王文韜， 郭　昕， 李尚賢

(長沙理工大學， 湖南 長沙　410076)

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光纖光柵測斜技術工程應用研究

王文韜， 郭昕， 李尚賢

(長沙理工大學， 湖南 長沙410076)

摘要：邊坡變形監(jiān)測一直是了解邊坡位移情況，保證邊坡變形安全可控的一個重要手段，然而傳統(tǒng)監(jiān)測方法受天氣、人為等外在因素影響較大，難以實時對邊坡狀態(tài)進行監(jiān)控，基于此，從設備改造、埋設方法、數(shù)據(jù)采集及處理等方面進行了探討研究，并依托龍永高速公路ZK56+860～ZK56+940段右側邊坡進行的測試，檢測結果顯示設備運行效果良好。

關鍵詞：邊坡監(jiān)控； 光纖光柵測斜儀； 位移

0引言

邊坡測斜是邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的主要內容之一，傳統(tǒng)的測斜方法埋置測斜管用測斜儀進行測斜[1]，該方法測斜數(shù)據(jù)精度高，可靠性強，使用費用低，不足之處在于數(shù)據(jù)的獲取困難，人力成本過高。隨著電子技術和網絡信息的進步，GPS和光纖技術得到迅速的發(fā)展，GPS監(jiān)測法[2]應用領域廣，其優(yōu)點在于數(shù)據(jù)獲取方便，可遠程操作等，其不足之處是精度有限且不穩(wěn)定，使用費用較高。近年來，光纖傳感技術[3，4]由于其精度高，安裝方便，可長期遠距離實時監(jiān)測而被廣泛應用在巖土工程當中，光纖傳感技術按照傳感器的不同又分為分布式光纖傳感技術[5]，光纖光柵傳感技術[6-11]等，相對于其他光纖傳感器，光纖光柵傳感器有靈敏度高，使用壽命長，而且具有多分復用的功能[3]，能將不同柵距的光柵置于同一光纖上，從而實現(xiàn)對溫度、應力、應變同時監(jiān)測，將光纖光柵與傳統(tǒng)測斜技術結合[6]，既保證測斜數(shù)據(jù)的可靠，也可以對邊坡穩(wěn)定性進行遠距離、高精度、實時動態(tài)監(jiān)測。

1光纖光柵測斜裝置

1.1測斜裝置傳感器制作

測斜裝置采用PVC測斜管為基材，應變計安裝在導軌內[6]，因此采用定制的薄片型光纖光柵應變計作為監(jiān)測元件(元件尺寸為1 cm×6.5 cm)，并根據(jù)各元件上所示波長將元件按每組7個進行分組。

1.2測斜裝置的安裝

1.2.1光纖光柵應變傳感器安裝

傳感器所用基材是長度為2 m的PVC測斜管，將薄片型光纖光柵應變傳感器(FBG)粘貼于測斜管內部導軌內，PVC管通過耦合器進行相互連接，形成一個整體深部測斜裝置。見圖1。

圖1　測斜裝置安裝圖

1.2.2光纖光柵溫度傳感器安裝

測斜孔鉆孔深度基本都在十幾米以上且晝夜溫差變化明顯，因此每一個測孔內均需安裝光纖光柵溫度傳感器，起到溫度補償作用[12，13]，視邊坡的長度將2～3個溫度傳感器串接在位移傳感器系統(tǒng)中，起到溫度補償作用。

2光纖光柵信號的采集與傳輸

整個光纖光柵信號采集主要經過傳感和解調兩個過程，傳感過程是外界參量調制傳感器中心波長，解調則是將傳感器反射波信號對應成外界參量，目前信號調解方案有許多，本文采用可調F-P(Fabry-Perot濾波器，圖2)濾波解調法調解傳感器波長信號的方法來采集傳感器信號[3]，其實現(xiàn)過程如下圖所示，由于公路施工期與運營期的邊坡環(huán)境和狀態(tài)差別較大，因此信號采集傳輸也分為施工期和運營期兩種模式。

圖2　信號采集流程圖

2.1施工期測斜信號的采集與傳輸

施工期邊坡未成型，錨固措施未全部做到位，平臺還需要做多次整平加固，不具備鋪設光纜等長期性傳輸設備的條件，其信號主要的采集方式是人為現(xiàn)場采集。見圖3、圖4。

圖3　信號現(xiàn)場采集

圖4　施工期數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.2運營期信號的采集與傳輸

運營期邊坡施工已經全部結束，邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，人為現(xiàn)場監(jiān)測困難，現(xiàn)場具備埋設長久性傳輸設備的條件，因此邊坡測斜數(shù)據(jù)需要進行長距離傳輸，由于光纖光柵傳感器對光波敏感性較高，為了避免信號長距離傳輸造成損耗，本裝置采用信號先采集解調再傳輸?shù)姆椒ǎ磳⒔庹{儀放置于邊坡端，傳感器波長信號通過解調為數(shù)字信號，通過光纜傳輸?shù)竭吰吗B(yǎng)護所。見圖5。

圖5　運營期數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3應用實例及數(shù)據(jù)處理分析

3.1工程狀況

龍永高速公路ZK56+860～ZK56+940段右側邊坡最高處23 m，設有3級邊坡，地質構造主要由黏土和泥質頁巖組成，由于位于龍山縣大農車斷裂帶周邊，受其影響，邊坡巖體破碎，邊坡穩(wěn)定性差，因此為了監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定性，于2014年7月在該邊坡埋設了光纖光柵測斜裝置，定義往坡內方向為正向，反之為負向。其布設方式如圖6所示。

圖6　光纖光柵測斜裝置布置圖

3.2數(shù)據(jù)處理

光纖光柵的波長數(shù)據(jù)并不能直接反映邊坡的位移情況，只能反映光柵柵距的變化量，需要計算得出光柵應變，由應變計算得出測斜管不同點位的撓度，繼而得出邊坡的位移情況[4]，圖6中4孔測斜裝置的工作方式一致，故選擇其中一孔(4#孔)例，詳細闡述該裝置的數(shù)據(jù)計算過程，具體數(shù)值如表1～表3所示。

3.3位移分析[14]

通過對“3.2節(jié)”的數(shù)據(jù)處理過程重復操作即得到邊坡不同孔位不同深度位移情況，其位移隨時間變化曲線如圖7所示。

從圖7中不難看出，該邊坡單孔最大月平均位移在15～17 mm，相對處于分別邊坡兩端的1#、4#孔位，處于邊坡中部的2#、3#孔位所在邊坡斷

表1 傳感器波長數(shù)據(jù)傳感器波長/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溫度1551.2231551.2311551.233波長/μξ2014-11-092014-11-262014-12-02應變系數(shù)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 傳感器應變值傳感器應變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應變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 不同測點的位移測點/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

圖7　位移隨時間變化曲線圖

面位移變化累積量大，位移曲線基本與邊坡位移趨勢一致，說明該測斜裝置測斜方法以及數(shù)據(jù)編譯方法是有效合理的。

4結論

1) 本文立足于傳統(tǒng)邊坡測斜方法以及光纖光柵傳感新技術提出新的測斜裝置，能提供高精度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；在對該裝置傳感器應變進行標定、計算之后，得到邊坡不同測點的水平位移，計算結果與現(xiàn)場情況較符合。

2) 龍永高速ZK56+860 ～ ZK56+940段右側邊坡通過邊坡測斜裝置信號采集、信號數(shù)據(jù)處理編譯、高速公路光纜數(shù)據(jù)傳輸，以及養(yǎng)護處系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的記錄與再處理，從而形成對邊坡位移的實時監(jiān)測系統(tǒng)，為邊坡可能發(fā)生滑坡災害進行預警，也為同類型工程監(jiān)測處治提供借鑒意義。

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中圖分類號：U 416.1+4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0025-03