锚索框架边坡表面变形监测研究

王磊

（中铁十一局集团第六工程有限公司 湖北襄阳 441003）

2019年1-10月份全国发生地质灾害6070起，其中滑坡4167起、崩塌1211起，边坡类地质灾害占比为88.6%。锚索框架作为一种主动抗滑结构，在边坡治理中得到了广泛的应用，但由于预应力类软岩中蠕变大导致预应力损失较大、框架设计施工不合理以及极端天气导致预应力锚索框架加固后的边坡依旧发生病害。

锚索框架加固后的边坡变形监测包括表面变形监测和深层位移监测，其中表面变形监测手段包括全站仪监测、振弦传感器和北斗等单点式监测手段，不易实现整个边坡的全覆盖。基于BOTDA的光纤传感技术可以准确地测出光纤沿线上任一点变形信息的优点，光纤传感在边坡表面及深层位移监测中进行研究[1-2]，本文将光纤布设在在锚索框架内，对基于BOTDA的光纤传感技术在锚索框架边坡表面变形监测中的应用进行相关研究。

1 基于BOTDA的光纤传感技术简介

BOTDA（Brillouin optical time domain analysis）布里渊光时域分析技术利用了受激布里渊放大特性，让两束光在光纤中反向传播，当两者频率差等于布里渊频移时，弱的连续光信号将被强的脉冲泵浦光放大，当光纤上的某一段发生变形时，该部位的布里渊频移将增大，从而引起该区域布里渊散射信号的急剧衰减，通过调谐使入射的泵浦光和探测光之间的频率接收到该处的布里渊散射信号。因此利用BOTDA测到光纤沿线任一点的布里渊散射频率，再应用布里渊频移与变形的关系，即可得到光纤沿线任一点的变形分布。

图1 BOTDA原理

2 光纤测量精度分析

本项目所用仪器为omnisens的STA-R仪器，仪器参数设置为：单步解调频率为1MHz，空间分辨率为0.5m，采样间隔为0.1m，平均次数为1000次。现场光纤布设之后，连续采集5次，以第一次作为初始值，后4次光纤变化量如图2所示。

测次2~5光纤总测点数为1376个，1376个测点变化最大为56με，最小为-50με，平均值为5.66με，标准差为16.36，测点正态分布如图3所示。

图2 重复测量精度

图3 重复测量正态分布

测点分布范围如表1所示。

表1 测点分布列

在保证95%精度的情况下，本项目仪器测量精度为40με。

3 混凝土结构张拉试验

为了验证光纤测量混凝土结构变形的可性性，在32m长混凝土结构上布设光纤，对混凝土结构物进行张拉，测量混凝土结构变形以及出现裂缝时光纤的变化量。

图4 光纤布设在混凝土结构表面

拉伸至2mm时混凝土结构物出现裂缝，张拉至14mm时，最大裂缝宽度达到1.5mm，光纤测量数据如图5所示。

图5 拉伸试验光纤测量变形

张拉试验过程中，结构物表面出现裂缝时，光纤测量应变为560με，裂缝宽度在1.5mm时，光纤测量应变为3400με，仪器测量精度为40με，该精度为结构物出现裂缝时变形量的1/14（变形监测要求仪器测量精度为破坏变形量的1/10~1/20），表明光纤可以用于混凝土结构物变形及裂缝监测。

4 项目应用

实际项目为三级放坡边坡，边坡采用锚索框架加石笼挡墙支护，光纤布设在第二级框架梁，光纤的布设步骤为：框架梁定线→刻槽→除尘→光纤预张拉→涂胶固定。

图6 光纤布设（左：框架梁刻槽右：光纤布设后效果）

由于本项目未布设温补光纤，需确定温度作用下框架梁变形量，选择1d时间内7个时间点进行测量，光纤测量变形如图所示，表明温度作用下框架梁本身发生热胀冷缩，温差作用下框架梁变形在-200~100με之间。

图7 一天内框架梁段光纤测量应变

现场光纤布设3个月后光纤测量如图8所示，光纤变形在-100~10με之间，属于温差影响范围内光纤变化量，表明框架梁无变形，经现场检查，发现该段框架梁无变形及裂缝。

图8 框架梁段光纤测量应变

5 结论

本文进行了光纤传感在混凝土结构物及锚索框架边坡中的应用，主要结论如下：

（1）拉伸试验过程中，拉伸量为4mm时，混凝土结构物产生裂缝，此时裂缝点光纤测量应变为560με，拉伸量为14mm时裂缝宽度为1.5mm，光纤测量应变为3400με，光纤测量误差40με约为裂缝产生时测量结果的1/14，表明光纤可以用于混凝土结构变形及裂缝的测量；

（2）实际项目中温差作用下框架梁变形在-200~100με之间，现场光纤布设3个月后光纤变形在-100~10με之间，表明框架梁无变形，与现场框架梁无变形及裂缝情况一致，表明光纤可以应用于边坡框架梁变形监测。