地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測實施技術(shù)規(guī)范

1地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測實施技術(shù)規(guī)范1范圍本文件規(guī)定了地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測的監(jiān)測對象與內(nèi)容、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測前期準備、監(jiān)測方法與要求、數(shù)據(jù)采集與處理的相關(guān)要求。本文件適用于基于光纖監(jiān)測技術(shù)的地質(zhì)鉆孔長度范圍內(nèi)變形場、溫度場及水分場等的全斷面精細化監(jiān)測。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。傳感光纜sensingcable一根或者多根光纖經(jīng)特定方式封裝,可以傳輸和測量應(yīng)變、溫度和水分等物理參量信息的光纜的統(tǒng)稱。3.2分布式光纖監(jiān)測distributedfiberopticsensing在被測結(jié)構(gòu)物或巖土體中植入傳感光纜,實現(xiàn)被測對象的一維或多維空間連續(xù)的多物理量監(jiān)測的技術(shù)方法。3.3解調(diào)設(shè)備demodulationequipment用于向光纖傳感器發(fā)送不同頻率、不同波長的光源,同時接收光纖傳感器反射或者折射傳回的不同頻率、不同波長的光,并進行相關(guān)數(shù)據(jù)的解調(diào)及記錄存儲的專用設(shè)備。3.4光纖引線fiberopticlead用于連接傳感光纜,引入到測試設(shè)備的光纖線纜。3.5光柵傳感器gratingsensor基于光纖布拉格光柵（FiberBraggGratting,FBG）傳感原理的光纖傳感器,可用于監(jiān)測形變、溫度、壓力及加速度等物理參量。3.6定點分布式變形傳感光纜Fixed-pointdistributedsensingcable人為設(shè)置固定點的傳感光纜,使得光纜能夠感知兩個相鄰固定點間的位移變形。3.7光纖多參量監(jiān)測opticalfibermulti-parametermonitoringimplementation布設(shè)分布式傳感光纜、光柵傳感器,通過光纖解調(diào)設(shè)備獲取監(jiān)測對象的變形、溫度、壓力及加速度等2物理參量3.8定點應(yīng)變隔離度fixed-pointstrainisolation定點分布式變形傳感光纜的性能指標指相鄰兩定點段中一端受力后隔離段與拉伸段應(yīng)變變化量的差值相對拉伸段的應(yīng)變隔離百分比詳見附錄A4總則4.1基本任務(wù)在地質(zhì)調(diào)查區(qū)域土地開發(fā)利用區(qū)域及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域建立鉆孔光纖多參量監(jiān)測站通過自動化數(shù)據(jù)采集和定期數(shù)據(jù)采集的方式收集數(shù)據(jù)分析鉆孔長度范圍內(nèi)巖土體的應(yīng)變溫度地下水位含水率等信息為地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)警和土地開發(fā)利用區(qū)域等提供基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)4.2工作流程在收集工程地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上確定監(jiān)測孔位監(jiān)測內(nèi)容及數(shù)據(jù)采集方式開展地質(zhì)鉆孔多參量監(jiān)測分析監(jiān)測數(shù)據(jù)編制監(jiān)測成果報告具體工作流程如圖1所示圖1地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測工作流程圖4.3基本原則4.3.1光纖鉆孔多參量監(jiān)測工作是在詳細地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上進行4.3.2根據(jù)實際需求本文件適用于光纖單參量監(jiān)測或者多參量同步監(jiān)測4.3.3光纖鉆孔多參量監(jiān)測技術(shù)同時適用于地質(zhì)鉆孔多參量變化的長期及短期監(jiān)測35監(jiān)測對象與監(jiān)測內(nèi)容5.1監(jiān)測對象光纖多參量監(jiān)測對象應(yīng)是地質(zhì)調(diào)查區(qū)域、土地開發(fā)利用區(qū)域及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域等的地質(zhì)鉆孔全斷面巖土體。5.2監(jiān)測內(nèi)容地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測內(nèi)容主要包括：a）變形場：地層整體及分層變形量；b）溫度場：地層溫度分布；c）水分場：地層體積含水率分布，地下水的埋藏分布（包括潛水位和承壓水頭）。6監(jiān)測設(shè)備6.1傳感器和傳感光纜6.1.1地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測應(yīng)根據(jù)監(jiān)測要求、監(jiān)測參量、鉆孔深度、現(xiàn)場環(huán)境等因素，選擇合適的傳感光纜和監(jiān)測儀器。6.1.2地質(zhì)鉆孔變形場監(jiān)測中使用的光纖光柵長標距位移計和分布式變形傳感光纜性能，應(yīng)符合表1和表2的要求。表1地質(zhì)鉆孔變形場監(jiān)測用光纖光柵長標距位移計性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求量程/mm最大變形量的1.5倍2倍相對分辨力/%F.S.三0.1非線性度/%F.S.三1.0溫度范圍/節(jié)80標距/mm100010000耐水壓/Mpa>0.5表2地質(zhì)鉆孔變形場監(jiān)測用分布式變形傳感光纜性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求光纜結(jié)構(gòu)定點封裝量程/mm>50mm/5m測試精度/mm三0.05mm/5m溫度范圍/節(jié)80抗拉拔力/KN>2000彈性模量/Gpa三10定點隔離度/%>9846.1.3地質(zhì)鉆孔溫度場監(jiān)測中使用的光纖光柵溫度計和分布式溫度傳感光纜性能應(yīng)符合表3和表4的要求。表3地質(zhì)鉆孔溫度場監(jiān)測用光纖光柵溫度計性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求常規(guī)溫度計增敏型溫度計測試范圍/節(jié)80540測試精度/節(jié)三0.1三0.01耐水壓/Mpa>1.0>1.0表4地質(zhì)鉆孔溫度場監(jiān)測用分布式溫度傳感光纜性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求測試范圍/節(jié)80測試精度/節(jié)三0.2抗拉拔力/KN>20006.1.4地質(zhì)鉆孔水分場監(jiān)測中使用的光纖光柵滲壓計、光纖光柵含水率計及分布式含水率傳感光纜性能應(yīng)符合表5、表6和表7的要求。表5地質(zhì)鉆孔水分場監(jiān)測用光纖光柵滲壓計性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求量程/Mpa最大水壓的1.5倍2倍相對分辨力/%F.S.三0.1非線性度/%F.S.三1.0溫度范圍/節(jié)80表6地質(zhì)鉆孔水分場監(jiān)測用光纖光柵含水率計性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求長度/mm2001000溫度特征值/節(jié)>5含水率測試精度/%<2加熱功率/（w/m）>85表7地質(zhì)鉆孔水分場監(jiān)測用分布式含水率傳感光纜性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求測試距離/m>200最大測點數(shù)量/個>100溫度特征值/節(jié)>5含水率測試精度/%<2加熱功率/（w/m）>86.2解調(diào)設(shè)備6.2.1地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測技術(shù)應(yīng)根據(jù)布設(shè)的傳感器及傳感光纜類型,選擇合適的光纖解調(diào)設(shè)備。6.2.2地質(zhì)鉆孔監(jiān)測中使用的分布式光纖解調(diào)設(shè)備、光纖光柵類解調(diào)設(shè)備性能指標,應(yīng)符合表8、表9和表10的要求。表8地質(zhì)鉆孔分布式光纖應(yīng)變解調(diào)設(shè)備性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求應(yīng)變測試范圍/με>士15000應(yīng)變測試精度/με士30應(yīng)變測試重復(fù)性/με三士20環(huán)境適應(yīng)范圍/節(jié)—10~50表9地質(zhì)鉆孔分布式溫度解調(diào)設(shè)備性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求溫度測試范圍/節(jié)—40~120溫度測試精度/節(jié)士0.3溫度分辨率/節(jié)0.1響應(yīng)時間/s>2/通道表10地質(zhì)鉆孔光柵解調(diào)設(shè)備性能要求參數(shù)類型參數(shù)要求波長分辨率/pm三1波長重復(fù)性/pm三3動態(tài)范圍/db>20環(huán)境適應(yīng)范圍/節(jié)—10~5067監(jiān)測工作前期準備地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測工作之前，應(yīng)進行下列工作：a）了解監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件；b）明確監(jiān)測的目的、任務(wù)和要求；c）進行場地踏勘，評估光纖監(jiān)測方案實施的可行性；d）調(diào)查和收集監(jiān)測區(qū)的人類活動情況，如地下水開采、地下礦油氣開采情況等；e）編制監(jiān)測方案，內(nèi)容應(yīng)包括：監(jiān)測區(qū)工程概況，監(jiān)測目的與要求，地質(zhì)條件，傳感光纜及監(jiān)測設(shè)備選型，布設(shè)方案，施工方案，測試方案，質(zhì)量控制、安全和環(huán)保措施等。8監(jiān)測方法與要求通過垂直鉆孔中植入不同監(jiān)測參量的光纖傳感器，獲取相對應(yīng)的監(jiān)測參量，一般步驟如下：a）鉆孔中植入定點應(yīng)變傳感光纜、溫度傳感光纜、分布式含水率傳感光纜；b）根據(jù)需要，在鉆孔內(nèi)布設(shè)光纖光柵滲壓計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計和光纖光柵含水率計；c）鉆孔中回填糯合材料進行封孔；d）采用光纖解調(diào)設(shè)備采集傳感光纜的多參量分布信息，獲得相應(yīng)地層的變形量、地層溫度分布、地層體積含水率分布及地下水的埋藏分布（包括潛水位和承壓水頭）等。8.1一般要求8.1.1監(jiān)測方法應(yīng)根據(jù)監(jiān)測對象、監(jiān)測內(nèi)容、場地條件、數(shù)據(jù)要求等因素綜合確定。8.1.2監(jiān)測儀器、傳感器應(yīng)滿足場地的監(jiān)測精度和量程要求，經(jīng)過校準或標定合格，具備良好的穩(wěn)定性和可靠性。8.1.3鉆孔深度小于200m時，傳感光纜及傳感器可通過配重導(dǎo)頭下放；鉆孔深度大于或等于200m時，宜通過鉆桿下放。8.1.4鉆進過程中應(yīng)選用合理的泥漿體系，避免松散層坪塌、超徑，確?？妆谕暾?。8.1.5監(jiān)測孔成孔結(jié)束后，應(yīng)進行清孔工作，孔內(nèi)泥漿比重低于1.05，含砂量少于3%，方便后期濾料8.1.6濾料回填時，采用人工緩慢回填，確保濾料回填到位，避免中途架橋。待孔內(nèi)回填濾料穩(wěn)定一個月或一個雨季后，投入使用。8.1.7傳感光纜及傳感器下放完成后，應(yīng)采用光纖專用激光筆進行光路完整性的初步測試，然后采用解調(diào)儀測試傳感光纜及傳感器的通光完整性，當發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)異常、光纖測試信號信噪比較低時，應(yīng)查找原因，按照由近及遠的原則，順序查找光纖接頭處，線路轉(zhuǎn)彎處等情況，采取補救措施。8.2變形場監(jiān)測8.2.1鉆孔深度20m以淺宜采用光纖光柵長標距位移計，20m以深宜采用分布式變形傳感光纜。8.2.2鉆孔直徑不宜小于110mm，鉆孔深度小于100m時，其頂角偏斜不宜超過1。，鉆孔深度大于100m時，每百米頂角偏斜的遞增數(shù)不宜超過1.5。。8.2.3光纖光柵位移計及傳感光纜沿鉆孔豎向布設(shè)，宜形成回路。8.2.4光纖光柵位移計及傳感光纜應(yīng)進行預(yù)應(yīng)力拉伸，位移計預(yù)拉量不宜小于滿量程的80%，傳感光纜預(yù)拉量不宜小于8000με。78.2.5光纖光柵位移計及傳感光纜，在土層（貓土層到中細砂層）中植入布設(shè)，采用孔底直接壓入土體不小于30mm的方式進行布設(shè)；在完整巖石層中布設(shè)，需先清水洗孔后對封存段或全孔進行水泥固結(jié)，以保持同圍巖固結(jié)成為一體；在巖土混合層（致密粗砂到強風化層）中布設(shè)，需采用相近粒徑填料支撐固定預(yù)埋傳感光纜件，并需持續(xù)一定時期緊實后再進行觀察監(jiān)測。8.2.6傳感光纜及傳感器下放至鉆孔底部后，宜上提1m2m，為了保證傳感光纜及傳感器在孔內(nèi)的垂直性。8.2.7將光纖光柵位移計及傳感光纜下放完成后，應(yīng)進行鉆孔回填，鉆孔深度大于100m，可回填粒徑5mm10mm的礫石；20m100m部分可回填粒徑2mm5mm的礫石；20m以淺部分可回填含20%貓土球的砂土-貓土球混合物。8.2.8回填完成后，固定孔口光纜并使用保護裝置保護光纖引線，在鉆孔位置上方建設(shè)監(jiān)測站。8.3溫度場監(jiān)測8.3.1鉆孔深度20m以淺宜采用光纖光柵溫度計，20m以深宜采用分布式溫度傳感光纜，高精度監(jiān)測宜采用增敏型光纖光柵溫度計。8.3.2鉆孔直徑、頂角偏斜要求參照8.2.2。8.3.3光纖光柵溫度計及傳感光纜沿鉆孔豎向布設(shè)，溫度傳感光纜宜設(shè)計單端布設(shè)且光纜底部保持自由狀態(tài)。8.3.4光纖光柵溫度計及傳感光纜下放完成后，進行鉆孔回填，對于單獨監(jiān)測的地溫場，可采用粒徑5mm10mm的礫石回填。8.3.5孔口保護要求參照8.2.8。8.4水分場監(jiān)測8.4.1地質(zhì)鉆孔水分場的光纖監(jiān)測，主要包括體積含水率、地下水埋藏分布（包括潛水位和承壓水位）。8.4.2鉆孔直徑、頂角偏斜要求參照8.2.2。8.4.3地下水位（包括潛水位和承壓水位）的監(jiān)測采用光纖光柵滲壓計，通常布設(shè)于含水層。8.4.4監(jiān)測淺表地層（小于5m）體積含水率宜采用光纖光柵含水率計，深部（5m以下）地層體積含水率監(jiān)測宜采用分布式含水率傳感光纜。8.4.5監(jiān)測淺表地層（小于5m）地層體積含水率的鉆孔直徑不宜小于50mm，監(jiān)測深部（5m以下）地層體積含水率的鉆孔直徑不宜小于90mm，地下水位（包括潛水位和承壓水位）監(jiān)測，鉆孔直徑不宜小于110mm。8.4.6地層體積含水率監(jiān)測需對傳感光纜及傳感器進行供電加熱，通常采用直流供電，電壓為110V220V，加熱功率8W/m15W/m。8.4.7傳感光纜及傳感器下放完成后，需進行鉆孔回填，地層體積含水率監(jiān)測宜采用細粒原狀土回填；承壓水位監(jiān)測，滲壓計位置宜采用中粗砂或細礫回填，并通過貓土球封堵；潛水位監(jiān)測，宜采用中粗砂礫回填。8.4.8孔口保護要求參照8.2.8。9數(shù)據(jù)采集與處理9.1數(shù)據(jù)采集9.1.1地質(zhì)鉆孔光纖多參量監(jiān)測可分為自動化數(shù)據(jù)采集和定期數(shù)據(jù)采集。自動化數(shù)據(jù)采集可根據(jù)實際需求設(shè)定監(jiān)測頻率；定期數(shù)據(jù)采集頻率通常為1次/月，可根據(jù)實際需求調(diào)整監(jiān)測頻率。9.1.2正常監(jiān)測之前，根據(jù)測試得到的頻譜、光損和波長，確定合理的光纖解調(diào)設(shè)備測試參數(shù)，且后續(xù)8監(jiān)測需保持參數(shù)一致。如遇確需更改調(diào)整參數(shù)時，做好調(diào)整記錄。9.1.3傳感器埋設(shè)完成后，變形、溫度及水位監(jiān)測應(yīng)采集1h內(nèi)的3次有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，取其平均值作為監(jiān)測初始值，后續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)是以這個初始值做差值。9.1.4含水率測試應(yīng)連續(xù)采集5min~10min加熱過程后的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測值。9.1.5自動化數(shù)據(jù)采集時，需要確保監(jiān)測現(xiàn)場具備穩(wěn)定的電源，并且在遠離強電磁干擾的環(huán)境下進行。9.1.6定期數(shù)據(jù)采集時，定期數(shù)據(jù)采集完成后，應(yīng)在現(xiàn)場進行監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價，當發(fā)現(xiàn)光纖測試數(shù)據(jù)異常、測試信號信噪比較低等情況時，應(yīng)檢查光路和解調(diào)儀測試參數(shù)的設(shè)置條件，并重新測試，確保獲得有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。9.2數(shù)據(jù)處理9.2.1分布式光纖監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理應(yīng)按照下列步驟進行：a）數(shù)據(jù)核對：根據(jù)現(xiàn)場記錄表核對原始記錄數(shù)據(jù)；b）數(shù)據(jù)對齊：當監(jiān)測過程中光纜長度發(fā)生變化時，應(yīng)將各測次數(shù)據(jù)的空間位置進行對齊；c）數(shù)據(jù)定位：在鉆孔分布曲線上確定孔口和孔底特征點位置，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行準確定位并與鉆孔深度匹配；d）數(shù)據(jù)分段截?。焊鶕?jù)定位結(jié)果截取監(jiān)測目標段對應(yīng)的數(shù)據(jù)；e）數(shù)據(jù)平滑：對于分布式變形數(shù)據(jù)，可利用多點平均等數(shù)學方法進行平滑處理。9.2.2基于位移計的位移計算結(jié)果，應(yīng)按式（1）計算：D—KD.[（λS—λ0）—KT（λT—λT0）] 式中：D—位移計測得的軸向土體變形，單位為毫米（mmKD—傳感器位移/波長系數(shù)值（mm/nmλS—測量光柵測量波長，單位為納米（nmλ0—測量光柵初始波長，單位為納米（nmKT—傳感器溫度補償系數(shù)值（節(jié)/nmλT—溫補光柵測量波長，單位為納米（nmλT0—溫補光柵初始波長，單位為納米（nm）。9.2.3基于分布式變形感測光纜的位移計算結(jié)果，應(yīng)按式（2）計算：2）? 式中：—之）—埋深之1位置到之2位置間光纖測得的土體變形，單位為毫米（mm—埋深之位置光纜測得的應(yīng)變，無量綱（με）。9.2.4基于溫度計的地溫計算結(jié)果，應(yīng)按式（3）計算：T—KT.（λS—λ0）…………（3）式中：T—溫度計測得的溫度值，單位為攝氏度（節(jié)KT—傳感器位移/波長系數(shù)值（節(jié)/nmλS—測量光柵測量波長，單位為納米（nmλ0—測量光柵初始波長，單位為納米（nm）。9.2.5基于滲壓計的含水層水壓計算結(jié)果，應(yīng)按式（4）計算：P—KP.[（λS—λ0）—KT（λT—λT0）] 9……（5）—式中:P—滲壓計測得的水壓,單位為兆帕（MpaKp—傳感器壓力/波長系數(shù)值（Mpa/nmλs—測量光柵測量波長,單位為納米（nmλ0—測量光柵初始波長,單位為納米（nmKT—傳感器溫度補償系數(shù)值（節(jié)/nmλT—溫補光柵測量波長,單位為納米（nmλT0—溫補光柵初始波長,單位為納米（nm）。9.2.6基于含水率傳感光纜及傳感器的地層體積含水率計算結(jié)果,應(yīng)按式（5）計算:1ATt/（1—CTt