邊坡分布式和傾斜光纖傳感器位移監測方案的探討

廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105

近年來隨著工程項目用地緊張，開山修路、挖山填海造地形成了大量人造邊坡。而由地震、降雨和人工因素等觸發的邊坡變形過大，甚至滑坡等地質災害也時有發生，嚴重危害到人們的生命和財產安全。此類事故多發生于完工但未建立整體全局位移監控的已建邊坡，因此建立完整的邊坡穩定監測和早期變形預警系統顯得非常重要。

1 現有邊坡監測技術情況

國內外專家從20 世紀40 年代開始做了大量邊坡監測的研究工作，主要有依靠人工的傳統技術和利用先進電子設備的新型監測技術［1］。

（1）傳統邊坡監測技術有：大地測量法、鉆孔（豎井）測斜法、巖土體應力法、孔隙水檢測法等。這些技術基本依靠人工定期到現場進行數據采集，工作量大，時效性較差，而且無法在惡劣的氣候條件下實施。另外，所采用的傳感元件尺寸普遍較大、抗干擾性和穩定性較差、精度低。

（2）針對傳統技術的不足，研發出的新型監測技術，如：“3S”技術、時域反射（TDR）技術、地面激光掃描技術、光學影像（CCD）轉換技術、合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術等。但這些技術在工程應用中也存在幾方面問題：①技術應用和現場施工難度大，技術成本高。②監測條件范圍有局限性。現有的變形監測技術可能只適用于某些特定條件下的監測。例如InSAR 技術還不太適用于小范圍的突發性的滑坡、泥石流等活動的監測。而遙感、光學影像等技術，對惡劣天氣、植被覆蓋、邊坡變形量小及變形緩慢等情況，缺乏有效的解決手段。③邊坡監測資料分析和理論模型研究不足。④多數監測技術要在工程設計階段提前介入，并隨著工程施工進度逐步布設。對于已經建成的邊坡無法補充設置。

2 光纖傳感技術簡介

布里淵時域反射原理（stimulated Brillouin optical timedomain reflectometer，BOTDR）表明光纖中的布里淵散射光頻率變化量（頻移量）與光纖軸向應變或環境溫度之間存在線性關系，光纖傳感技術則根據這一原理來實現傳感。分布式光纖系統可監測幾十公里范圍內光纖沿線各項參數，應變測量精度為±1.0%，傾斜傳感器則測出0.001°的偏轉，可根據工程要求對光路進行逐段掃描，以獲取監測對象整體的溫度、變形、受力、傾角等變化情況，具有抗電磁干擾、防水、抗腐蝕、耐久性長等特點。同時對監測對象的受力性能沒有影響，特別適用于后期增設監測系統的完工邊坡。

3 光纖傳感器布設技術

3.1 在實際邊坡監測工程應用中需解決的關鍵問題

（1）采取相應的保護措施或采用特殊封裝的傳感光纜（如鎧裝光纖），以保證在工程施工和后期監測中不被損壞。

（2）設置溫度補償光纖，以消除環境溫度變化對應變結果的影響。

（3）對已完工而未布設傳感器的邊坡，需針對不同邊坡形式，不削弱監測對象性能為前提，采取不同光纖錨固、黏貼方式。

（4）采用新型監測傾角位移的傳感器，監測豎向鋼筋混凝土擋土墻式邊坡在為主動土壓力作用下的整體傾斜。

3.2 不同邊坡光纖傳感器布設方法

《建筑邊坡工程技術規范》GB50330-2012 中規定，不同土質條件的邊坡形式有自然坡面或鋼筋混凝土格構梁加固邊坡。若空間受限無法設立邊坡，則可采用鋼筋混凝土重力式擋土墻來防止變形。故針對不同邊坡也應采用不同的變形監測布設方案。

（1）在自然邊坡表面上布設。根據實際工程地形、范圍及監測方案的要求，經過實地考察，設計監測方式及測點布置位置。確定光纖橫縱向間隔、繞行方式，以及溫度補償光纖布置位置。

如圖1a 所示，根據監測點布設圖紙實地安裝光纖，用樹脂或熱熔膠將光纖牢固粘結于PVC 管（直徑15mm）表面。間隔5～10m 用長0.2m 水泥釘，將PVC 管固定在監測邊坡表面。在完成光纖安裝后，連接信號解調儀，對光纖進行初始校準，以便于和投入使用后收集的信號數據進行比對。當表層巖土體發生位移時，將帶動PVC 管發生彎曲變形，并使附著的光纖發生拉伸。BOTRD 可分析反饋的信號，確定信號異常的區域，并在遠程終端給予預警。

圖1 布設示意圖

（2）在邊坡格構梁上布設。對土層情況較為復雜或者較陡的邊坡，常采用鋼筋混凝土格構地梁加固。為保證土體、地梁和光纖協調變形，可在已施工澆筑完成的地梁表面鑿刻深4cm左右的凹槽。將黏貼光纖的PVC 管埋入凹槽，再用細砂漿填縫，同時用膨脹螺栓間距1 米進行固定（圖1b）。當植入光纖的縱橫格構梁形成完整監測網絡后，外部接頭用金屬波紋管進行保護，并在臨近位置布置自由光纖進行溫度補償。接線完成后在解調儀上檢測是否有斷點，并完成調試。

（3）在豎直擋土墻上布設。對于近似垂直的鋼筋混凝土擋土墻，因其整體剛度較大，在開裂、隆起前就可能發生整體傾斜變形，而這一變形將使得表面分布式光纖的監測失效。為了解決這一問題研發出光纖傾斜傳感器，并將其封裝于密閉不銹鋼盒子中。根據不同尺寸擋土墻設計監測點位，只需用膨脹螺栓將其固定于擋土墻表面，相互之間用鎧裝光纖聯結成監測網格，對光纖傾斜傳感器進行初始化數據校準（圖2）。

1-光纖傾斜傳感器，2-信號傳輸光纖，3-垂直邊坡擋墻，4-邊坡后土

3.3 遠程實時監控體系的建立

（1）在光纖傳感器按布設方案完成設置和校準之后，利用無人機進行監測點三維定位，并將采集的三維坐標輸入電腦，構建完整的監測點的三維可視化模型。

（2）監測點位移預警。監測系統事先對各監測點（含基準點）的變形位移值進行了預警設置，當監測點位移值達到預警值，監測系統報警，并給出達到預警值的監測點位及變形值，同時在可視化模型中顯示監測點的具體位置，實現早期防控的目的［2］。

（3）系統工作原理［3］

圖3 系統工作原理圖

4 結語

本文總結邊坡變形監測技術的特點，提出了光纖傳感器在已建成邊坡變形監控上的幾種方法，并首次將傾斜彌補豎直鋼筋混凝土擋土墻整體傾斜的監測空白。詳細闡述了自然土體邊坡、格構梁加固邊坡和豎直鋼筋混凝土擋土墻三種最常見邊坡光纖傳感器的布置方法，設計了遠程實時監控體系的設置方案，對已建成邊坡變形的有效監測具有較強的實踐指導意義。