光纖光柵技術在邊坡安全監測中的應用

蔡煜杰，張碧華

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650031；2.北京菲博泰光電科技有限公司，北京 100043）

公路鐵路、軌道交通和基坑開挖等建設中，涉及各式各樣的邊坡工程。降雨、季節性冰凍等外界因素會對邊坡造成損傷而產生滑坡，對邊坡進行全面監測是降低事故發生概率的有效方法。以往邊坡監測是傳統的人工測量和布設簡單的監測儀器，目前可通過光纖光柵傳感技術對邊坡進行實時可持續性的監測。本文分析了傳統監測技術的不足，提出了一套完整的邊坡監測系統，使得邊坡監測更具可靠性。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵傳感器是光纖傳感技術中最典型的傳感器，其結構如圖1 所示。

圖1 光纖光柵傳感器結構示意圖

當外界環境變化時（如溫度和應變發生變化時），光纖光柵傳感器的反射光譜會發生變化，即中心波長會發生一定的漂移量，反射譜中心波長的漂移量計算表達式如下

其中，λB為光纖光柵中心波長；neff為光纖纖芯有效折射率；Λ 為光柵柵格周期。當外界環境變化時，會導致neff和Λ 發生變化，從而導致λB發生變化。因此，可以根據中心波長的變化量來確定外界環境參量的變化，從而達到測量外界環境參量的目的[1-3]。

2 邊坡監測技術的對比分析

目前，滑坡監測主要是對坡體的變形進行監測，然而邊坡是一個相對復雜的系統，外界對邊坡的作用可以劃分為應變場、應力場、變形場、溫度場、滲流場、化學場等等。而傳統的監測對這些物理參數的監測相對割裂，無法形成統一化的系統分析；傳統的傳感器多為植入式傳感元件，這些傳感元件主要由金屬材料制成，對防水、防腐蝕、防酸等要求較高，但是耐久性一般，容易受到各類電磁干擾，測得的數據可靠性較低。

光纖傳感系統的安裝相對簡便，光纖可以覆蓋較大區域，減少了傳統監測設備的密集安裝需求。這使得在邊坡范圍內布設傳感器更加靈活，適應性更強。其次，系統的多參量監測能力使其能夠提供全面的數據，幫助監測人員全面了解邊坡的狀況。這種綜合監測有助于更準確地判斷邊坡的健康狀況，為及時采取預防措施提供了有力支持。另外，光纖傳感系統的遠距離傳輸能力使得數據可以遠程傳輸和監測，無需人員親臨現場。這為實現遠程監控、實時預警和遠程管理提供了方便，提高了邊坡監測的效率和實時性。

在成本方面，盡管光纖傳感監測系統的初期投資可能較高，但安裝和維護方面的成本相對較低，覆蓋區域較大，減少了傳統監測設備的密集布置和維護工作。系統能夠提供廣泛、實時的數據，有助于及早發現邊坡問題，從而降低潛在的災害風險，進而減少維護和修復的成本。此外，光纖傳感系統壽命長且不容易受外部環境影響，進一步降低了整體的運營成本。總體而言，光纖傳感監測邊坡在可操作性上具有靈活性、全面性和遠程性的優勢，使其成為現代邊坡監測中的可靠選擇。從長遠來看，在經濟和技術方面都具有優勢。

3 邊坡監測光纖光柵傳感器

3.1 光纖光柵離層傳感器

光纖光柵離層傳感器主要是監測邊坡穩定層和滑動層相對移動的位移量。邊坡離層傳感器主要是由錨頭、錨繩、光纖光柵支架組成。使用時將錨頭澆筑到邊坡內部穩定區域，光柵支架安裝在坡體表面，用錨繩將錨頭和支架相連。當邊坡表面發生滑動時，滑動的錨繩會發生移動，從而導致傳感支架上的光纖光柵受力發生變化，引起波長的變化。通過終端數據分析系統的處理即可得到滑坡的位移量，工作原理如圖2 所示。

圖2 光纖光柵離層傳感器工作原理示意圖

3.2 光纖光柵錨桿應力傳感器

光纖光柵錨桿應力傳感器主要用于測量邊坡支護錨桿的受力情況。錨桿應力傳感器固定在錨桿的錨段，將錨桿、錨索從傳感器壓力環孔中穿過，如圖3 所示。傳感器夾在托盤和緊固螺母之間，當錨桿受力變化時，在錨桿托盤和緊固螺母之間的光纖光柵受力發生變化，引起波長的變化。通過終端數據分析系統的處理即可得錨桿上應力變化大小。如果錨桿上應力持續變大，則說明邊坡處于不穩定狀態。

3.3 光纖光柵FRP智能錨桿

光纖光柵FRP 智能錨桿可監測邊坡不同地質分層對支護錨桿的作用力分布情況。光纖光柵FRP 智能錨桿是將光纖光柵內置于不同規格的FRP 錨桿內，通過觀測埋入式在錨桿內部的多支光線光柵傳感單元的受力情況，并依據錨桿力學和邊坡地質分層結構，經過終端數據處理便可以得到錨桿全場范圍內的應變、軸力、彎矩、剪力等數據，如圖4 所示。使用這些力學數據便可以分析邊坡工作狀態及邊坡安全狀況，對錨桿支護的安全施工及設計參數優化具有重要意義。

圖4 光纖光柵FRP智能錨桿工程應用圖

3.4 光纖光柵滲壓計

如圖5 所示，光纖光柵滲壓計可監測有河流、暗流、懸湖等地段邊坡的巖土孔隙被滲流侵蝕的情況。光纖光柵滲壓計采用獨有的壓力彈性元件作為傳感基底，專為精確測量完全飽和或者部分飽和土壤和巖石中的小孔水壓而設計。設計應用于測量流體的壓力，如埋入壩體、填土內監測其地下水位及孔隙水壓力，也可安裝在鉆孔、測井或測壓管中。

圖5 光纖光柵滲壓計工程應用圖

3.5 光纖光柵傾角計

如圖6 所示，光纖光柵傾角計用于對邊坡整體傾斜的實時監測，將傳感器布設于測斜管內部，傳感器通過底座打孔安裝。當坡體發生傾斜時，會引起光纖光柵的受力變化，導致波長變化。通過終端數據分析系統的處理即可得坡體的傾斜程度，便可以對坡體進行相應的治理。

圖6 光纖光柵傾角計工程應用圖

4 數據分析與安全評估

在光纖光柵邊坡監測系統中，傳感子系統、數據采集與傳輸子系統在邊坡現場完成。現場光纖光柵信號處理器將現場數據通過4G 等無線方式傳輸到監控中心數據服務器上，在數據服務器上完成數據處理和數據管理工作。

安全評估子系統主要對數據預處理并存儲在數據庫，進行自動分析和評定，以確定邊坡穩定性評估。在邊坡發生異常和監測信號超過規定的安全閥值時，自動進行安全預警，以便采取相應的預案。其主要功能包括：①對數據歷史趨勢進行分析和對比，發現危險端倪；②分析記錄縫隙長期發展變化趨勢；③分析記錄各錨桿受力長期發展變化趨勢；④評估溫度變化對邊坡狀態的影響特性；⑤評估雨量、水位對邊坡狀態的影響特性；⑥對邊坡明顯失穩，傳感器明顯超出閾值的情況發出報警預警信號；⑦定期并生成報告提供給養管部門。

可根據邊坡安全評估結果動態調整監測策略，如表1 所示。

表1 邊坡安全評估動態監測策略

5 結論

綜上所述，光纖光柵傳感技術可以實時可持續性地監測邊坡的變形、錨桿的內力、邊坡的土壓力、邊坡的傾斜、邊坡內部巖土體的水壓力、滲透率等，再經過傳輸模塊傳輸至數據處理中心，對各個參量進行集成化的監測分析，相對于傳統的邊坡監測，光纖光柵邊坡監測系統可以準確、高效給出邊坡的預警和治理方案等措施，為工程建設安全施工運維保駕護航。