基于光纤光栅技术的边坡测斜装置的改装与应用

冯小雨 王培伦 郭 威

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410076)

·岩土工程·地基基础·

基于光纤光栅技术的边坡测斜装置的改装与应用

冯小雨 王培伦 郭 威

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410076)

将光纤布拉格光栅传感技术应用于边坡监测中，通过对现有传感器和测斜装置的改装，设计了一种新的边坡测斜装置，并将该项成果用于龙永高速公路某边坡的现场稳定性监测中，简述了光纤布拉格光栅传感技术现场应用时的元件安装、数据采集及分析等工作，证实了该改装方案的可行性。

光纤光栅，边坡监测，数据采集，改装设计

0 引言

由于边坡工程大多处于荒山野外，公路在建设施工中，由于地质不良、高山峡谷、人为因素等原因，高边坡稳定性问题非常显著，因此对边坡进行长期有效的监测是十分有必要的[1，2]。近年来光纤传感技术被引入边坡工程监测中，使得边坡工程监测实现集成化、自动化和远程控制已成为一种可能。但由于边坡所处复杂的地形地貌、坡体变形及施工作业的干扰，很大程度上制约着光纤传感技术的推广应用，也对光纤传感器的选用、安装和数据采集提出更高要求，对工程监测人员的专业性提出更高要求[3-5]。

1 光纤传感技术

1.1 光纤布拉格光栅传感原理

光纤光栅是一种特殊的光纤，其纤芯折射率具有周期性变化特点。入射光波长λ=2nΛ被光纤光栅反射，形成反射波。反射波中心波长λ与光栅周期Λ、纤芯有效折射率n有关。当外界被测因素如温度、应力发生改变时，都会引起反射波中心波长的变化。其相互间关系为：

(1)

传感器的波长指的是光纤光栅反射谱中的尖峰中心波长，其峰值随应变、温度变化而改变。传感器中心波长通过光纤光栅传感分析仪来进行解调转换为数字信号。

1.2 原位测斜仪改装设计

光纤光栅原位测斜仪采用高强度PVC测斜管，测斜管内置光纤布拉格光栅应变传感器和温度补偿传感器，测斜管内侧相对方向(互成180°角)有两条凹槽，将应变传感器和温度补偿传感器用AB胶密封于凹槽内，以此较准确反映PVC管由于土体滑移产生受力的状况。测斜管内径及外径分别为58 mm，70 mm，每根管长2 m，采用专用的连接器将测斜管进行两两对接。应变传感器粘贴于测斜管凹槽之前要进行两两串接，再将串接后的应变传感器封装于对接的测斜管中。保证测斜管凹槽内应变传感器间距为2 m，并且测斜管底部连接回线(如图1所示)。

现场安装时，要对边坡每级台阶沿竖直方向钻若干孔径为120 mm的孔，将改装后的光纤光栅测斜仪放置在孔中央，用细砂回填孔隙至孔口，多出地面部分测斜管用水泥砂浆涂抹于四周，以增加稳定性(如图2所示)。

1.3 数据采集

光纤光栅应变计可通过达卡公司提供的LC-FBG-DS100型号的光纤光栅分析仪进行数据的读取及采集，LC-FBG-DS100设备提供了FC/APC光学接口，只要将与应变计相连的光缆的光学接头接入光纤光栅分析仪，即可读出所需数据，并可对数据进行存储。利用LC-FBG-DS100型号的光纤光栅分析仪进行读数时，要采集一个初始数据，以便进行后期数据采集参照。进行初始数据采集时，要使光纤光栅原位测斜仪处于空载状态即应变计不受力状态，这样，初始读数与零压力相对应，否则初始读数会与未知的压力水平相一致。因此在测斜仪未埋入孔结构时进行初始数据采集。

2 边坡光纤监测工程实例

2.1 工程概况

龙永高速(湘西自治州龙山县至永顺县)是湖南省“七纵九横”高速公路路网规划的重要组成部分，路线全长91.21 km。此监测边坡位于14标合同段永龙界隧道口边，桩号K56+910，坡长113 m，坡高27 m，坡角为47°，分为两级开挖，属重点监测边坡。根据地质勘探评价表可知，该路堑山体表层由强风化泥质页岩、碎石、粉质粘土组成，下层为弱风化层软岩。由于此边坡位于永龙界隧道口，一旦失稳垮塌，将严重影响交通安全。因此，业主方已委托承建方对此边坡进行了加固处理，具体加固方案为：一级坡采用锚杆注浆，表面喷射混凝土刷坡防护，二级坡采用方格骨架植草防护。

2.2 光纤光栅测斜仪布设

作为重点边坡监测工程，本边坡于一级坡顶平台钻探4个深度为14 m的孔(由远及近往隧道口方向分别编号为1号，2号，3号，4号孔)用来埋设光纤光栅原位测斜仪，总共安装了56个应变传感器、4个温度补偿传感器、4个液位计，所有传感器均用传输光缆进行了串联保护和封装，组建了一个光纤传感边坡监测及预警系统，对边坡的加固效果及稳定状态进行了长期有效的监测。监测对象主要为边坡土体内水位变化及深层位移变化引起的边坡变形趋势。由于现场安装的传感器都是基于光纤光栅传感技术，故在进行数据采集时只需一台光纤光栅解调仪即可，大大降低了数据采集难度及误差，提高了监测效率。

深部测斜仪布设图见图3。

2.3 监测结果及分析

利用无线以太网实现LC-FBG-DS100型号的光纤光栅分析仪与笔记本电脑对接，现场的实测数据实现自动采集、无线传输，以Excel表格形式呈现采集结果。用式(1)将采集结果计算出相应各测点应变值，利用差分法求解出深部测斜仪相应各测点挠度值。目前监测工作已进行了半年有余，图4～图7是部分监测结果。

由监测结果可知：

1)边坡土体水平位移随深度变化曲线整体呈弓形，随深度增加，水平位移先变大后减小。

2)水平位移最大集中在5 m～7 m处，月累计位移量最大达到34 mm，但仍远小于工程经验阈值5 mm/d，在深度3 m～8 m范围内水平位移曲线变化明显，依据监测工程经验可知破坏通常发生在这一区域。

3)边坡土体表层及深层位移量整体偏小，其原因是一级坡体几月前采取了小管棚注浆超前支护和锚杆防护措施，边坡内土体凝固较好，边坡整体稳定性较好，加固效果良好。

3 结语

1)由改装的光纤光栅测斜仪监测结果与传统测斜仪监测结果基本吻合，且前者所采集数据更全面、精度更高；由几个月的监测结果来看，现场监测情况基本稳定，该改装方案基本可行。

2)从应用层面来看，依托龙永高速公路沿线某边坡加固工程，实现了光纤布拉格光栅传感技术现场应用时的元件安装、数据采集及分析等工作，并进一步证明此方法的可行性及改进优化的可能性。利用光纤传感技术监测龙永高速14标合同段桩号K56+910高边坡内部深层位移，由监测结果得知坡体内水平位移发生最大处集中在5 m～7 m，位移最大1.13 mm/d，远小于工程阈值5 mm/d，该边坡整体稳定性良好。

[1] 赵 欢,李东升.某公路高边坡施工监测分析[J].公路工程,2014,39(5):63-67.

[2] 李世贵,任 仁.高路堤软基深部变形机理及位移响应规律[J].公路工程，2013,38(3)：22-26.

[3] 丁 勇,施 斌,崔何亮，等.光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究[J].岩土工程学报,2005,27(3):338-342.

[4] 隋海波,施 斌,张 丹，等.边坡工程分布式光纤监测技术研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(2):3725-3731.

[5] 刘 杰，施 斌，张 丹，等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，27(7):1224-1228.

[6] 欧进萍，周 智，武湛君，等.黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术[J].土木工程学报，2004,37(l):45-50.

[7] Hill K O，Fujii Y， Johnson D C， et al. Photosensitivity in optical fiber waveguide：application to reflection filter fabrication[J].Applied Physics Letters，1978,32(10):647-649.

The modification and application of slope measuring device based on fiber grating technology

Feng Xiaoyu Wang Peilun Guo Wei

(TransportationEngineeringSchool,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China)

This paper applied the fiber Prague grating sensing technology to slope monitoring, through the modification to existing sensor and measuring device, designed a new slope measuring device, and applied the results to site stability monitoring of a slope in Longyong highway, described the original installation, data collection and analysis and other works of fiber Prague grating sensing technology field application, confirmed the feasibility of modification scheme.

fiber grating, slope monitoring, data collection, modification design

2015-01-05

冯小雨(1988- )，男，在读硕士； 王培伦(1990- )，男，在读硕士； 郭 威(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)08-0069-03

TU413.62

A