光纤传感技术在黄土边坡变形监测中的应用研究

2018-02-14赵丽荣郭震山

山西交通科技 2018年6期

赵丽荣,郭震山

（1.山西远大公路桥梁建设养护有限公司，山西忻州 034000；2.山西省交通科学研究院岩土与地下工程山西省重点实验室，山西太原 030006）

工程建设过程中，边坡的稳定性一直是土木工程行业关注的热点问题[1-2]。边坡失稳滑塌灾害事故也屡见报道，边坡滑塌可能导致人员伤亡，同时造成巨大的经济损失，社会影响恶劣。为避免边坡事故的发生，常在工程重要部位布设相关监测器件来监测边坡体的变形，以评估边坡当前所处的安全稳定状态，预测变形发展趋势，及时发现工程潜在的安全隐患，并进行处治，进而确保边坡在建设期及运营期的安全和稳定。

目前常采用的办法是在坡体内部布设测斜管，并在边坡上布设位移观测点的形式监测坡体变形。这种监测手段比较成熟，监测精度较高，因而被广泛采用。然而这种监测手段也存在一定的弊端，如只能获取某些关键点的位移信息，对整体变形发展趋势多采取经验推断，人为因素较大，有时单通过几个点的位移不能很好地反映整体变形发展情况。随着光纤传感技术的逐渐成熟[3-5]，基于布里渊分布式光纤传感技术的监测手段应运而生。分布式光纤监测技术具有可连续监测、线路简单、传输距离长、精度高以及抗干扰能力强等优点，被越来越多地应用于工程监测中[6-8]。其中分布式传感光纤在边坡中的应用示意图如图1所示。

本文以山西省内某黄土陡坡工程为依托，通过在边坡坡面上布设分布式传感光纤，监测边坡的变形变化情况；同时在边坡不同位置布置位移监测点，监测边坡位移变化情况，检验分布式传感光纤监测结果的准确性。

图1 光纤在边坡变形监测中的应用

1 工程概况

现场试验边坡为黄土边坡，坡高35 m，坡度79°，部分坡面冲刷严重，具有Ⅲ级自重湿陷性，并夹薄层粉质黏土，含水率16.9%，重度17.6 kN/m3，孔隙比1.03，塑限17.0，液限26.8。某在建高速公路将采用桥梁形式跨越此边坡，为保证公路修建过程中边坡的安全稳定，项目在开展过程中，通过在边坡上布设纵向和横向分布式传感光纤监测边坡变形发展情况，评估边坡目前所处的状态，并预测未来变形发展趋势，进而为施工提供指导。其中顺边坡方向布设一条长度为30 m的纵向光纤，横向分别在坡顶、坡中以及坡脚位置布设3条纵向光纤，长度为12 m，如图2所示，其中黑线代表布设的光纤。为一步了解边坡变形发展情况，分别在坡顶、坡中和坡脚处放置微型光学棱镜做为监测点，采用徕卡TS09 PLUS高精度全站仪对边坡的位移进行监测。

图2 现场光纤布设示意图

2 光纤测试结果

边坡光纤布设工作在2016年12月完成，布设完成后每隔半个月监测一次，本文取具有代表性的3次监测进行分析，监测时间分别是2016年12月20日、2017年2月18日和2017年5月1日。其中，2016年12月20日为初始值监测，此时边坡尚未动工；2017年2月18日开始进行场地平整作业；2017年5月1日，开始进行桥梁桩基施工。图3为分布在坡体中的纵向光纤在3次监测时间下的应变曲线。从图中可看出，不同监测时间下，光纤应变曲线变化规律大致相同，随着监测时间的推移，桩身光纤逐渐由负应变转化为正应变。第一次监测时，光纤应变为负应变，第二次监测时光纤应变正负交错，第三次监测时光纤应变全部变为正应变。说明在监测周期内，边坡产生了一定的变形。同时可以看出不同测量时间内坡顶处应变变化较小，坡脚处变化加大，说明坡脚处变形大于坡顶。

图3 纵向光纤应变曲线

图4为3条横向光纤变形曲线，从图中可看出，不同测量时间内，坡顶、坡中以及坡脚处的光纤均产生不同程度的变形。3个地方的变形情况有所不同，其中坡顶处变形差异较小，坡中次之，坡脚处变化最大。

3 边坡位移监测

图4 横向光纤应变曲线

图5为边坡水平位移监测曲线，从图中可看出，随着监测时间推移，3个位置处的水平位移均呈增大趋势，其中坡脚处变形最大，坡中次之，坡顶最小，这与分布式传感光纤监测结果一致，说明分布式传感光纤可以较为精准地反映边坡的变形情况。从图中还可看出，坡脚和坡中在监测初期变形增大速率较大，后随着时间推移，变化速率逐渐减小，有逐渐趋于稳定的趋势。监测8周后，坡脚、坡中以及坡顶处边坡水平位移分别为6.0 mm、3.2 mm和1.0 mm。