基于布里渊光时域反射技术的断层稳定性监测试验

王琼 金永黎 欧元超 付茂如

摘 要：针对断层稳定性问题，采用BOTDR分布式光纤感测技术对内蒙阿拉善地区贺兰山西麓断层进行了监测分析，研究了自然条件下断层内部应力的变化情况。研究结果表明：贺兰山西麓断层在观测周期内钻孔周围围岩整体发生拉伸变形;断层面附近岩层的应力状态易受断层活动的影响，根据分布式光纤的应变分布曲线能够精确划分出断层活动的影响范围在断层之上9m和之下8m;BOTDR分布式监测技术可以有效捕捉到自然条件下断层微弱活动所引起的应变变化，实现应变的动态实时监测。BOTDR监测技术为长期、精细化评价断层稳定性状态提供了十分可靠的监测手段。

关键词：贺兰山;断层稳定性;BOTDR;分布式监测;应变

中图分类号： P694文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2021）02-0051-06

收稿日期：2020-05-18

基金项目：安徽理工大学研究生创新基金资助项目（2019CX1002）

作者简介：王琼（1997-），女，陕西宝鸡人，在读硕士，研究方向：地球探测与信息技术。

Monitoring Experiment on Fault Stability Based on BOTDR

WANG Qiong， JIN Yongli，OU Yuanchao，FU Maoru

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui232001， China）

Abstract：Aiming at the problem of fault stability， this paper uses BOTDR distributed optical fiber sensing technology to monitor and analyze the fault in the western foot of Helan Mountain in Alashan area of Inner Mongolia， researching the change of internal stress of fault under natural conditions. The followings were showed by the results. The stress state of rock strata near fault surface is easily affected by fault activity， and the influence range of fault activity can be accurately divided according to the strain distribution curve of distributed optical fiber， which is 9 m above the fault and 8 m below it. The hanging wall is mainly subjected to tensile strain， while the footwall is mainly compressive strain. BOTDR distributed monitoring technology can effectively capture the strain changes caused by weak fault activity under natural conditions， realizing the real-time dynamic monitoring of strain. BOTDR monitoring technology provides a very reliable monitoring means for long-term and fine evaluation of fault stability.

Key words：Helan Mountain; fault stability; BOTDR; distributed monitoring; strain

斷层是地壳受力发生断裂，沿断裂面两侧岩块发生的显著相对位移的构造，在浅层地壳中发育广泛[1]。断层结构面不仅破坏了岩体的连续性、完整性，而且严重影响着断层带内岩体的物理力学特性，对地层稳定性有着极为不利的影响[2]。国内外学者针对该问题开展了大量研究工作，也取得了一定成果。文献[3]等通过对SanAndreas断层地应力变化的长期观测，得出断层附近一定范围内岩体所受最大剪切应力与其距断层的距离成反比。文献[4]利用断层的几何形态和三向主应力间的关系将断层划分为正断层、逆断层及走滑断层，并利用库伦准则计算出此类断层的摩擦系数。文献[5]运用FLAC3D数值模拟方法研究了断层在煤矿采动影响下的活动情况，有效指导了煤矿的安全生产。文献[6]通过对龙陵-瑞丽断裂带附近获得的实测数据进行分析，得出断层面上的应力值未达到使断层活动的临界值之前断层不会活动的结论。

分布式光纤感测技术（BOTDR）是一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术[7]。由于其具有感测距离长、耐久性好、抗干扰性强、易组网等特点，近年来在岩土工程监测领域得到了广泛应用。文献[8]利用BOTDR技术对马家沟滑坡抗滑桩变形进行了长期监测分析，从抗滑桩内力分布状态及外在环境因素两方面对抗滑桩的稳定性进行了分析和评价。文献[9]基于BOTDR分布式光纤感测技术原理对无锡杨墅里地裂缝进行了分布式监测，得到了较好的应用效果。文献[10]对BOTDR应用于大型基础工程健康诊断中的可行性进行了深入分析。

本文以贺兰山西麓断层为研究对象，采用布里渊光时域反射技术（BOTDR），在断层区域打穿层钻孔并布设分布式感测光纤，获得了自然条件下断层内部的应变信息，然后從断层性质和地层岩性条件对断层稳定性进行了分析和评价，为断层活动的监测技术与评价提供了参考。

1 基于BOTDR的断层稳定性监测

1.1 技术原理

本文采用AV6419分布式光纤应变解调仪[11-14]对现场研究区内断层进行监测。该仪器基于自发布里渊光时域反射技术（BOTDR），以分布式的感测方式进行测量。即由BOTDR向光纤中发射一束脉冲光，光通过光纤传播时，光子和光纤中产生的声子发生碰撞，产生布里渊散射，引起反射光的频率发生改变。而该频率的变化主要受散射角和光纤特性的影响，因而，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移便可实现分布式应变测量。

BOTDR传感技术所采用的光纤具有体积小、韧性大，能以任意形式复合于基体结构中且不影响基体性能的特点。通过测试光纤不同位置的布里渊散射光功率和频率可获得整个测试光纤上各测点的应变。该传感技术系统最大的优点在于光纤既是传感元件又是传输媒介，能够满足长距离、不间断监测的要求，便于与光纤传输系统联网，进而实现系统的遥测和控制[15-16]。

1.2 应用可行性分析

众所周知，断层是由地壳运动引起的。断层活动受区域应力场或局部应力场控制，断层两盘的相对位移是其内部应力改变的外在体现。故有效掌握断层所在区域岩体内应力变化情况，对断层的稳定性评价等具有有益指导。

BOTDR作为一种分布式光纤感测技术能够监测到被感测对象应变变化，并且应用这一技术可以监测最长80km光纤沿线的应变，应变测量范围为（-1.5～+1.5）%，距离分解度可达1m，应变测量精度可达±0.003%，完全满足了本试验的监测要求。

2 断层稳定性研究

2.1 工程概况

研究区位于内蒙阿拉善盟阿拉善东南部的贺兰山山前洪积扇中部，东依贺兰山，西邻腾格里沙漠，海拔高程达到1 500～1 650m。研究断层为位于巴彦浩特镇西部丘陵区的贺兰山西麓断层，该断层发育在贺兰山西20km处，沿贺兰山西麓呈南北向延伸，北段被第四系覆盖，向南与龙首山—青铜峡—固原断裂相交，是一条走向南北、西倾，倾角75°左右，全长约90km的断层[17]。该断层控制了盆地的东部边界，断层两侧地层年代不一，西侧为古近系渐新统，东侧为白垩系下统。古近系、新近系、白垩系不整合于石炭系、奥陶系之上，基岩基底深埋在2 500m以下。研究区断层具体地层岩性情况如表1所示。

2.2 钻孔设计

现场钻探人员依照钻孔设计有关参数要求，架设钻机在观测点处垂直地面进行钻探，钻孔穿过断层带，钻孔具体参数如表2所示。

2.3 传感光纤的选择与安装

1）线缆选择 为克服地应力作用的影响，满足光缆抗拉、压强度高的要求，本次试验选择强度较大的金属基索状应变感测光缆（见图1），具体参数如表3所示。

2）现场安装 现场安装选用金属导头的自重带着光纤线缆。为防止光纤线缆在下入钻孔的过程中受到破坏，特加入一根钢丝绳，安装过程中由钢丝绳承受主力。装入钻孔的光纤线缆总长为76.5m，线缆装入结束后，对钻孔进行注浆封孔。为保证监测数据的真实可靠性，待封孔后孔壁及围岩应力达到平衡状态（封孔45d后）再进行数据采集，施工现场如图2所示。

2.4 数据处理与分析

现场数据采集时间为2018年5月28日16点至6月1日14点，每组数据采集的时间间隔为2h，剔除部分异常数据组，最终共获得有效数据41组。以首次采集的数据作为背景数据，后期数据均与背景数据进行作差处理。观测周期内钻孔的应变分布云图如图3所示，其中x轴方向代表采集次数;y轴方向代表钻孔深度，地面孔口位置为0点;不同颜色的色标代表对应位置的应变值。

图3表明钻孔测试传感光缆主要呈现拉应变，尤其是在断层位置的岩体由于受到上下盘差异性错动影响而产生剪切变形。 但由于地层岩性及地质构造方面的影响， 钻孔不同深度位置处光纤线缆的应变特征区段性明显。孔深0～5m的位置范围内， 光纤线缆呈现出压缩应变， 最大压应变出现在距孔口2.5m的位置，相对压应变值达到了-18με;孔深12～18m的位置范围内，应变值呈现上升趋势，最大相对拉应变出现在距孔口15m的位置，应变值达到了28με;孔深35～60m范围内应变变化较为显著，该区域处于断层控制区，因而在35～41m、45～52m和52～60m范围内都出现了明显的拉应变，且在距孔口49m位置处的拉应变值最大，达到了85με。位于钻孔孔底的70～76.5m范围内光纤线缆主要呈现出压应变变化特征，最大变化值达到了-11με。

为进一步分析应变变化原因，将应变监测数据曲线与地层岩性图相对应，如图4所示。

图4中共出现了6处较为明显的应力变化，第1处是钻孔孔口的腐殖土底部位置，腐殖土松散软弱，受外力影响变形明显;第2处是距孔口15m位置的灰岩上部，灰岩中的裂隙受到断层扰动后会产生较大应变;第3处是距孔口40m的断层上盘灰岩中，距断层面较近（8m左右），受断层面应力变化影响较大;第4处为断层面上的应变，该处应变受断层面活动直接控制，传感光缆对其应变感应最为灵敏、应变值最大;第5处是距孔口56m的断层下盘灰岩中，该点与观测点3应变变化大致相同，但由于受上下两盘相对运动的滑动摩擦力影响，该处应变值较观测点3处略大;第6处位于位于断层下盘角砾岩中，受上盘挤压作用产生压应变。综上，断层面附近岩层的应力状态易受断层活动的影响，且影响范围跨越断层之上9m和之下8m。

钻孔控制范围内的断层高度为76.5m，为深入研究钻孔内光纤附近应力的分布情况与变化规律，在光纤线缆上选取了6个应变值变化明显的观测点进行分析，6个观测点分别位于距孔口3、15、40、48、56、73m位置处。6个观测点对应的应变变化折线图如图5所示。

分析上图应变结果知，布设于断层活动影响范围之外的断层上盘观测点（观测点1、2）应变值整体变化不大;而位于断层面附近及断层下盘的观测点（观测点3、4、5）应变值明顯增大;钻孔最底部的观测点6应变值较小，且整体表现为压缩应变。

观测点1处应变值变化范围介于-16～17με之间，此处为浅表覆盖层，顶部为腐殖土，下部为砂质黏土和固结良好的砂土，地层风化程度高、密实度低、稳定性较差，受地表活动发生应变变化的幅度较大;观测点2处应变值变化范围介于0～24με之间，此处位于角砾岩和灰岩的岩性分界面处，断层受地层拉张力作用上盘向下运动，岩层间的微弱活动和断层盘运动共同导致该部位产生拉应变变化;观测点3处应变值变化范围介于-3～17με之间，该处位于断层面附近的灰岩岩层中，灰岩厚度大且裂隙发育，易受地层活动影响。上盘受拉张作用向下运动产生拉应变变化，但由于监测点距断层面较远，监测过程中应变值波动不大;观测点4处应力变化范围介于0～70με之间，该测点恰好位于断层面上，受断层两盘相对运动影响较大，加之灰岩破碎程度高，地应力状态改变引起钻孔周围围岩应力重分布，故该点处的应力变化范围最大;观测点5处应力变化范围介于-5～30με之间，此测点位于断层下盘灰岩中，由于其距孔口位置较远（56m），受上覆岩体自重应力影响较大，加之位于灰岩与构造角砾岩的分界面处，受天然应力变化影响产生较大应变;观测点6处位于断层下盘的角砾岩中，应变值变化范围介于-8～8με之间。由于上盘岩层的自重和相对运动时所产生的摩擦作用，该处先受到挤压力作用，表现为压应变;待断层滑动到监测点下方时，转变为拉应变。

3 结论

针对断层活动性监测难的问题，本文采用分布式光纤传感技术对贺兰山西麓断层进行了连续监测，在监测数据的基础上结合地层岩性条件对断层稳定性进行了分析，得到如下结论：

（1）监测钻孔的测试结果显示传感光缆主要呈现拉应变，表明贺兰山西麓断层在观测周期内钻孔周围围岩整体发生一定的变形;

（2）根据分布式光纤的应变分布曲线能够大致划分出断层的影响范围在断层之上9m和之下8m，距孔口49m位置处的应变值最大，达到了85με;

（3）BOTDR分布式监测技术可以有效捕捉到自然条件下断层微弱活动所引起的应变变化，能够实现应变的全程实时监测。

因此，BOTDR光纤感测技术能够实现断层的连续、分布式应变监测，为断层的稳定性分析和评价提供先进可靠的监测手段，可在岩土工程监测领域推广应用。当然，本试验在研究过程中也存在一些不足，比如：现场监测时间较短、数据采集时间间隔较长、所获用于断层稳定性评价分析的监测数据数量不够多等。针对这一问题，本课题组拟在后期对该研究断层进行更长时间的应变动态监测，为断层稳定性的长期、动态监测及危险预警提供足够数据支撑。

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（责任编辑：李 丽）