侯小峰，趙秋鵬，劉博濤

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西 西安 710003）

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，山地、丘陵、高原眾多，約占國(guó)土面積五分之三。近年來，隨著公路、鐵路、水利、市政、礦山的高速發(fā)展，實(shí)際工程中，邊坡治理、邊坡安全，變成非常重要的問題。由于邊坡多分步在荒郊野外，山區(qū)丘陵，傳統(tǒng)人工巡查手段，已無法滿足安全需要，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和防治，邊坡監(jiān)測(cè)在社會(huì)實(shí)踐中的需求越來越重要。光纖傳感技術(shù)是利用光纖中光傳輸特性與外界應(yīng)變成一定的線性關(guān)系技術(shù)所發(fā)展起來的一種新型傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比，具有傳感部位無需電源，數(shù)據(jù)傳輸，耐腐蝕、靈敏度高、響應(yīng)快、重量輕、體積小、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，以及可串聯(lián)，并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。本文通過光纖傳感技術(shù)的原理，結(jié)合邊坡監(jiān)測(cè)工程實(shí)例，探討光纖傳感在黃土邊坡深部位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 光纖傳感技術(shù)的原理

光纖傳感技術(shù)是通過對(duì)光纖內(nèi)傳輸光某些傳輸特征參數(shù)變化的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的測(cè)量。光纖傳感技術(shù)以其可串聯(lián)，可并聯(lián)應(yīng)用方便，成本低與云端網(wǎng)絡(luò)結(jié)合緊密傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)成為邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)中最具前途的技術(shù)，是邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。其中掃描式激光探測(cè)傳感技術(shù)是最具代表性的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)。掃描式激光監(jiān)測(cè)技術(shù)基本原理是利用光纖中的傳輸光的頻率，波長(zhǎng)變化量與光纖本體所受的應(yīng)變和溫度等外部物理量之間的線性關(guān)系，來監(jiān)外部物理量的變化。

光纖中監(jiān)測(cè)的脈沖光以一定的頻率波長(zhǎng)自光纖的入射端耦合，與光纖中的傳感部件相互作用產(chǎn)生波長(zhǎng)漂移頻率偏移，其中一部分光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，通過分路器進(jìn)入探測(cè)器、經(jīng)過一系列復(fù)雜的信號(hào)處理可以得到該返回探測(cè)光功率與原發(fā)射光的變化特性。如果光纖受到外界環(huán)境的變化特性就發(fā)生引起傳輸光特性改變，由傳輸光的變化量與光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系可以得到光纖的應(yīng)變。

光纖的軸向應(yīng)變和溫度與入射光波長(zhǎng)的漂移量關(guān)系表示為：

其中v（，）是光纖溫度為時(shí)的光纖應(yīng)變；v（，）是光纖0、溫度為時(shí)的光纖應(yīng)變；、分別為初始溫度和測(cè)量時(shí)的溫度；和Δ分別為應(yīng)變、溫度變化量。、分別為溫度為，時(shí)的波長(zhǎng)，為矯正系數(shù)

根據(jù)監(jiān)測(cè)得知溫度系數(shù)較應(yīng)變系數(shù)比較大，溫度對(duì)波長(zhǎng)偏移的影響大。本系統(tǒng)采用共扼梁法式的應(yīng)變的上下兩側(cè)溫度進(jìn)行相互補(bǔ)償，使溫度影響降到可以忽略程度。

2 光纖邊坡深部位移監(jiān)測(cè)OMMS系統(tǒng)的特點(diǎn)

光纖邊坡深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種新的黃土邊坡深部位移監(jiān)測(cè)是一種較新的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比較，主要特點(diǎn)如下：

（1）光纖內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)管本質(zhì)安全，不需要特制數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|和電源。

（2）光纖監(jiān)測(cè)管本身采用PPR材質(zhì)，重量輕，組裝容易施工方便。而且對(duì)黏貼與其上的光纖傳感器力學(xué)參數(shù)影響很小，通過套管連接，能夠簡(jiǎn)易布施于90 mm×2 000 mm的深孔中，方便施工。

（3）光纖監(jiān)測(cè)管共軛梁法設(shè)計(jì)，靈敏度高，溫度影響小，本身不需要電源，無需定期校準(zhǔn)，減少維護(hù)成本 。

（4）光纖監(jiān)測(cè)管充分利用光纖傳感的特性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)管只需追加套管即可。

（5）可滿足工程多點(diǎn)位、復(fù)雜布局實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。

（6）普通單模光纖作為傳輸單元，可以與視頻，數(shù)據(jù)共用一根光纜。

（7）信息量大。光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在整個(gè)光纖探測(cè)管上通過最小二乘法等測(cè)試計(jì)算出每一點(diǎn)的模擬位移變化，進(jìn)而得出整個(gè)探測(cè)管線狀的位移變化矩陣圖。

（8）性能價(jià)格比高，隨著光纖的進(jìn)一步普及批量化生產(chǎn)，物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)進(jìn)一步推廣，是的全數(shù)字化邊坡成為可能。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

陜西咸陽市涇陽某礦山邊坡，地形西高東低，地面標(biāo)高介于811.6 m～847.9 m之間，最大高差36.3 m。場(chǎng)地地貌單元屬黃土梁。因取土開挖，現(xiàn)已形成長(zhǎng)約170 m，寬40 m，高約30 m的邊坡。邊坡坡度50°～80°，地層巖性主要為黃土，表層覆蓋薄層人工回填土，厚度2 m。邊坡坡頂距礦山廠房最小距離僅3 m，邊坡下部為廠區(qū)道路。2020年3月采取“削坡+抗滑樁+旋噴錨索框架格構(gòu)+擋墻+截排水”進(jìn)行加固。但是在同年的9月份雨季，邊坡頂部局部出現(xiàn)垮塌、掉塊現(xiàn)象。鑒于此，2020年10月對(duì)該邊坡運(yùn)用OMMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3.2 光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本次主要采用OMMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，項(xiàng)目監(jiān)測(cè)中所使用的光纖為普通單G.652作為傳輸單元利用特制光纖傳感器串作為傳感單元。利用共軛梁法補(bǔ)償原理實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分離式測(cè)量，進(jìn)一步根據(jù)應(yīng)變，計(jì)算監(jiān)測(cè)管孔內(nèi)部個(gè)點(diǎn)的位移變化狀態(tài)，并且可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)能夠利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程跨區(qū)域監(jiān)控。工作過程：邊坡內(nèi)部剪切作用于光纖位移監(jiān)測(cè)管，經(jīng)位移監(jiān)測(cè)管帶動(dòng)管兩側(cè)光纖傳感模組產(chǎn)生變化，光纖傳感組件的應(yīng)變帶動(dòng)器件內(nèi)光路的變化，通過光纖傳輸?shù)浇庹{(diào)模塊，解調(diào)模塊根據(jù)組件光路的變化經(jīng)過計(jì)算反映出內(nèi)部監(jiān)測(cè)管各個(gè)位移探測(cè)點(diǎn)的變化。 按邊坡內(nèi)部位移變化，光纖傳感組件產(chǎn)生的變化，調(diào)制光纖中的光信號(hào)，使光信號(hào)位移變化而規(guī)律變化，將變化的光信號(hào)傳到遠(yuǎn)方終端，達(dá)到地下位移變化轉(zhuǎn)為光信號(hào)變化的目的，實(shí)現(xiàn)光纖無源邊坡位移感應(yīng)監(jiān)測(cè)功能。

3.3 光纖監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)

埋設(shè)要點(diǎn)：首先，在邊坡頂部穩(wěn)定土體內(nèi)開四個(gè)直徑90 mm洞，深約2 000 cm，之后把光纖監(jiān)測(cè)管垂直布設(shè)于探測(cè)孔內(nèi)，用混凝土上蓋密封內(nèi)，邊坡現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，傳感儀器的組裝如圖2所示。邊坡體上部的觀測(cè)點(diǎn)布置在邊坡頂部平臺(tái)上，觀測(cè)點(diǎn)間距為20 m，按照可能形成的滑動(dòng)帶進(jìn)行布點(diǎn)。二級(jí)坡的深層位移觀測(cè)點(diǎn)布置在同一直線上，以便監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證和對(duì)比分析。

圖1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)

圖2 傳感儀器的組裝

鉆成孔之后，把已經(jīng)定制好的光纖探測(cè)管逐步放入。在光纖監(jiān)測(cè)管管安裝過程中，沿監(jiān)測(cè)管外側(cè)對(duì)稱粘貼基于監(jiān)測(cè)的應(yīng)變光纜，透過套管不斷延伸。將光纖應(yīng)變光纜沿軸向布設(shè)在60 mm PPR管的上、下光纖傳感槽位中固定好加上下部堵頭，用碳纖維保護(hù)條加以保護(hù)。同時(shí)，孔內(nèi)安放實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)溫度傳感器，采用激光掃描探測(cè)技術(shù)測(cè)量探測(cè)管溫度沿深度分布狀態(tài)，用作溫度補(bǔ)償比較。中粗砂填充，其余回填粘土?；靥顣r(shí)，要求挑選出較 大的碎石，防止堵塞鉆孔，回填不實(shí)，而影響測(cè)量的精度。

地表沿監(jiān)測(cè)管位置用PVC管槽保護(hù)傳輸光纖把檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)骄C合數(shù)據(jù)采集中心在綜合監(jiān)測(cè)中心把數(shù)據(jù)云端上傳根據(jù)光纖監(jiān)測(cè)資料。

為了精確測(cè)定邊坡深部的位移大小及方向，在邊坡中鉆取了90 mm的孔，追加埋設(shè)了一根長(zhǎng)20 m、外徑60 mm、內(nèi)徑50 mm的光纖監(jiān)測(cè)管儀。該光纖探測(cè)管表面前后左右對(duì)稱布設(shè)了2對(duì)根應(yīng)變測(cè)試光纜。埋設(shè)時(shí)，將監(jiān)測(cè)管分段拼裝并置于鉆孔中，再用水泥灌漿。根據(jù)監(jiān)測(cè)管的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以同時(shí)測(cè)定邊坡深部 前后左右 兩個(gè)水平方向上的位移量。

按設(shè)計(jì)要求在需要的位置埋設(shè)光纖監(jiān)測(cè)管（專用PPR管），管上標(biāo)注有互相垂直的四個(gè)導(dǎo)向槽。通過導(dǎo)向槽按照順序下放監(jiān)測(cè)管，用套管鏈接監(jiān)測(cè)管和光纖，接口用專用堵頭密封。監(jiān)測(cè)管安裝完畢后，用管子上堵頭蓋住管口，防止損壞光前傳感器，并在管頂砌筑保護(hù)裝置，保護(hù)及固定光纖監(jiān)測(cè)管。把監(jiān)測(cè)管光纜通過傳輸光纜匯聚到邊緣光纖解調(diào)數(shù)據(jù)分析中心。

3.4 OMSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云端實(shí)現(xiàn)和微信通知

OMSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依靠在光纖傳感+AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和5G等技術(shù)基礎(chǔ)之上，達(dá)到了地上、地下實(shí)時(shí)立體監(jiān)測(cè)，邊坡內(nèi)外裂痕、坍塌、滑坡提前預(yù)警的目的。根據(jù)用戶需求和現(xiàn)場(chǎng)需要采用B/S架構(gòu)，采用“端邊云”數(shù)據(jù)分布式處理模式。主要硬件由windows server管理平臺(tái)，光信號(hào)處理模塊，光纖地波感應(yīng)監(jiān)測(cè)管，存儲(chǔ)器模塊，攝像頭和AI圖像分析，太陽能供電模塊，無線路由器，手持式告警終端等組成。軟件模塊主要有：系統(tǒng)管理軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件，預(yù)報(bào)警軟件，攝像頭AI軟件，多級(jí)平臺(tái)接入管理軟件，大數(shù)據(jù)處理管理軟件，通信協(xié)議管理軟件，地圖信息應(yīng)用軟件，日常報(bào)表、管理等軟件。具體是在現(xiàn)場(chǎng)把傳感器監(jiān)測(cè)的信號(hào)經(jīng)過解調(diào)處理變成應(yīng)變信息，結(jié)合4G衛(wèi)星傳輸?shù)焦苍贫?。在云端?jīng)過數(shù)據(jù)處理告警分析透過企業(yè)微信管理平臺(tái)實(shí)時(shí)輸送告警信息到每個(gè)巡查者的手持機(jī)中。

3.5 軟件界面

開機(jī)界面。系統(tǒng)軟件平臺(tái)基于GIS技術(shù)平臺(tái)開發(fā)，功能強(qiáng)大，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)分析于一體的專業(yè)綜合平臺(tái)，設(shè)三級(jí)密碼：一級(jí)為維護(hù)員，二級(jí)為管理員，三級(jí)為操作員。

預(yù)警報(bào)警。支持彈出軟件窗口報(bào)警、微信推送報(bào)警，顯示數(shù)據(jù)列表，清晰準(zhǔn)確。如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警數(shù)據(jù)信息示意圖

3.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在邊坡頂部平臺(tái)布設(shè)JCK1和JCK3光纖監(jiān)測(cè)管管，在中部平臺(tái)布設(shè)JCK2和JCK4測(cè)斜管，對(duì)邊坡深部位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4至圖6所示，2組探測(cè)管所測(cè)得的邊坡深部位移變形沿測(cè)斜管埋深的分布形式非常接近相似，都沿著探測(cè)管埋深呈現(xiàn)逐漸收斂的狀態(tài)，最終趨于穩(wěn)定，從總體監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，監(jiān)測(cè)過程中并未出現(xiàn)整體的明顯變形增長(zhǎng)趨勢(shì)，坡面深部較小，穩(wěn)定性較好。

圖4 JCK1監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 JCK2監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 JCK3監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 JCK4監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

充分利用光纖傳感技術(shù)，并結(jié)合工程實(shí)例，分析分布式光纖傳感技術(shù)在邊坡深部位移監(jiān)測(cè)的整個(gè)應(yīng)用過程，在監(jiān)測(cè)應(yīng)用中充分利用物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)快速地監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部變化狀態(tài)中取得了一定的效果。但其在不同工況下測(cè)試位移應(yīng)變告警閾值需要將進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，需進(jìn)一步完善。