浅谈边坡工程中光纤传感监测系统及其应用

魏石磊 燕 韬 龙 建 彭培洪

（贵州道兴建设工程检测有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

山地和丘陵地区工程建设往往会存在较多的边坡工程。在边坡工程施工中，如果没有做好监测工作，无法判断边坡的稳定性，可能会存在较大的安全隐患。边坡一旦发生滑坡，会形成十分严重的灾害。因此，对边坡的监测对于建设工程的安全防控至关重要。通常采用光纤传感技术对山体滑坡进行监测和预警，可以较大程度地降低或避免滑坡破坏。光纤传感技术因其具有高稳定性、高灵敏度、高分辨率等优点，在工程监测方面应用效果良好，本文将对此进行分析介绍。

1 光纤传感技术概述

1.1 光纤传感系统的原理

光纤传感系统主要是由光源、传感器、光纤、光电探测器和信号处理组成。光源是一种对信号进行传输的发射装置；传感器接收外部的信号，类似于一个调制者；光纤是传递媒介，承担着传递的任务；光源检测器对讯号进行转换，把光学讯号转化为电子讯号；信号处理的作用是将外部的信息进行恢复，其作用类似于解调器，是目前光纤传感系统的一个重要组成部分。

1.2 光纤传感技术的优点

与传统的电阻式传感技术相比，光纤传感技术具有十分明显的优点。

（1）光纤传感技术可以实现对工程边坡的分布式监测，监测过程中只需要输入光源，且电磁因素不会对其形成干扰，具有较高的监测精度以及良好的稳定性，能够满足边坡工程变形的监测需要。

（2）光纤传感技术还能够对边坡实施远程监测，应急处理系统以及管理系统可以与监测系统通过网络连接。

（3）当施工的边坡工程处于恶劣的环境中，也可以应用光纤传感技术，并且还能实现无人监测，普通的传感器几乎无法达到这样的监测效果。分布式或者准分布式光纤传感器，除了能够监测边坡的变形情况以外，还可以确定边坡所在的位置，利用一根光纤就可以准确地测量出边坡变形参数的分布状态，从而实现实时监测边坡的目的。

2 光纤传感监测系统的组成与布设

2.1 光纤传感监测系统的组成

光纤传感监测系统主要由三部分组成：第一部分是信号传输与采集系统，第二部分是数据处理与监测系统，第三部分是光纤传感系统。其中，光纤传感系统中所用光纤主要是由光纤芯、包层和涂覆层组成。组成光纤芯的主要成分是二氧化硅，此外也包含了少量的掺杂剂。添加二氧化锗等掺杂剂可以有效提高光纤中纤芯的折射率，进而形成全内反射的弱导光纤，能够将光有效地限制在纤芯中。光纤芯的涂覆层一般采用硅橡胶或环氧树脂等材料，可以增强光纤的机械强度、耐老化性以及柔韧性。

2.2 光纤网络的布设

将若干个节点通过光纤连接成面状网络就可以形成光纤网络，所有节点的连接需采用特定的布设方法，以便实现简化后数据化接入的目的。结合工程边坡的实际情况，一般会将节点安置在土体表面以下的某些位置，也可以直接将节点布设在岩体的表面，常常选择锚杆进行固定。利用固定剂可将光纤直接固定在节点上，从而将位于工程边坡岩土表面的各个节点连接并形成网络，由此可以实现监测边坡岩土体表面变形的目的。将锚杆与光纤进行结合使用，可以在地梁中植入光纤。利用锚杆对节点进行固定，既能够起到监测边坡变形的作用，还能够起到加固边坡的目的。

3 边坡工程中常用的光纤传感监测技术

3.1 BOTDR监测技术

（1）BOTDR 监测技术原理。是一种分布传感的光纤监测技术，在监测的时候，光纤既具有传感器的功能，又具有传递的功能，无需再设置传输线。通过BOTDR监测技术，可以获得任意位置的应变值，该方法十分简便，结果直观。BOTDR监测技术具有集成光导纤维技术的特点，同时还具有其他的优势，如能够适应隧道、堤坝等长距离施工的需要，可以实现从数公里到数十公里，甚至上千公里的监测[3]。

（2）传统监测设备特点。只能获取全部的变形数据，但需要大量的数据处理；能够达到远距离监测，在一些环境较差的项目中，通常监测人员不能频繁地到施工场地工作；能够实现动态实时监测主要采用常规的单模纤维作传感器件。而BOTDR检测技术不需要经过特别处理，也就是用常规的单模光纤做传感媒介，性价比十分高。目前，光纤的成本并不高，一根光纤可以布设几百个甚至数千个的测点。这样，每个测量点的成本就大大降低了。分布式传感光纤监测装置能够将测量到的各参量沿光纤的纵向长度呈连续的展示，也就是说，每一根光纤中的任意一个点都是一个“传感器”，其获取的信息量堪称庞大。

（3）粘贴式与植入式是边坡工程中常用的光纤固定方式。在边坡工程监测中，需要选择有效的粘合剂才能将光纤很好地固定在坡体上。监测岩土介质比较松散的工程边坡，可以采用的固定光纤的方式一般为植入式，主要是因为植入开挖施工比较容易，但是由于边坡的环境往往属于开放状态，边坡介质材料的差异相对较大。因此，BOTDR监测技术应用于边坡工程监测时，光纤的保护成为植入式施工中的重点问题。虽然采用植入式的固定方式在光纤和监测体同步协调变形方面的效果非常良好，但是这适合在几何外形规范或者是材质较为均匀的监测物体中应用。为了保证光纤能够与监测体同步协调变形，可引入分布式监测理念，采取夹固定点的方式固定光纤，光纤通过夹具被固定在坡面上，可实现坡面协调同步变形。

3.2 光纤光栅技术

光纤光栅技术主要是应用布拉格光栅对特定波长光的反射原理实现传感。光纤光栅技术在边坡监测中应用有着较为明显的技术优势，其监测精度高、可集成性高、数据采集频率高。光纤光栅制造、调节技术逐渐成熟，也使得光纤光栅技术在边坡监测工作中被广泛应用。边坡监测工程中应用光纤光栅技术，容易受到光纤特殊制作工艺的影响，如果处于较为恶劣的环境当中，容易出现损坏的情况。因此，为了保证光纤光栅技术能够有效对边坡进行监测，需要做好细致性保护措施。此外，光纤光栅对温度变化也较为敏感，如果将其应用于边坡长期监测当中，不能忽略其交叉效应，因此需要采取合适的温度补偿措施，才能够保证光纤光栅技术在边坡监测中的应用效果。常用的温度补偿方式主要有两种：直接补偿与间接补偿[5]。

（1）直接补偿主要是将光纤直接当做传感器，使光纤始终处于松弛状态。如果应力场一直处于不变的情况，可以用应变分析仪的测量结果作为温度补偿的数值。在进行光纤监测系统施工时，需要在铺设光纤的同时再铺设一根松弛的光纤，就可以实现整个光纤系统的温度补偿。

（2）间接补偿最大的特点就是采用了测温计，同时还进行了温度系数的标定，并利用转换公式计算得出了补偿的数值。由于间接补偿方式采用了温度系数的标定和换算公式的计算，存在着较大的误差。如果进行大规模的原位监测，更是需要大量的温度测量器，在现场进行操作更是难上加难。在实际监测工程中，几乎很少采用间接温度补偿的方法。

光纤光栅技术在边坡工程监测中的应用，应将光纤光栅传感粘贴或者是埋入到边坡支护结构当中，可实现对边坡的精准预测。光纤光栅可替代传统的传感元件，具有较高的精度和稳定性，可保证边坡监测结果的准确性和有效性。

3.3 分布式光纤传感技术

通过现场测试可以排除岩土介质参数取值等问题，从而判断出滑坡的推力。当前使用的监测方式多为点式监测。将钢筋计或者土压力计等点式的传感器布设在抗滑桩内，可以对滑坡推力施加于桩体上的压力分布情况进行分析。采用点式的测量仪不仅难以安装，埋设设备的成功率也较差，且检测的准确度也较差，即使设置了大量的监测点，也难以准确地反应出滑坡推力沿深度的分布情况。

通过对抗滑桩的受力特性的分析，可以将其视为一种受弯构件。对桩前后纵向应变情况进行监测，通过合适的计算方式可以确定其受力特性。现阶段，边坡工程抗滑桩以钢筋混凝土为主要材料，因为材料较为均匀，不会对纤维产生较大的剪切力，钢筋的刚度一般较大，在进行混凝土的浇灌时，通常不会发生变形或者是移位。混凝土也具有较好的粘结作用，利用混凝土可以有效地将钢筋与光纤粘合起来。在混凝土凝固以后，钢筋与光纤之间可以实现同步的变形。抗滑桩会受到边坡滑坡的推动力，主钢筋主要承受拉应力，混凝土主要承受压应力，抗滑桩会产生相应的轴向拉应变和压应变。根据光纤抗滑桩材料以及监测技术的特点，将光纤植入抗滑桩内部，可以实现边坡抗滑桩变形情况的监测，进而可以推测边坡是否变形。

抗滑桩施工阶段，需将光纤和抗滑桩主筋连接在一起，连接后光纤和抗滑桩成为一个整体，会同步发生变形。光纤与受力主筋相互连接，出现裂缝等问题后，可保证光纤与钢筋产生同步变形，监测期间可感受到钢筋的应力变化。

分布式光纤传感技术应用过程中，会对抗滑桩浇筑完成、混凝土结构收缩以及开始发挥抗滑作用整个过程进行变形监测。光纤铺设时要选择合适的方式将光纤铺设在合适的位置，实现对抗滑桩不同深度位置应变力的全面有效的监测，由此掌握抗滑桩的受力状态，对边坡滑坡治理整个过程进行连续监测，评价抗滑桩工作状态，保证抗滑桩的安全性。

4 结束语

综上所述，边坡工程监测中应用光纤传感技术，能够提高边坡工程监测效率，对于保证边坡工程安全性和稳定性有着积极的作用。光纤传感技术正处于不断优化和发展的阶段，未来可应用在多种复杂边坡监测工程中，监测质量也会不断提升。提高边坡监测水平，能减少安全事故的发生，今后应加强光纤传感技术在边坡工程监测中的推广和应用。