一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统

技术领域

本发明属于深部岩土体变形监测领域，具体涉及一种基于光频域反射技术(OFDR)的深部岩土体光纤测斜系统。

背景技术

我国的高陡边坡滑坡地质灾害发生频繁，尤其是西部山区，对当地居民和相关铁路、公路交通设施造成了巨大的威胁。为保障居民人身财产安全及交通设施正常运营，在有滑坡风险的区域会设置诸如抗滑桩、挡土墙、锚杆等支挡结构。但是在降水、地质运动等不利因素的影响下，部分稳定的高陡边坡也存在失稳的风险。深部岩土体位移是反映高陡边坡稳定性的重要指标，同时深部岩土体位移对铁路、公路等基建工程的施工及运营安全有重要影响。

目前，国内外对滑坡地质灾害的监测手段主要分为地表和地下监测两大类。

地表监测方法包括大地测量法，全球卫星定位系统法等，该方法不能反映岩土体的深部变形情况。

地下监测方法包括基于应变传感器的内部应力测量法和内部倾斜测量法等。

基于应变传感器的内部应力测量法应用比较多，主要是在测斜管上安装点式应变片、光纤光栅或者基于光时域布里渊反射技术的分布式光纤，分别实现测斜管局部多点应变和分布式应变测量。该方法测量得到是岩土体变形导致测斜管的应力变化，通过测斜管在岩土体的变化情况，建立计算模型可以得到测斜管的应变-挠度关系。由于测斜管与岩土体全接触，深部岩土体变形的位置和范围不同，基于局部的应变测量值计算测斜管挠度，存在误差较大的问题。

光纤布里渊分布式传感技术虽然可以实现分布式测量，但是测量精度相对较低，同样存在挠度计算精度不高的问题。

光频域反射(OFDR)技术是近几年发展起来的高精度短距离分布式光纤传感技术，目前在实验室取得了一些重要的成果。相对于基于分布式光纤布里渊技术来说，沿测斜管外表面布设基于OFDR技术的分布式光纤可以实现更高精度的应变和相应的挠度测量。考虑到内部应力测量法需要基于测斜管的计算模型将测量应变转换成挠度，不能更为直观的反应岩土体的位移量，故内部倾斜测量方法得到了更为广泛的应用。

目前内部倾斜测量方法主要是在测斜管上安装倾角传感器实现测斜管的倾角测量，然后直接换算成挠度或位移。已有采用光纤光栅倾斜传感器和电式倾斜传感器开展测斜测量的应用。电式倾斜传感器价格便宜，测量精度高，但是其耐久性差和系统集成相对较复杂。光纤光栅倾斜传感器基于波分复用功能，可以在一根光纤上串联多个传感器，但是由于岩土体位移变形量大小和位置不确定，可能会导致串联的光纤光栅倾斜传感器存在波长重合的问题；同时由于光纤光栅的量程只有6000～8000με，对光纤光栅倾斜传感器的量程或尺寸有一定的约束。

目前未有见采用基于OFDR技术研发多点光纤倾斜传感器开展深部岩土体测量的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统，以同时实现深部土体位移监测，而且温度补偿方便、系统集成简单。

本发明解决上述技术方案所采取的技术方案如下：

本发明的一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统，其特征在是：包括光纤倾斜传感单元、测斜管、光频域反射解调模块、有线或无线传输模块和角度-位移计算模块；多个光纤倾斜传感单元分别固定安装在测斜管内，光纤包括应变光纤和温度信息光纤，应变光纤直接粘贴在等强度梁的表面上，光纤通过光纤传输线与光频域反射解调模块连接；光频域反射解调模块解调光纤倾斜传感单元的应变信息和温度信息，且通过有线或无线传输模块传输至倾角-挠度计算模块进行测斜管的位移计算，获取深部岩土体位移数值。

所述光纤倾斜传感单元由安装在测斜管上的螺杆固定在测斜管内，；相邻带质量块的等强度梁之间光纤的长度由深部岩土体监测点间距确定，所述带质量块的等强度梁中等强度梁和质量块的规格根据深部岩土体位移测量精度和测量范围确定；带质量块的等强度梁的倾斜角度系数由粘贴在等强度梁上的光纤应变和等强度梁相应倾角大小标定得到。

所述根据带质量块的等强度梁的倾斜角度系数和接收的应变信息计算得到各光纤倾斜传感单元中各个等强度梁位置的倾斜角度。

所述经光频域反射解调模块解调的应变信息在用于倾斜角度计算之前，带质量块的等强度梁产生的应变信息经过其邻近位置自由光纤的温度信息进行温度补偿。

所述的经计算得到的倾斜角度根据测斜管在岩土体中约束条件、各个带质量块等强度梁的位置信息可计算得到相应位置深部岩土体的位移信息。

本发明有有益效果是，基于OFDR技术的深部岩土体光纤测斜系统直接采用光纤作为测斜传感单元，与传统的测斜装置相比具有补偿方便、系统集成简单等优点；结合已报道的采用OFDR技术测试测斜管应力的方法，可以同时实现深部土体位移和应力水平监测，对诸如高陡边、滑坡的安全监测和稳定性评价具有重要的意义。

附图说明

本说明书包括如下三幅附图。

图1是本发明一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统的结构示意图

图2是本发明一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统的安装结构局部示意图

图3是本发明一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统的深部土体角度-位移计算示意图。

图中示出部件名称及所对应的标记：多点光纤倾斜传感单元10，光纤11、带质量块的等强度梁12、螺杆13、测斜管20，光频域反射解调模块30，光纤传输线40，有线或无线传输模块50，倾角-挠度计算模块60。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

参照图1和图2，本发明一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统包括光纤倾斜传感单元10、测斜管20、光频域反射解调模块30、有线或无线传输模块50和角度-位移计算模块60。多个光纤倾斜传感单元10分别固定安装在测斜管20内，光纤11包括应变光纤和温度信息光纤，应变光纤直接粘贴在等强度梁12的表面上，完成组装的测斜管20插入到待监测的岩土体内。各光纤11通过光纤传输线40与光频域反射解调模块30连接。光频域反射解调模块30解调光纤倾斜传感单元10的应变信息和温度信息，且通过有线或无线传输模块50传输至倾角-挠度计算模块60进行测斜管20的位移计算，获取深部岩土体位移数值。

本发明基于OFDR技术的深部岩土体光纤测斜系统直接采用光纤作为测斜传感单元，与传统的测斜装置相比具有补偿方便、系统集成简单等优点。结合已报道的采用OFDR技术测试测斜管应力的方法，可以同时实现深部土体位移和应力水平监测，对诸如高陡边、滑坡的安全监测和稳定性评价具有重要的意义。

参照图1，测斜管20是多节段通过卡扣、螺丝等连接构件对接，每个节段内设置一个光纤倾斜传感单元10。完成组装的测斜管20插入到待监测的岩土体内。深部岩土体变形导致测斜管20变形，测斜管20上相应带质量块的等强度梁12发生倾斜，粘贴在带质量块的等强度梁12上的应变光纤产生应变效应，同时深部岩土体中温度因季节变化和环境降水等发生变化，带质量块的等强度梁12之间的光纤11产生温度效应。光频域反射解调模块30同时解调相应的温度值和应变值。然后，光频域反射解调模块30将解调的温度值和应变值通过有线或无线传输模块50传输到角度-位移计算模块60中，角度-位移计算模块60首先通过各个带质量块的等强度梁12临近自由光纤的温度信息补偿其上的应变值，然后基于各个带质量块的等强度梁12的预先标定的倾斜角度系数计算相应的倾斜角度，再根据测斜管20在岩土体中约束条件和各个带质量块的等强度梁12在测斜管20中的位置信息计算得出测斜管20的位移。

参照图2，所述光纤倾斜传感单元10由安装在测斜管20螺杆13固定在测斜管20内，通过螺杆调节带质量块的等强度梁12的倾斜角度。相邻带质量块的等强度梁12之间光纤11的长度由深部岩土体监测点间距确定，所述带质量块的等强度梁12中等强度梁和质量块的规格根据深部岩土体位移测量精度和测量范围确定。带质量块的等强度梁12的倾斜角度系数由粘贴在等强度梁上的光纤11应变和等强度梁相应倾角大小标定得到。

所述根据带质量块的等强度梁12的倾斜角度系数和接收的应变信息计算得到各光纤倾斜传感单元10中各个等强度梁位置的倾斜角度。所述经光频域反射解调模块30解调的应变信息在用于倾斜角度计算之前，带质量块的等强度梁12产生的应变信息经过其邻近位置温度信息进行温度补偿。所述经计算得到的倾斜角度根据测斜管20在岩土体中约束条件、各个带质量块等强度梁12的位置信息可计算得到相应位置深部岩土体的位移信息。

图3是深部土体角度-位移计算示意图，图中测斜管20用中轴线表示，黑色的正方形为带质量块的等强度梁12。假设测斜管20布设到深部岩土体基岩中或稳定层。

以图中测斜管20变形举例说明角度-位移计算模块60的具体计算方法。图中：L

D

D

上述各个带质量块的等强度梁1-2位移计算中，D

以上所述只是用图解说明本发明一种基于光频域反射技术的深部岩土体光纤测斜系统的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。