基于准分布式光纤传感技术在黄土边坡监测中的应用

2022-08-12侯小峰赵秋鹏刘博涛

现代信息科技 2022年8期

侯小峰，赵秋鹏，刘博涛

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西西安 710003）

0 引言

我国幅员辽阔，山地、丘陵、高原众多，约占国土面积五分之三。近年来，随着公路、铁路、水利、市政、矿山的高速发展，实际工程中，边坡治理、边坡安全，变成非常重要的问题。由于边坡多分步在荒郊野外，山区丘陵，传统人工巡查手段，已无法满足安全需要，加强地质灾害监测和防治，边坡监测在社会实践中的需求越来越重要。光纤传感技术是利用光纤中光传输特性与外界应变成一定的线性关系技术所发展起来的一种新型传感监测技术。与传统的监测手段相比，具有传感部位无需电源，数据传输，耐腐蚀、灵敏度高、响应快、重量轻、体积小、监测点多，以及可串联，并联等优点。本文通过光纤传感技术的原理，结合边坡监测工程实例，探讨光纤传感在黄土边坡深部位移监测中的应用。

1 光纤传感技术的原理

光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些传输特征参数变化的测量，实现对外界物理量的测量。光纤传感技术以其可串联，可并联应用方便，成本低与云端网络结合紧密传输的优点成为边坡监测技术中最具前途的技术，是边坡内部位移监测技术的发展趋势。其中扫描式激光探测传感技术是最具代表性的准分布式光纤传感技术。扫描式激光监测技术基本原理是利用光纤中的传输光的频率，波长变化量与光纤本体所受的应变和温度等外部物理量之间的线性关系，来监外部物理量的变化。

光纤中监测的脉冲光以一定的频率波长自光纤的入射端耦合，与光纤中的传感部件相互作用产生波长漂移频率偏移，其中一部分光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，通过分路器进入探测器、经过一系列复杂的信号处理可以得到该返回探测光功率与原发射光的变化特性。如果光纤受到外界环境的变化特性就发生引起传输光特性改变，由传输光的变化量与光纤应变之间的线性关系可以得到光纤的应变。

光纤的轴向应变和温度与入射光波长的漂移量关系表示为：

其中v（，）是光纤温度为时的光纤应变；v（，）是光纤0、温度为时的光纤应变；、分别为初始温度和测量时的温度；和Δ分别为应变、温度变化量。、分别为温度为，时的波长，为矫正系数

根据监测得知温度系数较应变系数比较大，温度对波长偏移的影响大。本系统采用共扼梁法式的应变的上下两侧温度进行相互补偿，使温度影响降到可以忽略程度。

2 光纤边坡深部位移监测OMMS系统的特点

光纤边坡深部位移监测系统作为一种新的黄土边坡深部位移监测是一种较新的监测技术手段，与传统的监测手段相比较，主要特点如下：

（1）光纤内部位移监测管本质安全，不需要特制数据传输的电缆和电源。

（2）光纤监测管本身采用PPR材质，重量轻，组装容易施工方便。而且对黏贴与其上的光纤传感器力学参数影响很小，通过套管连接，能够简易布施于90 mm×2 000 mm的深孔中，方便施工。

（3）光纤监测管共轭梁法设计，灵敏度高，温度影响小，本身不需要电源，无需定期校准，减少维护成本。

（4）光纤监测管充分利用光纤传感的特性结构简单，施工方便，延长监测管只需追加套管即可。

（5）可满足工程多点位、复杂布局实时监测的要求。

（6）普通单模光纤作为传输单元，可以与视频，数据共用一根光缆。

（7）信息量大。光纤传感监测系统可以在整个光纤探测管上通过最小二乘法等测试计算出每一点的模拟位移变化，进而得出整个探测管线状的位移变化矩阵图。

（8）性能价格比高，随着光纤的进一步普及批量化生产，物联网，大数据进一步推广，是的全数字化边坡成为可能。

3 实例分析

3.1 工程概况

陕西咸阳市泾阳某矿山边坡，地形西高东低，地面标高介于811.6 m～847.9 m之间，最大高差36.3 m。场地地貌单元属黄土梁。因取土开挖，现已形成长约170 m，宽40 m，高约30 m的边坡。边坡坡度50°～80°，地层岩性主要为黄土，表层覆盖薄层人工回填土，厚度2 m。边坡坡顶距矿山厂房最小距离仅3 m，边坡下部为厂区道路。2020年3月采取“削坡+抗滑桩+旋喷锚索框架格构+挡墙+截排水”进行加固。但是在同年的9月份雨季，边坡顶部局部出现垮塌、掉块现象。鉴于此，2020年10月对该边坡运用OMMS监测系统技术对其进行了监测。

3.2 光纤监测系统

本次主要采用OMMS监测系统，项目监测中所使用的光纤为普通单G.652作为传输单元利用特制光纤传感器串作为传感单元。利用共轭梁法补偿原理实现温度和应变的分离式测量，进一步根据应变，计算监测管孔内部个点的位移变化状态，并且可以通过上位机实现在线监测，同时能够利用数据库技术实现远程跨区域监控。工作过程：边坡内部剪切作用于光纤位移监测管，经位移监测管带动管两侧光纤传感模组产生变化，光纤传感组件的应变带动器件内光路的变化，通过光纤传输到解调模块，解调模块根据组件光路的变化经过计算反映出内部监测管各个位移探测点的变化。按边坡内部位移变化，光纤传感组件产生的变化，调制光纤中的光信号，使光信号位移变化而规律变化，将变化的光信号传到远方终端，达到地下位移变化转为光信号变化的目的，实现光纤无源边坡位移感应监测功能。

3.3 光纤监测仪器布设

埋设要点：首先，在边坡顶部稳定土体内开四个直径90 mm洞，深约2 000 cm，之后把光纤监测管垂直布设于探测孔内，用混凝土上盖密封内，边坡现场如图1所示，传感仪器的组装如图2所示。边坡体上部的观测点布置在边坡顶部平台上，观测点间距为20 m，按照可能形成的滑动带进行布点。二级坡的深层位移观测点布置在同一直线上，以便监测数据的相互验证和对比分析。

图1 边坡现场

图2 传感仪器的组装

钻成孔之后，把已经定制好的光纤探测管逐步放入。在光纤监测管管安装过程中，沿监测管外侧对称粘贴基于监测的应变光缆，透过套管不断延伸。将光纤应变光缆沿轴向布设在60 mm PPR管的上、下光纤传感槽位中固定好加上下部堵头，用碳纤维保护条加以保护。同时，孔内安放实验校准温度传感器，采用激光扫描探测技术测量探测管温度沿深度分布状态，用作温度补偿比较。中粗砂填充，其余回填粘土。回填时，要求挑选出较大的碎石，防止堵塞钻孔，回填不实，而影响测量的精度。

地表沿监测管位置用PVC管槽保护传输光纤把检测数据信号传输到综合数据采集中心在综合监测中心把数据云端上传根据光纤监测资料。

为了精确测定边坡深部的位移大小及方向，在边坡中钻取了90 mm的孔，追加埋设了一根长20 m、外径60 mm、内径50 mm的光纤监测管仪。该光纤探测管表面前后左右对称布设了2对根应变测试光缆。埋设时，将监测管分段拼装并置于钻孔中，再用水泥灌浆。根据监测管的监测结果，可以同时测定边坡深部前后左右两个水平方向上的位移量。

按设计要求在需要的位置埋设光纤监测管（专用PPR管），管上标注有互相垂直的四个导向槽。通过导向槽按照顺序下放监测管，用套管链接监测管和光纤，接口用专用堵头密封。监测管安装完毕后，用管子上堵头盖住管口，防止损坏光前传感器，并在管顶砌筑保护装置，保护及固定光纤监测管。把监测管光缆通过传输光缆汇聚到边缘光纤解调数据分析中心。

3.4 OMSS监测系统云端实现和微信通知

OMSS监测系统依靠在光纤传感+AI、大数据、云计算和5G等技术基础之上，达到了地上、地下实时立体监测，边坡内外裂痕、坍塌、滑坡提前预警的目的。根据用户需求和现场需要采用B/S架构，采用“端边云”数据分布式处理模式。主要硬件由windows server管理平台，光信号处理模块，光纤地波感应监测管，存储器模块，摄像头和AI图像分析，太阳能供电模块，无线路由器，手持式告警终端等组成。软件模块主要有：系统管理软件，实时监测软件，预报警软件，摄像头AI软件，多级平台接入管理软件，大数据处理管理软件，通信协议管理软件，地图信息应用软件，日常报表、管理等软件。具体是在现场把传感器监测的信号经过解调处理变成应变信息，结合4G卫星传输到公共云端。在云端经过数据处理告警分析透过企业微信管理平台实时输送告警信息到每个巡查者的手持机中。

3.5 软件界面

开机界面。系统软件平台基于GIS技术平台开发，功能强大，集数据采集、数据传输与数据分析于一体的专业综合平台，设三级密码：一级为维护员，二级为管理员，三级为操作员。

预警报警。支持弹出软件窗口报警、微信推送报警，显示数据列表，清晰准确。如图3所示。

图3 监测点报警数据信息示意图

3.6 监测结果分析

在边坡顶部平台布设JCK1和JCK3光纤监测管管，在中部平台布设JCK2和JCK4测斜管，对边坡深部位移进行监测。监测结果如图4至图6所示，2组探测管所测得的边坡深部位移变形沿测斜管埋深的分布形式非常接近相似，都沿着探测管埋深呈现逐渐收敛的状态，最终趋于稳定，从总体监测结果来看，监测过程中并未出现整体的明显变形增长趋势，坡面深部较小，稳定性较好。