分布式光纤监测在阜阳地面沉降监测中的应用

魏坤

（安徽省地质环境监测总站， 安徽合肥 230001）

分布式光纤监测在阜阳地面沉降监测中的应用

魏坤

（安徽省地质环境监测总站， 安徽合肥 230001）

分布式光纤监测是利用光纤作为传感介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿光纤不同位置土层的应变情况，实现真正分布式测量。阜阳地面沉降是由于过量抽汲阜阳城区地下水引起水位下降，在正常固结和超固结［1］土层分布区，由土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象。省地质测绘院、阜阳市测绘院、安徽省地质调查研究院在该区域进行大量的高程测量工作，仅查明了地面沉降范围及垂直沉降量，但对地面沉降的形成机理，各压缩层的变化量缺少统一认识。采用分布式光纤监测技术能准确测出各压缩层的变化关系，为阜阳地面沉降防治研究提供科学依据。

分布式光纤监测；地面沉降；监测与应用

1 阜阳地面沉降概况

阜阳市地面沉降的特征表现为随中、深层地下水开采量的增加而逐步形成和发展，为一动态变化的过程。20世纪60年代以前，因地下水开采量较小，地面未见变形。在20世纪70年代，地面沉降量不足100mm；进入20世纪80年代，随深层地下水开采量急剧增加，地面沉降范围也扩大了7倍多［2］。1980年至1990年的10年间，地面沉降范围已超出阜阳市区，据水准测量资料，市区地面沉降形态为一近椭圆形浅漏斗，长轴为北西—南东向，约25km，短轴为北东—南西向，约21.2km，最大沉降范围410km2，沉降大于100mm的范围为162km2。1980-1990年累积最大沉降量为817.6mm，沉降速率73.39mm/ a，1990-1995年累积沉降量127.40mm，沉降速率25.48mm/a，1995-2001年累积沉降量220mm，沉降速率36.7mm/a。1999年沉降中心最大累计沉降量仍然达到了1347.4mm，2002年进而达到1501.8mm， 2012年底根据水准测量，市区地面沉降形态为一近椭圆形浅漏斗，漏斗面积约为1200km2，地面沉降的范围为715km2，累计最大沉降量接近1600mm，沉降速率约为10mm/a。

2 光纤孔基本概况

阜阳地面沉降分布式光纤监测孔于2013年12月22日完成，钻孔回填材料为黄豆沙和“瓜子片”石子混合物。通过现场测试，由于钻孔底部沉渣，钻孔内光纤布设实际深度为330m。钻孔内光缆绑扎于钻机上，待钻孔内回填岩土体沉降固结稳定后，在其上砌筑监测墩，建立光纤监测点。

3 光纤传感器布设安装

钻孔内布设有四根光缆和两个渗压计。四根光缆中一根光缆为渗压计引线，另外三根为分布式感测光缆，分别是20m双芯定点光缆、地层单芯定点光缆、钢绞线光缆。定点光缆为局部定点固定全程松套光缆，具有两相邻定点间光缆拉伸压缩应变均一分布特性。钢绞线光缆为紧包光缆，应变传递特性好，可实现地层内压缩拉伸区域精准定位。

4 数据采集与分析

于2014年2月13日，进行第一次数据采集。又于2014年4月23日、2014年7月10日、2014年10月5日和2014年12月10日，分别进行了四次数据采集。经过五期测试，发现布设的两个渗压计无法测试到信号，初步判定引线断裂，断裂深度约为140m。通过对比前三期数据可知：自2月13日到4月23日以来，两期光缆应变数据整体保持一致，差值在±50με范围内波动。根据工程经验，仪器测量误差在±100με以内。因而可以判断，自2014年2月13日起，钻孔内回填岩土体沉降固结稳定，判定钻孔岩土体稳定，开始监测工作。并可选取2014年2月13日采集数据作为初始值，开始正常监测。项目具体施工与监测见表1。

将前五期数据经过数据对齐，截取有效数据，数据平滑，进行差值处理后，可以得到图1所示光缆测试综合成果图。图中各光缆应变数据为，自2014年2月13日到2014年12月10日以来，钻孔周围岩土体累计变形应变监测数据。图中负应变表示自2014年2月13日到监测期时间内，地层呈现压缩状态；正应变表示自2014年2月13日到监测期时间内，地层呈现拉伸状态。

图1 光缆测试综合成果图Fig. 1 Optical fiber measurement and test integrative results

对比分析三根光缆监测数可知，地层深度84.5～200m范围内，钻孔周围岩土体发生明显的变形，

整体呈现压缩变形，局部为拉伸变形。其压缩变形较为微小，压缩应变整体小于-500με。根据监测数据和图可知，光纤监测数据在0～12m深度范围内由正向应变急剧减小为负向应变。这段范围深度为光缆应变过渡段，受浅表地层受气候温度变化影响和钻孔浅表回填岩土体压缩固结影响而产生。而从图和监测数据可知，在地层定点光缆和20m定点光缆监测曲线上，在约12～25m深度处监测到较大压缩应变情况；钢绞线光缆在该深度范围内基本保持。这表明该区域压缩变形较小，而地层定点光缆和20m定点光缆测试到压缩变形，主要是由于定点光缆成缆工艺与钢绞线光缆不同，定点光缆为半松套光缆，在该层位深度内无定点单元限制，导致光缆纤芯受自身重力自由变形而产生较大的压缩。钢绞线光缆为紧包光缆，应变传递特性较好，直接反应了岩土体压缩变形区域。

表2 两处重要层位监测位移变化数据表Table 2 Displacement change data monitored from two important layers

自2014年2月13日到2014年12月10日以来，监测到岩土体主要在84.5～200m深度范围内产生压缩或者拉伸变形。在84.5～200m深度范围内，岩土体主要产生压缩变形。由测试数据可知，2014年4月23日、2014年7月10日、2014年10月5日三个监测期内变形量增加相对较快；而后一个监测期内（2014年10月5日到2014年12月10日）变形量增加相对较慢。由于缺少相应层位的渗水压力测试数据，暂时无法判定其变形产生原因。对84.5～200m深度处岩土体变形进行积分运算，测算得到总体的位移变形大小，具体见表2所示。84.5～200m范围岩土体为主要监测层位，整体呈现压缩状态。截至2014年12月10日，该段地层内累计沉降量为10.159mm（取三根光缆测试平均值）。

5 结语

经前三期测试数据可知，岩土体主要变形区为84.5～200m深度范围，该段地层内累计沉降量约为10.159mm（取三根光缆测试平均值），与前期水准仪测量10mm/a基本吻合，分布式光纤监测在阜阳地面沉降中作为监测工作基本可靠。此深度区域为主要变形区域，为主要监测层位。在该变形区域，岩土体主要呈现压缩状态，并且不断压缩变形，其压缩变形不断增大。前五期监测数据只能反映一个监测周期内的岩土体状态，待采集到更多的监测数据，岩土体变化规律更明显，更具有客观性。

［1］ 王秀艳，张云.渗透释水规律在深层粘性土变形沉降预测中的作用［J］.地理与地理信息科学，2003，19（06）.

［2］ 杨则东.安徽省阜阳市地下水开采利用现状及其引发的地质环境问题［J］.安徽地质，2007，17（2）：138.

［3］ 郭荣 ，陈伟，李琴，阜阳市地面沉降研究和防治的若干问题［J］.安徽地质，2010，20（ 4 ）：300.

APPLICATION OF DISTRIBUTED OPTICAL FIBER IN MONITORING OF GROUND SUBSIDENCE IN FUYANG

WEI Kun
（Geoenvironment Monitoring Station of Anhui Protection， Hefei， Anhui 230001， China）

∶ Distributed optical fiber monitoring is that optical fiber is used as sensing medium， along with advanced OTDR technology to detect strain of soil layer at different location along the fiber， achieving real distributed surveying. Ground subsidence in Fuyang is resulted from excessive depletion of groundwater in the urban area of Fuyang City that leads to water level drop， and consolidation and compaction of soil layer in a large area in the normal consolidation and overconsolidation［1］ soil layer zone. Geological Surveying Institute of Anhui Province， Surveying Institute of Fuyang City and Institute of Geological Survey of Anhui Province made a great deal of elevation surveying work in the area， only found out the scope of ground subsidence and vertical settlement， and disagreed on the formation mechanism and change in each compression layer. Distributed optical fiber monitoring can accurately measure the change of each compression layer providing scientific basis for prevention and treatment of ground subsidence in Fuyang.

∶ distributed optical fiber monitoring； ground subsidence； monitoring and application

P642.26；TN913.7

A

2016-01-05

魏坤（1970-），男，安徽蚌埠人，工程师，现主要从事地质环境监测技术工作。

1005-6157（2016）02-0135-3