度位移情况，其位移随时间变化曲线如图7所示。

从图7中不难看出，该边坡单孔最大月平均位移在15～17 mm，相对处于分别边坡两端的1#、4#孔位，处于边坡中部的2#、3#孔位所在边坡断

表1 传感器波长数据传感器波长/μξ2014-09-262014-10-242014-11-0311527.971527.9631527.93521531.9811531.9931531.99931537.7231537.7421537.75241543.8191543.8861543.91051551.1321551.2041551.22661555.3851555.3941555.39471560.7211560.4331560.486温度1551.2231551.2311551.233波长/μξ2014-11-092014-11-262014-12-02应变系数1527.9111527.7961527.8411527.971531.9881531.9521531.9481531.9811537.7451537.7411537.7331537.7231543.9121543.9201543.9221543.8191551.2361551.2581551.2571551.1321555.3941555.3561555.3431555.3851560.4861560.6641560.7191560.7211551.2331551.2321551.2321551.223

表2 传感器应变值传感器应变2014-09-262014-10-242014-11-031-100.938-114.526-168.8782-87.353-66.388-55.9063-423.432-382.385-360.7824-360.667-229.337-182.2945-593.195-444.896-399.5836-645.627-628.537-628.53771756.2231230.9981327.654应变2014-11-092014-11-262014-12-02-215.465-438.694-351.343-75.124-138.018-145.006-375.904-384.546-401.829-178.373-162.692-158.772-378.986-333.672-335.732-628.537-700.695-725.3811327.6541652.2721752.576

表3 不同测点的位移测点/m位移/mm2014-09-262014-10-242014-11-03-2-20.383-21.839-23.414-4-20.986-21.293-23.629-6-11.886-11.709-14.139-8-6.573-5.913-8.437-10-3.468-2.637-4.801-12-1.072-0.395-1.847-14-0.617-0.242-0.938位移/mm2014-11-092014-11-262014-12-02-26.771-30.729-33.668-27.466-32.042-34.822-15.502-20.720-23.002-7.443-13.854-15.716-2.928-8.755-10.113-0.352-4.203-5.057-0.149-1.875-2.224

图7　位移随时间变化曲线图

面位移变化累积量大，位移曲线基本与边坡位移趋势一致，说明该测斜装置测斜方法以及数据编译方法是有效合理的。

4结论

1) 本文立足于传统边坡测斜方法以及光纤光栅传感新技术提出新的测斜装置，能提供高精度的实时监测数据；在对该装置传感器应变进行标定、计算之后，得到边坡不同测点的水平位移，计算结果与现场情况较符合。

2) 龙永高速ZK56+860 ～ ZK56+940段右侧边坡通过边坡测斜装置信号采集、信号数据处理编译、高速公路光缆数据传输，以及养护处系统对数据的记录与再处理，从而形成对边坡位移的实时监测系统，为边坡可能发生滑坡灾害进行预警，也为同类型工程监测处治提供借鉴意义。

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中图分类号：U 416.1+4

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0025-03