光纖傳感技術(shù)在巖溶土洞(塌陷)模型試驗(yàn)中的應(yīng)用分析研究

1、光纖傳感技術(shù)在巖溶土洞 塌陷）模型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 研究 管振德，蔣小珍，高明 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，桂林， 541004) 摘要 ：根據(jù)巖溶土洞 塌陷)分布和變形演化特點(diǎn)，分析土體與傳感光纖之間的力學(xué)關(guān)系，簡化塌陷模型，加工特定的實(shí)驗(yàn) 裝置，采用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了巖溶塌陷模型實(shí)驗(yàn)研究。首先通過光纖上荷載的有序變化模擬土洞形成過程，然后研究了 土洞規(guī)模變化對光纖傳感監(jiān)測的影響，最后通過兩種傳感光纖實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明光纖的適宜性。研究表明：分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng) 用于巖溶土洞預(yù)警監(jiān)測是可行的，能夠?qū)ν炼吹男纬裳莼M(jìn)行有效的響應(yīng)。 關(guān)鍵詞 ： 巖溶塌陷；分布式光纖傳感；塌陷模型；監(jiān)測；實(shí)驗(yàn) 中

2、圖分類號(hào)： P642.254 文獻(xiàn)識(shí)別碼： A Application of distributed optical fiber sensing technology in sinkhole collapse model test GUAN Zhen-de1,Jiang XIAO-zhen, GAO Ming (Institute of Karst Geology, CAGS, Guilin 541004,China Abstract:According to the distribution and deformation characteristics of the sinkhole co

3、llapse, we analyzed the mechanic relation between the soil and the sensing fiber to simplify the sinkhole model, processed specific experiment devices, and adopted a distributed optical fiber sensing technology for model experiment of sinkhole collapse. Firstly, the sinkhole formation process was st

4、imulated with the orderly changes in loadon the optical fiber. Secondly, the impact of the changes of sinkhole size on the sensing fiber monitoring was analyzed. Finally, fiber suitability was indicated by comparing the results of the tests using different fibers. The study shows that it is feasible

5、 to use the distributed optical fiber sensing technology in early-warning monitoring of sinkhole, while responding effectively to sinkhole forming and evolving. Key words: sinkhole 。 distributed opticalfiber sensing 。 sinkhole collapse model。 monitoring ； experiment. 0 引言 我國巖溶面積遼闊，主要分布在西南地區(qū)，尤以鄂 西、貴州

6、、廣西、滇東等較為集中。隨著這些地區(qū)的 經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類工程活動(dòng)逐漸增多，面臨的巖溶地質(zhì) 災(zāi)害問題日益突出，引起了廣泛關(guān)注。針對我國發(fā)生 的巖溶塌陷問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，塌陷坑在 1994 年 就已超過了 3 萬個(gè)，同時(shí)每年以驚人的速度遞增 1。 基金工程 ：國家自然科學(xué)基金資助工程 40972231）“巖溶土 洞的形成機(jī)理研究”；中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì) 研究所所長基金 2018009）“巖溶塌陷光纖傳感 實(shí)驗(yàn)裝置的研制” 作者簡介 ：管振德 1983-），男，湖北蘄春人，碩士，實(shí)習(xí)研 究員，主要從事巖溶地質(zhì)災(zāi)害研究。 E-mail ： 當(dāng)高速鐵路、公路、石油管道線從這些地區(qū)穿越，如 何避免巖溶塌

7、陷對這些工程工程帶來的潛在威脅已成 為工程地質(zhì)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 國內(nèi)外針對巖溶塌陷的研究主要集中在巖溶塌陷 的分布規(guī)律及機(jī)理、勘測技術(shù)和防治措施等方面，形 成了真空吸蝕論、振動(dòng)論等致塌理論及比較成熟的勘 測技術(shù)指南。在防治措施上，以防治為主的思路為指 導(dǎo)，采取了以治理巖溶水為主，充分利用巖溶形態(tài)進(jìn) 行治理，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但巖溶塌陷所具有 的特性：突發(fā)性、隱蔽性、不確定性及時(shí)空效應(yīng)，必 然要通過監(jiān)測預(yù)警來實(shí)現(xiàn)工程的安全運(yùn)行。 目前，巖溶塌陷的監(jiān)測主要有：地質(zhì)雷達(dá)掃描， TDR 技術(shù)，巖溶管道裂隙系統(tǒng)中的水 氣）壓力變化 監(jiān)測。地質(zhì)雷達(dá)定期掃描可以發(fā)現(xiàn)異常區(qū)，但是受工 作環(huán)境和深度限制，

8、而且因其操作的專業(yè)化、成本 高，對于長期監(jiān)測來說有局限性。TDF技術(shù)雖然具有 技術(shù)成熟，分布式監(jiān)測，設(shè)備價(jià)格相對低廉，抗干擾 能力強(qiáng)，但是其對監(jiān)測條件要求較為苛刻，只有監(jiān)測 對象受到剪切力、張力、或者兩者綜合作用變形的情 況下才產(chǎn)生信號(hào)，對塌陷形成過程的監(jiān)測較困難。對 巖溶管道裂隙系統(tǒng)中的水 氣）壓力變化這一觸發(fā)因 素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，只能預(yù)報(bào)監(jiān)測點(diǎn)所處的巖溶管道裂 隙影響范圍內(nèi)的危險(xiǎn)性，未能解決可能發(fā)生巖溶塌陷 具體位置定位問題2。對于這種隨機(jī)發(fā)生的、隱蔽的 巖溶塌陷進(jìn)行有效的監(jiān)測，只有采用分布式光纖傳感 系統(tǒng)進(jìn)行大范圍、連續(xù)監(jiān)測才能湊效。 本文從分布式光纖傳感技術(shù)出發(fā)，分析了巖溶土 洞監(jiān)測識(shí)別

9、的可行性，針對巖溶塌陷特點(diǎn)研制了特定 的裝置并進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。通過對塌陷 過程的模擬，分析了塌陷過程中的數(shù)據(jù)變化特征，對 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在巖溶監(jiān)測中的推廣應(yīng)用進(jìn)行深 入的探索具有重大的工程實(shí)用價(jià)值。 1光纖傳感技術(shù)監(jiān)測原理 分布式光纖傳感技術(shù)包括基于瑞利散射、布里淵散射 和拉曼散射的三種光譜分析技術(shù)。其中瑞利散射為彈 性散射，光纖中不發(fā)生頻率移動(dòng)，布里淵散射和拉曼 散射為非彈性散射，發(fā)生散射后在光纖中會(huì)發(fā)生頻率 移動(dòng)。布里淵散射BOTDR ）是光波和聲波在光線 中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過程。布里淵散射 光頻率與溫度和應(yīng)變成線性關(guān)系，根據(jù)頻率的漂移量 即可計(jì)算出光纖受溫度和

10、軸向應(yīng)變的變化。 光纖軸向應(yīng)變與中心頻率漂移量的光纖： vB（O = vB（o） + d E 1 ) de 其中，Vb（ 為光纖軸向拉伸時(shí)布里淵散射光頻率; Vb （0為光纖軸向無應(yīng)力時(shí)布里淵散射光中心頻率； 式光纖傳感技術(shù)。根據(jù)光時(shí)域反射技術(shù)原理，通過測 定散射光的回波時(shí)間就可確定散射點(diǎn)的位置。光纖上 任意一點(diǎn)至脈沖光注入端的距離可由下式計(jì)算得到： Z=cT/（2n 2 ） 式中，c是真空中的光速，n是光纖的折射率，T 是儀器發(fā)出的脈沖光與接收到的后向散射光的時(shí)間 差。 根據(jù)1 ）式，就可以計(jì)算出光纖軸向應(yīng)變的分布 6,7，根據(jù)2 ）式，就可以計(jì)算出光纖任意點(diǎn)發(fā)生應(yīng) 變的位置。 2巖溶塌陷監(jiān)

11、測模型 BOTDR技術(shù)監(jiān)測巖溶土洞 塌陷）的原理是根 據(jù)巖溶土洞的形成演變過程中，土洞的頂板變形隨著 時(shí)間逐漸變大直至垮塌從而導(dǎo)致地面塌陷。通過在可 能發(fā)生土洞 塌陷）地段水平布置傳感光纖，在上覆 土層荷載的作用下，當(dāng)土洞發(fā)育到一定程度時(shí)，傳感 光纖發(fā)生變形甚至斷裂。通過對傳感光纖沿線應(yīng)變的 時(shí)空變化分析，判斷土洞形成位置規(guī)模及過程。 2.1光纖與土體的變形協(xié)調(diào) 土洞的形成是由多種致塌力疊加作用而導(dǎo)致的， 但最終結(jié)果都是上覆層發(fā)生一定規(guī)模的垮塌。BOTDR dVB（ /d為比例系數(shù)，由傳感光纖自身材料特性確 定，一般設(shè)定為 0.5GHz/%。為光纖的軸向應(yīng)變。 即圖1中直線的斜率在入射脈沖光波

12、長入=1.55卩出寸 圖1布里淵頻移量與應(yīng)變的光纖 Fig.1 Strain dependence of Brillouin frequency shift change BOTDR技術(shù)是基于OTDR時(shí)域反射技術(shù)的分布 Fig.2 the mechanic relationship between soil and optic fiber 圖2為光纖與土體之間的力學(xué)關(guān)系示意圖，由此 光纖內(nèi)力變化dT可以表示為 =（兀。）皿=（4 忑）E.血 3) 式中E為光纖彈性模量，t為光纖表面的剪應(yīng) 監(jiān)測土洞的關(guān)鍵在于要準(zhǔn)確的捕捉到這種變形。在監(jiān) 測實(shí)施中，不僅要求傳感光纖位置布設(shè)合理，而且能 夠與土體保

13、持同步協(xié)調(diào)變形。關(guān)于傳感光纖布設(shè)的位 置，主要由該地區(qū)巖溶塌陷分布特點(diǎn)決定，為了便于 研究，在模型實(shí)驗(yàn)中，簡化為傳感光纖穿越土洞頂板 底部中心。光纖與土體的協(xié)調(diào)變形，一方面與光纖本 身的材料特性有關(guān)，另一方面和土體與光纖之間的相 互作用有關(guān)。傳感光纖的材料特性，僅通過選用兩種 類型的光纖進(jìn)行分析比較，土體與光纖之間的相互作 用，通過以下力學(xué)分析來說明。 力，D為光纖直徑，d e為應(yīng)變變化梯度，求解得 8: DEck T = :il?i 4) 而光纖表面的剪應(yīng)力有土體與光纖表面的摩擦力 提供，故而 t =- ?=-N=-.G 土=-y h 5) 其中？為土體與光纖表面的摩擦力，1為摩擦系 數(shù)，N

14、為光纖上覆土體對光纖的垂直壓力，G 土為上 覆土體的重量，丫為上覆土體的等效容重，h為上覆 土體的厚度。由4)、5)可以得到： .4pyh 6) 可見當(dāng)土體與光纖之間發(fā)生相對位移時(shí)，在土體 厚度、容重不變，光纖材料一定的條件下，應(yīng)變值與 摩擦系數(shù)成正比。鋪設(shè)在土層中的傳感光纖通過光纖 外套與土層的摩擦力來實(shí)現(xiàn)力的傳遞，若土層發(fā)生變 形，帶動(dòng)光纖發(fā)生變形。 2.2塌陷監(jiān)測模型的簡化 在土洞形成過程中，土洞范圍外的光纖段的摩擦 力及范圍是變化的，這就要求模型設(shè)計(jì)中要考慮光纖 的固定問題。目前有關(guān)光纖的固定方式，纏繞固定方 式9能夠有效反應(yīng)荷載變化而引起的摩擦力變化，故 在模型中采用該方式。簡化塌陷

15、模型為簡支梁的破壞 模式 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。 3光纖傳感塌陷模型實(shí)驗(yàn)及分析 主要對兩種類型的傳感光纖，進(jìn)行定距逐級(jí)變載 實(shí)驗(yàn)，定載荷不同跨距實(shí)驗(yàn)。 測試采用日本安騰公司生產(chǎn)的AQ8603(BOTDR 儀器主要指標(biāo)如下： 表1 AQ86O3(BOTDR技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)指標(biāo)可選參數(shù) 測試距離 1, 2, 5, 10, 20, 40, 80km 脈寬 20n 10ns s 50ns 100ns200ns 動(dòng) 土 0.004% 2dB 6dB 10dB 13dB15dB 態(tài)(2s 范 土 0.003% 8dB 11dB13dB 圍(2s 長度分辨率 1m 2m 5m 11m22m 應(yīng)變測試精度 + 0.00

16、4%(2s + 0.003%(2s (+ 0.01% (+ 0.005% 應(yīng)變測試重復(fù)性 0.04% 0.02% 實(shí)驗(yàn)應(yīng)變?yōu)?.004% 2o)，最小采樣間隔 10cm，最小分辨率1m,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前對光纖進(jìn)行導(dǎo)通 測試。 3.1定距逐級(jí)變載實(shí)驗(yàn) 定距逐級(jí)變載實(shí)驗(yàn)，包括加載和卸載兩部分，通 過變載實(shí)驗(yàn)?zāi)M一定規(guī)模的土洞形成過程，研究土洞 形成過程中頂板的荷載變化對傳感光纖軸向應(yīng)變及變 化范圍的影響。對加載后的短時(shí)間時(shí)5分鐘后)變 形與加載1小時(shí)后的變形進(jìn)行比較分析，說明傳感光 纖材料變形隨荷載變化的時(shí)效性。 3.1.1實(shí)驗(yàn)過程 根據(jù)本中心對土洞塌陷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取具 有代表性的1.5m跨度進(jìn)行

17、了研究。GFRP光纖，纏 繞段分別是920-923m、924.5-927.5m，加載點(diǎn)位于 923.75m處；普通傳感光纖，纏繞段分別是1065 1068m , 1069.5-1072.5m，加載點(diǎn)位于 1068.75m 處。 采用百分表和 AQ8603對傳感光纖的受力點(diǎn)變形及應(yīng) 變進(jìn)行測量。荷載采用0kg、0.5kg、1kg、2kg、 3kg、4kg、5kg逐級(jí)加載方式，待加載穩(wěn)定后開始測 試，加載1小時(shí)后再次測試進(jìn)行對比，至5kg荷載后進(jìn)行逐級(jí)卸載實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行記錄。 3.1.2測試數(shù)據(jù)處理及分析 實(shí)驗(yàn)選用了兩種光纖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)通測試完成 后，對固定的光纖進(jìn)行首次測量設(shè)定為初始狀態(tài)，加 載后

18、測試值減去初始值即為應(yīng)變變化量。 tKgl 圖5荷載與加載點(diǎn)垂向位移關(guān)系曲線GFRP) Fig.5 The relationship cure of load and the loading point vertical displacementGFRP) btajy i-. ft （kfl） 圖6荷載與加載點(diǎn)垂向位移關(guān)系曲線普通光纖） Fig.6 The relationship cure of load and the loading point vertical displacementOrdinary optical fiber） 通過對荷載與荷載點(diǎn)位移曲線分析，傳感光纖 受力變形隨著

19、荷載增加逐漸穩(wěn)定。受力點(diǎn)穩(wěn)定后測試 加載5分鐘后）與1小時(shí)后的測試數(shù)據(jù)變化較小， 說明加載變形在較短時(shí)間內(nèi)完成。GFRP光纖與普通 光纖相比，受力點(diǎn)變形小且卸載后殘余應(yīng)變小見圖 5、6），這將影響傳感光纖監(jiān)測的靈敏度。在實(shí)際工 程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)土洞上覆土層厚度選取合適強(qiáng)度的 傳感光纖。 救幹2g站928彌 距隔（m 圖7加載對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變變化 vGFRP) Fig.7 The the loading point strain changevGFRP ) 圖8加載對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變變化 普通光纖） Fig.8 The the loading point strain changeOrdinary opt

20、ical fiber） 根據(jù)應(yīng)變儀的測試原理在測定光纖上任意點(diǎn)應(yīng)變 的最高測距分解度為1m,即計(jì)算光纖上某測量點(diǎn)應(yīng) 變時(shí)，均以測量點(diǎn)為起點(diǎn)向前1m內(nèi)發(fā)生的布里淵散 射光頻率漂移量為依據(jù)，測量應(yīng)變值實(shí)際上反映的是 光纖1m內(nèi)發(fā)生的綜合應(yīng)變量10,11。 從圖7可以看到光纖受荷后，應(yīng)變影響范圍，最 小為922-925.5m，最大為 921.0-926.5m，即影響直徑 在3.5-5.5m之間,這是因?yàn)楣饫w受荷載變大的過程 中，隨著兩端的拉力增大，必然導(dǎo)致纏繞段提供摩擦 力的范圍變大。從圖上可以看到GFRP光纖受荷載變 大過程影響范圍明顯變大，這主要因?yàn)镚FRP光纖夕卜 套與纏繞體之間的摩擦系數(shù)較小

21、，只能通過擴(kuò)大提供 摩擦段長度來提供足夠的摩擦力。 從圖8可以看出，普通光纖受荷后的應(yīng)變影響范 圍在1066.8-1070.8m，略有有變化。原因在于普通光 纖與纏繞體之間的摩擦系數(shù)較大，可以在一定荷載內(nèi) 不擴(kuò)大受力段而提供足夠的摩擦力。通過對兩種光纖 的受荷變化分析，得到普通通訊光纖較GFRP光纖反 應(yīng)靈敏，但承受荷載較GFRP光纖小，易布置在上覆 荷載較小或者土體與光纖黏結(jié)力較小的土層中。 .hl.hlhl.MI 也旳kgkg JJ- 4- JJ n n n 宀誤二-羊自戸片一 Fig.11 The strain change after unloading GFRP ) 二1 I 訂=1

22、I1IJi*I 彳網(wǎng)10561066HiffTO1072107* 沖肉im ） 圖12卸荷對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變變化 普通光纖） Fig.12 The strain change after unloading Ordinary optical fiber） 圖9加載1小時(shí)對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變變化 GFRP) Fig.9 The strain change after loading 1hour h (7 L 可見在不考慮材料因素的條件下，傳感光纖的軸 向拉力與0成反比，極小變化范圍內(nèi)，對傳感光纖軸 向拉力的影響較小。 冊亞1 Dm -啊淨(jìng)1.5m 啊壓ZCm 何跡.2 4n 圖13加載段受力分析 Fig.13

23、 Loading section stress analysis 一_極取 圖14不同間距對應(yīng)的垂向位移 Fig.14 Vertical displacement in different space 根據(jù)圖14,可以看到最大 h=55mm間距最小值 10501M610W1085 嘰107&10 護(hù)島(mJ 圖15不同間距應(yīng)變值 普通光纖) Fig.15 Strain change in different spacevOrdinary optical fiber ) 圖16不同間距應(yīng)變值vGFRP Fig.16 Strain change in different space 兩類實(shí)驗(yàn)都能通

24、過光纖應(yīng)變的變化進(jìn)行準(zhǔn)確 定位荷載位置，說明光纖傳感技術(shù)在巖溶塌陷監(jiān)測定 位上是可行的。 （2 通過簡化影響因子，模擬了巖溶塌陷過程上 覆荷載變化條件下，光纖軸向應(yīng)變變化趨勢、荷載變 化、光纖變形具有良好的對應(yīng)關(guān)系，能夠反映土洞形 成過程。 3）上覆荷載不變條件下，考慮分析了土洞規(guī)模 對傳感光纖的影響，發(fā)現(xiàn)一定土洞規(guī)模內(nèi)與光纖應(yīng)變 段范圍有良好的對應(yīng)關(guān)系，但傳感光纖材料的不同將 影響到應(yīng)變范圍大小 :75-80. 3 唐天國，朱以文，蔡德所，等 .光纖巖層滑動(dòng)傳感監(jiān)測原理 及實(shí)驗(yàn)研究 J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2006，25:340-344. 4 余小奎 . 分布式光纖傳感技術(shù)在樁基測試中的

25、應(yīng)用J .電力 勘測設(shè)計(jì) 2006,(06:12-16.YU Xiao-kui. Research on the Testing of Piles Based on Distributed Optical Fiber Monitoring Sensing TechniqueJ. ELECTRIC POWER SURVEY & DESIGN,2006,(06:12-16. 5 劉杰，施斌，張丹，等 . 基于 BOTDR 的基坑變形分布式監(jiān) 測實(shí)驗(yàn)研究 J. 巖土力學(xué)， 2006,27:1224-1228. 6 張丹，施斌，吳智深等 . BOTDR 分布式光纖傳感器及其在 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用 J

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