土體深部變形分布式光纖測量方法和系統的製作方法

2023-12-10 00:52:36 3

專利名稱：土體深部變形分布式光纖測量方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於巖土工程監測技術領域，涉及一種基於分布式光纖傳感技術的巖土體深部變形監測方法和測量系統。
背景技術：
目前，用於深部巖土體變形監測的方法很多，通過埋設測斜管，使用測斜儀測量巖土體變形是基坑、邊坡等巖土工程變形監測的常用方法。當巖土體發生位移時，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為巖土體的位移量。然後，通過將測斜儀探頭沿管內導槽插入測斜管內，緩慢下滑，按取定的間距逐段測定各量測段處的測斜管與鉛直線的傾角，就能得到土體不同深度的水平位移。
當巖土體變形加劇，測試導管彎曲度變大後，移動式測斜儀無法通過導管而使監測中斷，無法滿足中後期鑽孔局部大變形的測試要求。移動式測斜要求測斜導管內腔儘量光滑規則，粘有泥沙將導致測斜儀的讀數誤差。此外，導管扭曲或者導管接頭不對時，會使導輪偏離導槽甚至跳到另一組導槽中，此時，記錄的數據很不可靠。儘管移動式測斜探頭的精度較高，但上述原因均會造成了移動式測斜的可靠性降低。

發明內容
針對移動式測斜存在的問題，本發明的目的在於，提出一種基於分布式光纖傳感技術的巖土體變形的固定式測斜方法及系統。
本發明的目的是這樣實現的在測斜管的外壁凹槽內並行粘貼兩條光纖，其中一條為緊套光纖，拉緊後粘貼於管壁，另一條為松套光纖，松馳地粘貼在同一位置，應變量和溫度的傳感均基於布裡淵背向散射，散射光的頻移與光纖的應變和溫度變化呈很好的線性關係，在脈衝光的入射端，通過對接受到的布裡淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布裡淵頻移的測量和定位功能；根據布裡淵頻移與應變和溫度之間的線性關係，可以得到測斜管外表面的應變分布和溫度分布，去掉溫度的影響，就得到測斜管的應變分布。設管底為不動點，對上述應變分布進行積分運算就得到測斜管的變形或撓度，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移而發生變形，得到巖土體的位移。
土體變形分布式光纖監測系統，由測斜管、分布式光纖傳感線路、布裡淵背向散射光數據採集設備、計算機和數據處理模塊構成；沿著測斜管設有凹槽，緊套光纖拉緊後粘貼於槽內管壁，另一條松套光纖松馳地粘貼在同一位置，測斜管構成分布式光纖傳感線路；布裡淵背向散射光數據採集設備BOTDR通過GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信。
具體而言在埋設測斜管之前，在測斜管的外壁凹槽內並行粘貼兩條光纖，其中一條的緊套光纖，用於測斜管外壁應變量的傳感，另一條為松套光纖，作為測斜管所處位置的溫度傳感器，用於溫度補償。應變量和溫度的傳感均基於布裡淵背向散射技術。光脈衝在光纖中傳播時，會發生布裡淵散射，其中一部分散射光會沿光纖原路返回至脈衝光的入射端，這部分光被稱為布裡淵背向散射光。布裡淵背向散射光的頻移與光纖的應變和溫度變化呈很好的線性關係。當巖土體發生位移時，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移而發生變形，粘貼在測斜管外表面的光纖能夠感應到測斜管的變形。在脈衝光的入射端，通過對接受到的布裡淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布裡淵頻移的測量和定位功能；根據布裡淵頻移與應變和溫度之間的線性關係，可以得到測斜管外表面的應變分布和溫度分布。假定管底為不動點，通過對上述應變分布進行積分運算就可以得到測斜管的變形或撓度，即巖土體的位移。
基於上述技術思路，本發明構建的監測系統的工作流程是，該系統由以下幾部分組成測斜管、分布式光纖傳感線路、數據採集設備、計算機控制模塊、數據處理模塊。測斜管就採用傳統移動式測斜技術的測斜管；採用粘結劑將傳感光纖(包括應變量傳感光纖，即緊套光纖，和溫度傳感光纖，即松套光纖)粘貼在測斜管外表面的導槽內，構成分布式光纖傳感線路；數據採集設備則採用一臺BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer布裡淵光時域反射計)，得到傳感光纖的應變分布和溫度分布；利用BOTDR提供的GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信，BOTDR的工作狀態既可以通過手工控制，也可以受計算機控制，實現完全自動化的數據採樣和處理；得到的數據文件既可以存貯在BOTDR內置的硬碟上，也可以通過BOTDR的通信接口傳送至計算機內，由數據處理模塊對這些數據文件進行分析和計算。
本發明的最大特點是提供了一種利用分布式光纖傳感技術實現深部巖土體變形固定式測量系統。這種系統的第一個優點是利用光纖的特性可以實現遠距離監測；第二個優點是可以將多個測斜孔串接，實現分布式監測；第三個優點是由於使用了光纖和光信號，可以在潮溼、酸鹼等的惡劣環境下使用；第四個優點是可以實現自動監測，可以比較迅速地獲得巖土體變形或位移的變化規律，異常情況下可以報警；第五個優點是這種固定式測量系統可以克服移動式測斜的一些缺陷，省時，省力。
四

圖1是測斜管接頭處傳感光纖的布置；圖2是本發明的一個實施例的系統框圖；圖3分布式光纖傳感器與百分表的實測撓度對比圖；五具體實施方式
下面結合附圖和本發明依技術方案所完成的實施例，對本發明作進一步的詳細描述，本發明不限於這些實施例。
本發明是一個土體變形的固定式測量系統，涉及基於分布式光纖傳感技術的深部巖土體變形監測方法及系統，包括以下步驟1)沿測斜管外表面的兩道凹槽分別並行布設兩條傳感光纖，一條為緊套光纖，另一條為松套光纖，分別對測斜管外表面的應變和溫度進行測量；2)將兩道凹槽內的緊套光纖和松套光纖分別在管底處熔接，由地面上的管口處引出，可以在引出的光纖上熔接尾纖進行單獨測量，也可以將若干個測斜管相互熔接，串接在一條光纖線路上，並最終接至BOTDR；3)使用BOTDR測量傳感光纖的應變分布和溫度分布，獲得測斜管外表面的應變分布。BOTDR儀器本身具有操作面板，因此，儀器的採樣過程可以手動控制。另外，儀器本身具有GPIB接口，因此，儀器可以和計算機連接，由計算機對採樣過程進行控制；4)BOTDR採到的數據可以存儲在計算機的內部，也可以通過儀器的網絡接口和計算機連接，利用計算機強大的運算功能對數據進行計算和分析，獲得測斜管不同深度處的撓度，從而得到測斜管周圍巖土體的位移量。
本發明的傳感光纖有兩路，一路為緊套光纖，用於測量測斜管的應變。但由於光纖同時對溫度變化也敏感，因此，需要同時布設溫度傳感線路。這裡，採用松套光纖作為溫度傳感線路。通過在光纖的一端注入脈衝光，光纖上各個點均會發生布裡淵散射，其中一部分散射光沿光纖原路返回至入射端，進入光探測器，轉換為電信號後，經過放大、濾波等一系列的信號處理，得到光纖上採樣點處的布裡淵散射光頻移，由頻移與光纖應變之間的線性關係，獲得光纖的應變分布。上述過程由BOTDR完成，計算機通過GPIB接口向BOTDR發送控制指令，獲取儀器的工作狀態，得到的數據文件由網絡接口導入計算機，由電腦程式對這些數據進行計算和分析。深部巖土體的變形會帶動測斜管發生同步變形，變形後的測斜管其應變狀態會隨之改變，通過對測斜管的應變分布進行相應的分析，就可以反求測斜管的變形或撓度，進而得到巖土體的位移。
上述分布式光纖傳感系統，以普通的測斜管為媒介，用於深部巖土體的一種固定式測量系統。
上述分布式光纖傳感系統，光纖作為傳感器使用，同時也作為傳輸媒介，即測斜管與測斜管之間，測斜管與BOTDR之間的光傳輸線路。
上述分布式光纖傳感系統，背向散射光檢測模塊是一臺BOTDR(BrillouinOptical Time Domain Reflectometer布裡淵光時域反射計)，獲得光纖上各個採樣點的布裡淵散射光頻移，利用BOTDR提供的GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信和數據交換。上述分布式光纖傳感系統，由計算機軟體自動對獲得的數據進行計算和分析，得到測斜管的變形或位移，當位移超過設計值，給出報警提示。
上述分布式光纖傳感系統，傳感光纖的直徑為0.9mm的單模光纖，以緊套光纖作為應變傳感器，以松套光纖作為溫度補償傳感器。
參見圖1，圖1是本發明在測斜管接頭處傳感光纖的布纖方式。傳感光纖是預先粘貼在4m或2m一段的測斜管上，為了便於測斜管的埋設，布纖遇有測管接頭位置時，在靠近管頭的位置打一小孔，傳感光纖由小孔穿入測斜管內，套好接頭後，穿入另一根測斜管內，最後由另一跟測斜管的管頭處的小孔穿出，並粘貼於測斜管外表面的凹槽內。
參見圖2，圖2是本發明的實施例的系統框圖。將粘貼好傳感光纖的測斜管由鑽孔埋入地下，使用光纜將各個測斜管熔接在一條光纖線路上，將光纖的一端接至BOTDR。BOTDR的採樣過程通過GPIB接口由計算機控制，得到的數據文件由網絡接口傳入計算機，由電腦程式對這些數據文件進行計算和分析，最終獲得測斜管的變形或撓度，即深部巖土體的位移。
參見圖3，對一段2m長的測斜管進行彎曲試驗，模擬測斜管變形，分別採用分布式光纖傳感技術和百分表測量變形後測斜管的撓度，試驗結果示於圖3。測斜管1、傳感光纖2、接頭3、小孔4。
權利要求
1.土體深部變形分布式光纖測量方法，其特徵是在測斜管的外壁凹槽內並行粘貼兩條光纖，其中一條的緊套光纖，拉緊後粘貼於管壁，用於測斜管外壁應變量的傳感，另一條為松套光纖，松馳地粘貼在同一位置，作為測斜管所處位置的溫度傳感器，用於溫度補償；應變量和溫度的傳感均基於布裡淵背向散射，散射光的頻移與光纖的應變和溫度變化呈很好的線性關係，在脈衝光的入射端，通過對接受到的布裡淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布裡淵頻移的測量和定位功能；根據布裡淵頻移與應變和溫度之間的線性關係，可以得到測斜管外表面的應變分布和溫度分布，去掉溫度的影響，就得到測管的應變分布。
2.由權利要求1所述的土體深部變形分布式光纖測量方法，其特徵是以管底為不動點，對上述應變分布進行積分運算就得到測斜管的變形或撓度，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移而發生變形，得到深部巖土體的位移。
3.土體深部變形分布式光纖測量系統，測斜管採用傳統的移動式測斜管，其特徵是該系統由以下幾部分組成測斜管、分布式光纖傳感線路、布裡淵背向散射光數據採集設備、計算機和數據處理模塊構成；沿著測斜管設有凹槽，緊套光纖拉緊後粘貼於槽內管壁，另一條松套光纖松馳地粘貼在同一位置，測斜管構成分布式光纖傳感線路；布裡淵背向散射光數據採集設備BOTDR通過GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信和數據交換。
4.由權利要求3所述的土體深部變形分布式光纖測量系統，其特徵是光纖遇有測管接頭位置時，在靠近管頭的位置打一小孔，傳感光纖由小孔穿入測斜管內，套好接頭後，再穿入另一根測斜管內，最後由管頭的小孔穿出，粘貼於測斜管外表面的凹槽內。
5.由權利要求4所述的土體深部變形分布式光纖測量系統，其特徵是將測斜管外壁凹槽對準欲測量方向，而不是在傳統的測斜中將測斜管內壁某一對凹槽對準欲測量方向。
6.由權利要求3所述的土體深部變形分布式光纖測量系統，其特徵是上述分布式光纖傳感系統，傳感光纖為直徑為0.9mm的單模光纖，以緊套光纖作為應變傳感器，以松套光纖作為溫度補償傳感器。
全文摘要
本發明是一個土體深部變形的固定式測量方法和系統，該測量系統由測斜管、分布式光纖傳感線路、數據採集設備、計算機控制模塊、數據處理模塊等幾部分構成。它採用基於自發布裡淵散射原理的分布式光纖傳感技術，通過將傳感光纖按照全面粘貼的方式鋪設在測斜管的外表面，然後將測斜管埋設在土體中，用於測量土體的變形或位移。當深部土體發生位移，土體將帶動測斜管發生變形，測斜管外壁的應變量也隨之變化，採用BOTDR可以直接測量出粘貼在測斜管外壁的光纖的應變分布，數據的採集過程由計算機控制模塊實現，採集到的數據同樣由計算機控制模塊導入數據處理模塊，按照一定的算法計算出測斜管的變形量，從而得到土體的變形或位移。
文檔編號G01B11/02GK1598479SQ20041004199
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月15日 優先權日2004年9月15日
發明者施斌, 張丹, 丁勇, 崔何亮, 徐洪鐘, 索文斌, 張巍, 高俊啟, 劉傑, 王小明 申請人:南京大學