光纤光栅技术在边坡安全监测中的应用

蔡煜杰，张碧华

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650031；2.北京菲博泰光电科技有限公司，北京 100043）

公路铁路、轨道交通和基坑开挖等建设中，涉及各式各样的边坡工程。降雨、季节性冰冻等外界因素会对边坡造成损伤而产生滑坡，对边坡进行全面监测是降低事故发生概率的有效方法。以往边坡监测是传统的人工测量和布设简单的监测仪器，目前可通过光纤光栅传感技术对边坡进行实时可持续性的监测。本文分析了传统监测技术的不足，提出了一套完整的边坡监测系统，使得边坡监测更具可靠性。

1 光纤光栅传感原理

光纤光栅传感器是光纤传感技术中最典型的传感器，其结构如图1 所示。

图1 光纤光栅传感器结构示意图

当外界环境变化时（如温度和应变发生变化时），光纤光栅传感器的反射光谱会发生变化，即中心波长会发生一定的漂移量，反射谱中心波长的漂移量计算表达式如下

其中，λB为光纤光栅中心波长；neff为光纤纤芯有效折射率；Λ 为光栅栅格周期。当外界环境变化时，会导致neff和Λ 发生变化，从而导致λB发生变化。因此，可以根据中心波长的变化量来确定外界环境参量的变化，从而达到测量外界环境参量的目的[1-3]。

2 边坡监测技术的对比分析

目前，滑坡监测主要是对坡体的变形进行监测，然而边坡是一个相对复杂的系统，外界对边坡的作用可以划分为应变场、应力场、变形场、温度场、渗流场、化学场等等。而传统的监测对这些物理参数的监测相对割裂，无法形成统一化的系统分析；传统的传感器多为植入式传感元件，这些传感元件主要由金属材料制成，对防水、防腐蚀、防酸等要求较高，但是耐久性一般，容易受到各类电磁干扰，测得的数据可靠性较低。

光纤传感系统的安装相对简便，光纤可以覆盖较大区域，减少了传统监测设备的密集安装需求。这使得在边坡范围内布设传感器更加灵活，适应性更强。其次，系统的多参量监测能力使其能够提供全面的数据，帮助监测人员全面了解边坡的状况。这种综合监测有助于更准确地判断边坡的健康状况，为及时采取预防措施提供了有力支持。另外，光纤传感系统的远距离传输能力使得数据可以远程传输和监测，无需人员亲临现场。这为实现远程监控、实时预警和远程管理提供了方便，提高了边坡监测的效率和实时性。

在成本方面，尽管光纤传感监测系统的初期投资可能较高，但安装和维护方面的成本相对较低，覆盖区域较大，减少了传统监测设备的密集布置和维护工作。系统能够提供广泛、实时的数据，有助于及早发现边坡问题，从而降低潜在的灾害风险，进而减少维护和修复的成本。此外，光纤传感系统寿命长且不容易受外部环境影响，进一步降低了整体的运营成本。总体而言，光纤传感监测边坡在可操作性上具有灵活性、全面性和远程性的优势，使其成为现代边坡监测中的可靠选择。从长远来看，在经济和技术方面都具有优势。

3 边坡监测光纤光栅传感器

3.1 光纤光栅离层传感器

光纤光栅离层传感器主要是监测边坡稳定层和滑动层相对移动的位移量。边坡离层传感器主要是由锚头、锚绳、光纤光栅支架组成。使用时将锚头浇筑到边坡内部稳定区域，光栅支架安装在坡体表面，用锚绳将锚头和支架相连。当边坡表面发生滑动时，滑动的锚绳会发生移动，从而导致传感支架上的光纤光栅受力发生变化，引起波长的变化。通过终端数据分析系统的处理即可得到滑坡的位移量，工作原理如图2 所示。

图2 光纤光栅离层传感器工作原理示意图

3.2 光纤光栅锚杆应力传感器

光纤光栅锚杆应力传感器主要用于测量边坡支护锚杆的受力情况。锚杆应力传感器固定在锚杆的锚段，将锚杆、锚索从传感器压力环孔中穿过，如图3 所示。传感器夹在托盘和紧固螺母之间，当锚杆受力变化时，在锚杆托盘和紧固螺母之间的光纤光栅受力发生变化，引起波长的变化。通过终端数据分析系统的处理即可得锚杆上应力变化大小。如果锚杆上应力持续变大，则说明边坡处于不稳定状态。

3.3 光纤光栅FRP智能锚杆

光纤光栅FRP 智能锚杆可监测边坡不同地质分层对支护锚杆的作用力分布情况。光纤光栅FRP 智能锚杆是将光纤光栅内置于不同规格的FRP 锚杆内，通过观测埋入式在锚杆内部的多支光线光栅传感单元的受力情况，并依据锚杆力学和边坡地质分层结构，经过终端数据处理便可以得到锚杆全场范围内的应变、轴力、弯矩、剪力等数据，如图4 所示。使用这些力学数据便可以分析边坡工作状态及边坡安全状况，对锚杆支护的安全施工及设计参数优化具有重要意义。

图4 光纤光栅FRP智能锚杆工程应用图

3.4 光纤光栅渗压计

如图5 所示，光纤光栅渗压计可监测有河流、暗流、悬湖等地段边坡的岩土孔隙被渗流侵蚀的情况。光纤光栅渗压计采用独有的压力弹性元件作为传感基底，专为精确测量完全饱和或者部分饱和土壤和岩石中的小孔水压而设计。设计应用于测量流体的压力，如埋入坝体、填土内监测其地下水位及孔隙水压力，也可安装在钻孔、测井或测压管中。

图5 光纤光栅渗压计工程应用图

3.5 光纤光栅倾角计

如图6 所示，光纤光栅倾角计用于对边坡整体倾斜的实时监测，将传感器布设于测斜管内部，传感器通过底座打孔安装。当坡体发生倾斜时，会引起光纤光栅的受力变化，导致波长变化。通过终端数据分析系统的处理即可得坡体的倾斜程度，便可以对坡体进行相应的治理。

图6 光纤光栅倾角计工程应用图

4 数据分析与安全评估

在光纤光栅边坡监测系统中，传感子系统、数据采集与传输子系统在边坡现场完成。现场光纤光栅信号处理器将现场数据通过4G 等无线方式传输到监控中心数据服务器上，在数据服务器上完成数据处理和数据管理工作。

安全评估子系统主要对数据预处理并存储在数据库，进行自动分析和评定，以确定边坡稳定性评估。在边坡发生异常和监测信号超过规定的安全阀值时，自动进行安全预警，以便采取相应的预案。其主要功能包括：①对数据历史趋势进行分析和对比，发现危险端倪；②分析记录缝隙长期发展变化趋势；③分析记录各锚杆受力长期发展变化趋势；④评估温度变化对边坡状态的影响特性；⑤评估雨量、水位对边坡状态的影响特性；⑥对边坡明显失稳，传感器明显超出阈值的情况发出报警预警信号；⑦定期并生成报告提供给养管部门。

可根据边坡安全评估结果动态调整监测策略，如表1 所示。

表1 边坡安全评估动态监测策略

5 结论

综上所述，光纤光栅传感技术可以实时可持续性地监测边坡的变形、锚杆的内力、边坡的土压力、边坡的倾斜、边坡内部岩土体的水压力、渗透率等，再经过传输模块传输至数据处理中心，对各个参量进行集成化的监测分析，相对于传统的边坡监测，光纤光栅边坡监测系统可以准确、高效给出边坡的预警和治理方案等措施，为工程建设安全施工运维保驾护航。