淺談邊坡工程中光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用

魏石磊 燕 韜 龍 建 彭培洪

（貴州道興建設(shè)工程檢測有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

山地和丘陵地區(qū)工程建設(shè)往往會存在較多的邊坡工程。在邊坡工程施工中，如果沒有做好監(jiān)測工作，無法判斷邊坡的穩(wěn)定性，可能會存在較大的安全隱患。邊坡一旦發(fā)生滑坡，會形成十分嚴(yán)重的災(zāi)害。因此，對邊坡的監(jiān)測對于建設(shè)工程的安全防控至關(guān)重要。通常采用光纖傳感技術(shù)對山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，可以較大程度地降低或避免滑坡破壞。光纖傳感技術(shù)因其具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，在工程監(jiān)測方面應(yīng)用效果良好，本文將對此進(jìn)行分析介紹。

1 光纖傳感技術(shù)概述

1.1 光纖傳感系統(tǒng)的原理

光纖傳感系統(tǒng)主要是由光源、傳感器、光纖、光電探測器和信號處理組成。光源是一種對信號進(jìn)行傳輸?shù)陌l(fā)射裝置；傳感器接收外部的信號，類似于一個調(diào)制者；光纖是傳遞媒介，承擔(dān)著傳遞的任務(wù)；光源檢測器對訊號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把光學(xué)訊號轉(zhuǎn)化為電子訊號；信號處理的作用是將外部的信息進(jìn)行恢復(fù)，其作用類似于解調(diào)器，是目前光纖傳感系統(tǒng)的一個重要組成部分。

1.2 光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的電阻式傳感技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)。

（1）光纖傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對工程邊坡的分布式監(jiān)測，監(jiān)測過程中只需要輸入光源，且電磁因素不會對其形成干擾，具有較高的監(jiān)測精度以及良好的穩(wěn)定性，能夠滿足邊坡工程變形的監(jiān)測需要。

（2）光纖傳感技術(shù)還能夠?qū)吰聦?shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測，應(yīng)急處理系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)可以與監(jiān)測系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接。

（3）當(dāng)施工的邊坡工程處于惡劣的環(huán)境中，也可以應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，并且還能實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)測，普通的傳感器幾乎無法達(dá)到這樣的監(jiān)測效果。分布式或者準(zhǔn)分布式光纖傳感器，除了能夠監(jiān)測邊坡的變形情況以外，還可以確定邊坡所在的位置，利用一根光纖就可以準(zhǔn)確地測量出邊坡變形參數(shù)的分布狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡的目的。

2 光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)的組成與布設(shè)

2.1 光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)的組成

光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是信號傳輸與采集系統(tǒng)，第二部分是數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測系統(tǒng)，第三部分是光纖傳感系統(tǒng)。其中，光纖傳感系統(tǒng)中所用光纖主要是由光纖芯、包層和涂覆層組成。組成光纖芯的主要成分是二氧化硅，此外也包含了少量的摻雜劑。添加二氧化鍺等摻雜劑可以有效提高光纖中纖芯的折射率，進(jìn)而形成全內(nèi)反射的弱導(dǎo)光纖，能夠?qū)⒐庥行У叵拗圃诶w芯中。光纖芯的涂覆層一般采用硅橡膠或環(huán)氧樹脂等材料，可以增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度、耐老化性以及柔韌性。

2.2 光纖網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)

將若干個節(jié)點(diǎn)通過光纖連接成面狀網(wǎng)絡(luò)就可以形成光纖網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)的連接需采用特定的布設(shè)方法，以便實(shí)現(xiàn)簡化后數(shù)據(jù)化接入的目的。結(jié)合工程邊坡的實(shí)際情況，一般會將節(jié)點(diǎn)安置在土體表面以下的某些位置，也可以直接將節(jié)點(diǎn)布設(shè)在巖體的表面，常常選擇錨桿進(jìn)行固定。利用固定劑可將光纖直接固定在節(jié)點(diǎn)上，從而將位于工程邊坡巖土表面的各個節(jié)點(diǎn)連接并形成網(wǎng)絡(luò)，由此可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測邊坡巖土體表面變形的目的。將錨桿與光纖進(jìn)行結(jié)合使用，可以在地梁中植入光纖。利用錨桿對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定，既能夠起到監(jiān)測邊坡變形的作用，還能夠起到加固邊坡的目的。

3 邊坡工程中常用的光纖傳感監(jiān)測技術(shù)

3.1 BOTDR監(jiān)測技術(shù)

（1）BOTDR 監(jiān)測技術(shù)原理。是一種分布傳感的光纖監(jiān)測技術(shù)，在監(jiān)測的時(shí)候，光纖既具有傳感器的功能，又具有傳遞的功能，無需再設(shè)置傳輸線。通過BOTDR監(jiān)測技術(shù)，可以獲得任意位置的應(yīng)變值，該方法十分簡便，結(jié)果直觀。BOTDR監(jiān)測技術(shù)具有集成光導(dǎo)纖維技術(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)還具有其他的優(yōu)勢，如能夠適應(yīng)隧道、堤壩等長距離施工的需要，可以實(shí)現(xiàn)從數(shù)公里到數(shù)十公里，甚至上千公里的監(jiān)測[3]。

（2）傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備特點(diǎn)。只能獲取全部的變形數(shù)據(jù)，但需要大量的數(shù)據(jù)處理；能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離監(jiān)測，在一些環(huán)境較差的項(xiàng)目中，通常監(jiān)測人員不能頻繁地到施工場地工作；能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測主要采用常規(guī)的單模纖維作傳感器件。而BOTDR檢測技術(shù)不需要經(jīng)過特別處理，也就是用常規(guī)的單模光纖做傳感媒介，性價(jià)比十分高。目前，光纖的成本并不高，一根光纖可以布設(shè)幾百個甚至數(shù)千個的測點(diǎn)。這樣，每個測量點(diǎn)的成本就大大降低了。分布式傳感光纖監(jiān)測裝置能夠?qū)y量到的各參量沿光纖的縱向長度呈連續(xù)的展示，也就是說，每一根光纖中的任意一個點(diǎn)都是一個“傳感器”，其獲取的信息量堪稱龐大。

（3）粘貼式與植入式是邊坡工程中常用的光纖固定方式。在邊坡工程監(jiān)測中，需要選擇有效的粘合劑才能將光纖很好地固定在坡體上。監(jiān)測巖土介質(zhì)比較松散的工程邊坡，可以采用的固定光纖的方式一般為植入式，主要是因?yàn)橹踩腴_挖施工比較容易，但是由于邊坡的環(huán)境往往屬于開放狀態(tài)，邊坡介質(zhì)材料的差異相對較大。因此，BOTDR監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于邊坡工程監(jiān)測時(shí)，光纖的保護(hù)成為植入式施工中的重點(diǎn)問題。雖然采用植入式的固定方式在光纖和監(jiān)測體同步協(xié)調(diào)變形方面的效果非常良好，但是這適合在幾何外形規(guī)范或者是材質(zhì)較為均勻的監(jiān)測物體中應(yīng)用。為了保證光纖能夠與監(jiān)測體同步協(xié)調(diào)變形，可引入分布式監(jiān)測理念，采取夾固定點(diǎn)的方式固定光纖，光纖通過夾具被固定在坡面上，可實(shí)現(xiàn)坡面協(xié)調(diào)同步變形。

3.2 光纖光柵技術(shù)

光纖光柵技術(shù)主要是應(yīng)用布拉格光柵對特定波長光的反射原理實(shí)現(xiàn)傳感。光纖光柵技術(shù)在邊坡監(jiān)測中應(yīng)用有著較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢，其監(jiān)測精度高、可集成性高、數(shù)據(jù)采集頻率高。光纖光柵制造、調(diào)節(jié)技術(shù)逐漸成熟，也使得光纖光柵技術(shù)在邊坡監(jiān)測工作中被廣泛應(yīng)用。邊坡監(jiān)測工程中應(yīng)用光纖光柵技術(shù)，容易受到光纖特殊制作工藝的影響，如果處于較為惡劣的環(huán)境當(dāng)中，容易出現(xiàn)損壞的情況。因此，為了保證光纖光柵技術(shù)能夠有效對邊坡進(jìn)行監(jiān)測，需要做好細(xì)致性保護(hù)措施。此外，光纖光柵對溫度變化也較為敏感，如果將其應(yīng)用于邊坡長期監(jiān)測當(dāng)中，不能忽略其交叉效應(yīng)，因此需要采取合適的溫度補(bǔ)償措施，才能夠保證光纖光柵技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用效果。常用的溫度補(bǔ)償方式主要有兩種：直接補(bǔ)償與間接補(bǔ)償[5]。

（1）直接補(bǔ)償主要是將光纖直接當(dāng)做傳感器，使光纖始終處于松弛狀態(tài)。如果應(yīng)力場一直處于不變的情況，可以用應(yīng)變分析儀的測量結(jié)果作為溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。在進(jìn)行光纖監(jiān)測系統(tǒng)施工時(shí)，需要在鋪設(shè)光纖的同時(shí)再鋪設(shè)一根松弛的光纖，就可以實(shí)現(xiàn)整個光纖系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。

（2）間接補(bǔ)償最大的特點(diǎn)就是采用了測溫計(jì)，同時(shí)還進(jìn)行了溫度系數(shù)的標(biāo)定，并利用轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得出了補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。由于間接補(bǔ)償方式采用了溫度系數(shù)的標(biāo)定和換算公式的計(jì)算，存在著較大的誤差。如果進(jìn)行大規(guī)模的原位監(jiān)測，更是需要大量的溫度測量器，在現(xiàn)場進(jìn)行操作更是難上加難。在實(shí)際監(jiān)測工程中，幾乎很少采用間接溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

光纖光柵技術(shù)在邊坡工程監(jiān)測中的應(yīng)用，應(yīng)將光纖光柵傳感粘貼或者是埋入到邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)對邊坡的精準(zhǔn)預(yù)測。光纖光柵可替代傳統(tǒng)的傳感元件，具有較高的精度和穩(wěn)定性，可保證邊坡監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

3.3 分布式光纖傳感技術(shù)

通過現(xiàn)場測試可以排除巖土介質(zhì)參數(shù)取值等問題，從而判斷出滑坡的推力。當(dāng)前使用的監(jiān)測方式多為點(diǎn)式監(jiān)測。將鋼筋計(jì)或者土壓力計(jì)等點(diǎn)式的傳感器布設(shè)在抗滑樁內(nèi)，可以對滑坡推力施加于樁體上的壓力分布情況進(jìn)行分析。采用點(diǎn)式的測量儀不僅難以安裝，埋設(shè)設(shè)備的成功率也較差，且檢測的準(zhǔn)確度也較差，即使設(shè)置了大量的監(jiān)測點(diǎn)，也難以準(zhǔn)確地反應(yīng)出滑坡推力沿深度的分布情況。

通過對抗滑樁的受力特性的分析，可以將其視為一種受彎構(gòu)件。對樁前后縱向應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測，通過合適的計(jì)算方式可以確定其受力特性。現(xiàn)階段，邊坡工程抗滑樁以鋼筋混凝土為主要材料，因?yàn)椴牧陷^為均勻，不會對纖維產(chǎn)生較大的剪切力，鋼筋的剛度一般較大，在進(jìn)行混凝土的澆灌時(shí)，通常不會發(fā)生變形或者是移位。混凝土也具有較好的粘結(jié)作用，利用混凝土可以有效地將鋼筋與光纖粘合起來。在混凝土凝固以后，鋼筋與光纖之間可以實(shí)現(xiàn)同步的變形。抗滑樁會受到邊坡滑坡的推動力，主鋼筋主要承受拉應(yīng)力，混凝土主要承受壓應(yīng)力，抗滑樁會產(chǎn)生相應(yīng)的軸向拉應(yīng)變和壓應(yīng)變。根據(jù)光纖抗滑樁材料以及監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn)，將光纖植入抗滑樁內(nèi)部，可以實(shí)現(xiàn)邊坡抗滑樁變形情況的監(jiān)測，進(jìn)而可以推測邊坡是否變形。

抗滑樁施工階段，需將光纖和抗滑樁主筋連接在一起，連接后光纖和抗滑樁成為一個整體，會同步發(fā)生變形。光纖與受力主筋相互連接，出現(xiàn)裂縫等問題后，可保證光纖與鋼筋產(chǎn)生同步變形，監(jiān)測期間可感受到鋼筋的應(yīng)力變化。

分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用過程中，會對抗滑樁澆筑完成、混凝土結(jié)構(gòu)收縮以及開始發(fā)揮抗滑作用整個過程進(jìn)行變形監(jiān)測。光纖鋪設(shè)時(shí)要選擇合適的方式將光纖鋪設(shè)在合適的位置，實(shí)現(xiàn)對抗滑樁不同深度位置應(yīng)變力的全面有效的監(jiān)測，由此掌握抗滑樁的受力狀態(tài)，對邊坡滑坡治理整個過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，評價(jià)抗滑樁工作狀態(tài)，保證抗滑樁的安全性。

4 結(jié)束語

綜上所述，邊坡工程監(jiān)測中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，能夠提高邊坡工程監(jiān)測效率，對于保證邊坡工程安全性和穩(wěn)定性有著積極的作用。光纖傳感技術(shù)正處于不斷優(yōu)化和發(fā)展的階段，未來可應(yīng)用在多種復(fù)雜邊坡監(jiān)測工程中，監(jiān)測質(zhì)量也會不斷提升。提高邊坡監(jiān)測水平，能減少安全事故的發(fā)生，今后應(yīng)加強(qiáng)光纖傳感技術(shù)在邊坡工程監(jiān)測中的推廣和應(yīng)用。