基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統的製作方法

2023-05-09 18:29:26

專利名稱：基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統。涉及測量應力、 溫度的測量及管道系統技術領域。
背景技術：
滑坡是指構成斜坡的巖土體在重力作用下伴隨其下部軟弱面上的剪切作用過 程而產生整體運動現象。滑坡災害是造成人類生命財產損失的地質災害的主要形 式之一。長距離輸油或輸氣管道輸送距離可達數千公裡，穿越眾多地質地貌單元， 常不可避免地要穿過地質條件複雜的地區，如山區、凍土區等。因為選線的不充 分或管道建設誘發滑坡或地震誘發滑坡等原因，在山區敷設的管道有可能在活動 滑坡體內通過，管道的安全運營遭受這些活動滑坡的嚴重威脅。這些有可能要威 脅管道安全的滑坡稱之為管道滑坡。
在過去四十年的管道運輸歷史中，以滑坡為主的地質災害曾多次造成管道事
故。歐洲天然氣管道事故數據小組(EGIG)調查的1970年到2001年的西歐管道 事故中，7%是由地質災害導致的；美國交通部統計的1984年到2001天然氣輸送 數據表明，8.5%的事故是由地質災害引起的；加拿大國家能源委員會調查顯示影 響加拿大運營的管道事故的12%是地質災害導致的。1987年3月由地震導致的巨 型滑坡使橫貫厄瓜多管道發生40km長的斷裂，停輸兩個星期，經濟損失達7 億美元。1995年及1996年冬天，由於華盛頓西部的特強降雨誘發滑坡，導致美 國西北輸氣管線三處管道發生斷裂。
我國的管道工業正處在蓬勃發展之中，這些管道大多將我國西部豐富的石油 天然氣輸送到我國的東部，而我國的西部、西南部集中了我國大多數山地，管道 就不可避免地要穿越地質災害嚴重地區。忠武輸氣管道忠縣-宜昌409公裡段處於 渝東鄂西山區，山峰層巒疊嶂、高差顯著，地形、地質條件複雜，發育有多組地 質災害易發巖層，是滑坡、危巖崩塌的頻發地段。2003年建成投產的蘭成渝成品 油管道蘭州至廣元段，構造活躍，巖性破碎，地形切割發育，投產後投入巨資用 於地質災害防治，但2007年的調查顯示威脅管道安全的地質災害仍有530處之多。 西氣東輸工程幹線總長約4000公裡，遭受各種地質災害嚴重威脅，其中查明的滑 坡災害達39處之多。面對眾多的管道滑坡災害，我國的管道運營公司經常釆取積極的工程治理措 施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工程也並非"一 勞永逸"，設計施工的不確定因素較多，再者治理的周期長。而監測則是一種高效、 低成本的防治措施。義大利SNAM公司將監測管道作為防治滑坡災害的主要方式， 他們對管道進行了長達三十年的監測，成功避免了大量的管道事故。我國的西氣 東輸、忠武線等管道投產後對滑坡也進行有效的監測。
傳統的滑坡深部位移監測主要釆用多點位移計或鑽孔測斜儀，表部變形釆用 全站儀或GPS手段，這些方法的實時性都較差，難以滿足滑坡監測長期實時的要 求。傳統的管道應變監測以電阻式應變計、振弦式應變計為主，在耐腐蝕、抗幹
擾方面較差，穩定性也難以滿足要求。近年興起的分布式光纖傳感技術(以B0TDR 為代表)在滑坡或管道監測已有一定的應用。
目前的這些監測方式均局限於對滑坡(致災體)或管道(承災體)進行獨立 監測，還未對滑坡及其影響下的管道進行系統的聯合監測。聯合監測不僅能判斷 滑坡的活動情況、發育發展規律、破壞機理，還能查明滑坡對管道的影響方式和 程度，更重要的是能掌握鋼質管.道的應力位移變化規律，判斷管道的安全等級。 綜合以上的信息，就能對管道滑坡進行安全預警，提前預報管道的危險狀態，為 減災方案的設計實施提供依據。聯合監測代表了管道滑坡監測的趨勢。

實用新型內容
本實用新型的目的是設計一種空間解析度高、成本低的基於光纖光柵的管道 滑坡監測預警系統。
本實用新型提出了 一種基於光纖光柵傳感技術的管道滑坡監測預警方法和系 統及其構建方法。這種系統釆用光纖光柵傳感技術，對滑坡及其影響下的管道進 行聯合監測，監測內容包括滑坡深部位移監測、滑坡表部位移監測、滑坡對管道 的推力監測及管道應變監測。並構建了監測系統，實現了數據的實時自動釆集、 遠程傳輸和自動分析。
光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG，簡稱光纖光柵)是近20年來
迅速發展起來的微光學元件，是利用光纖中的光敏性製成的。所謂光纖中的光敏 性是指雷射通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的 特性。而在纖芯內形成的空間相位光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄 帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。
光纖光柵傳感是一種在由光纖刻制而成的波長選擇反射器，其背向反射光中心波長&與光柵周期a和纖芯折射率 〃有關，即
FBG光纖光柵傳感的基本原理是，當光柵周圍的溫度、應變、應力或其它待 測物理量發生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵的 中心波長產生位移a^，通過檢測光柵波長的位移情況，即可獲得待測物理量的 變化情況。即
a;^ =夂￡ + .厶r
式中&為應變傳感靈敏度係數，^為光纖光柵溫度傳感靈敏度係數。
對於FBG纖芯為純石英的情況，^為lpmAie,/為10pm廠C。光纖材質、 寫入工藝和封裝材料都會影響FBG的應變和溫度傳感靈敏度係數，應用前必須對 以上參數進行標定。
光纖光柵可製成各種傳感器件，在傳感領域得到廣泛應用。與傳統的電傳感 器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨特的優點l.傳感頭結構簡單、體積小、重 量輕、外形可變，適合埋入各種大型結構中，可測量結構內部的應力、應變及結 拃損傷等，穩定性、重複性好；2.與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、 光損耗低、光譜特性好、可靠性高；3.具有非傳導性，對被測介質影響小，又具 有抗腐蝕、抗電磁幹擾的特點，適合在惡劣環境中工作；4.輕巧柔軟，可以在一 根光纖中寫入多個光柵，構成傳感陣列，與波分復用和時分復用系統相結合，實 現分布式傳感；5.測量信息以波長編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強波 動、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態變化等因素的影響，具較強的抗幹擾能力； 6.高靈敏度、高分辯力。
與廣泛使用的布裡淵光時域反射計BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優點有 l.對測量點能精確定位，解析度高；2.成本低；3.能對傳感部分進行加工、封裝， 使其更適合現場的惡劣環境。
由於這些優點，在巖土工程領域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對 其內部的應變和溫度進行高解析度和大範圍測量，技術優勢非常明顯，尤其體現 在能獲得長期、可靠的巖土體變形數據。目前光纖光柵傳感技術還未用於滑坡的 表部位移或深部位移監測。
本實用新型提出的基於光纖光柵傳感技術的管道滑坡監測預警方法如圖l所 示，是將監測分為滑坡深部位移監測、滑坡表部位移監測、滑坡對管道的推力監 測及管道應變監測四部分。由於滑坡13變形自身的複雜性及其對管道14作用的複雜性，採用多指標預 警的方式對管道滑坡13的安全進行預警。這些指標包括滑面形成、滑坡13的 表部變形量、管道14的附加應變。其中"滑面形成"是定性判斷指標，其餘2 個指標是定量判斷指標。僅當3個指標均達到預警閥值，則對管道滑坡發出安全 預警。滑面15是否形成的判斷依據是滑坡13的深部位移分布曲線上是否有突變 點。"滑面形成"有兩個評語"已形成"、"未形成"，將"已形成"作為預警閥值。 對於典型滑坡13，滑坡13的表部變形量的預警閥值定為5cm/年。管道14的附加 軸向應變閥值受管材、運行壓力、建造溫度、監測前滑坡已給管道14造成的應變、 管道缺陷等的影響。對於缺陷不明顯的X60管道，將管道14的受拉附加軸向應變 閥值定為380"s，受壓附加軸向應變閥值定為-300"s。
本管道滑坡監測預警系統如圖l和圖2所示，是由滑坡深部位移監測裝置、 滑坡表部位移監測裝置、滑坡對管道的推力監測裝置、管道應變監測裝置、現場 監測站、辦公室的接收終端組成。以一定結構形式安裝在滑坡內或管道上的現場 滑坡深部位移監測裝置的測斜管應變光纖光柵傳感器16、滑坡表部位移監測裝置 的地梁應變光纖光柵傳感器20、滑坡對管道的推力監測裝置的土壓力盒應變光纖 光柵傳感器4和管道應變監測裝置的管體應變光纖光柵傳感器3輸出分別接現場 監測站的自動光轉換開關6，自動光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7的輸入， 另外上位計算機8的一端輸出接自動光轉換開關6的一端輸入；光纖光柵解調儀 7的輸出也接上位計算機8的輸入；上位計算機8的輸出接GPRS傳輸模塊9，由 辦公室的接收終端GPRS接收模塊IO接下位計算機11的輸入，下位計算機11的 輸出接報警器12和顯示器。
該系統的電原理如圖3所示，分別監測滑坡深部位移、滑坡表部位移、滑坡 對管道的推力和管道應變的四個光纖光柵傳感器一測斜管光纖光柵傳感器16、地 梁光纖光柵傳感器20、 土壓力盒光纖光柵傳感器4、管體光纖光柵傳感器3的PC 接頭用光纖與光轉換開關6的PC接頭連接，光轉換開關6的R232直接接上位計 算機8的R232，光轉換開關6的PC接頭連接光纖光柵解調儀7 SM125的CH1端， 光纖光柵解調儀7 SM125的LAN埠接上位計算機8的LAN埠 ，上位計算機8 的R232埠接GPRS傳輸模塊9西門子MC35i的R232埠 ， GPRS傳輸模塊9經 天線GSM、 GPRS網絡，被GPRS接收模塊10天線GSM接收後由R232接到下位計算 機11的R232,下位計算機11的輸出由R232接報警器12 DS-7400的R232,下位 計算機11的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。監測滑坡深部位移、滑坡表部位移、滑坡對管道的推力和管道應變的四種光 纖光柵傳感器的輸出信號經逐一導通給光纖光柵解調儀7,光纖光柵解調儀7解 調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量輸給上位計算機8，光轉換開關6給光
纖光柵解調儀7導通信號的周期由上位機控制8。上位計算機8自動計算出各監 測量輸給GPRS傳輸模塊9並接受GPRS傳輸模塊9的信號進行控制，GPRS傳輸模 塊9將上位計算機8計算的各監測量通過公眾無線通信網絡傳輸到位於辦公室的 接受終端GPRS接收模塊IO，也可接受接收終端的信號，發送給下位計算機ll處 理後，由顯示器顯示並由報警器12報警。
滑坡深部位移監測裝置的構成如圖4所示，是測斜管1的測斜管光纖光柵傳 感器16輸出接光轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7輸入, 光纖光柵解調儀7的輸出接現場上位計算機8。而測斜管1上的測斜管光纖光柵 傳感器16是將串聯的光纖光柵傳感器組成傳感器組直接粘貼於測斜管1軸向的外 惻，各測斜管光纖光柵傳感器16的引纖熔接後接至連接光纖。在滑坡13的鑽孔 裡放入粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管1,下放時將測斜管1粘有測斜管光纖光 柵傳感器16的一側朝向滑坡潛在滑動方向。將光纖接頭與光纜5連接，通過光纜 5將信號引到監測站；在監測站，上位計算機8調用自編的程序，控制光纖光柵 解調儀7，實現數據的實時自動釆集。
該裝置的工作原理的是這樣的(如圖4所示)，當滑坡13沿滑動面15下滑時， 測斜管1受到滑坡13推力而發生彎曲，則朝向滑坡13滑動方向的測斜管1 一側 承受最大的拉應變，順向滑坡13滑動方向的測斜管l一側承受最大的壓應變。置 於測斜管1上朝向滑坡13滑動方向一側的測斜管光纖光柵傳感器16組就能測出 測斜管承受的最大拉應變。設定基巖裡的測斜管l是固定約束的，利用二重積分 算法，通過測斜管1的拉應變分布就可求解出測斜管1的彎曲撓度，這一撓度即 是滑坡深部位移量。
其中測斜管光纖光柵傳感器16分為測軸向應變和測溫度兩種；測軸向應變 的測斜管光纖光柵傳感器16釆用快幹膠粘貼於測斜管1外壁，然後用泡沬密封膠 密封測斜管光纖光柵傳感器16,避免測斜管光纖光柵傳感器16與周圍巖土體直 接接觸；測溫度的測斜管光纖光柵傳感器16在測斜管1上一定距離處自由放置， 這種未粘貼的光纖光柵傳感器只對溫度敏感，是對測斜管光纖光柵應變傳感器16 組進行溫度補償，而不受測斜管變形的影響；
測斜管光纖光柵傳感器16等間距粘貼，在潛在滑動面附近粘貼間距縮小；測斜管1選用ABS或PVC材質；
測斜管光纖光柵傳感器16的連接光纖布置在測斜管1外壁刻的凹槽內，以防 在下放測斜管的過程中，鑽孔孔壁刮傷光纖。
其測斜管光纖光柵傳感器(16)構建方法如下
1)在擬監測的滑坡13上用地質鑽進工藝鑽孔，鑽孔需穿過所有潛在滑動面 15，並延伸至基巖面以下3~5m;要求鑽孔終孔口徑為Oni0mm，孔斜小於1°鑽
井過程中除基巖孔外要求全套管護壁；
2 )準備好一節ABS或PVC常規測斜管1;按鑽孔深度將測斜管1逐節進行預 連接，並在對接處作對準標記和編號，然後拆除連接；
3) 下放測斜管1前，在鑽孔內進行清孔作業，直至泥漿水變成清混水為止， 確保鑽孔通暢，保證測斜管l的順利下放；提鑽後立即下放粘貼有傳感器的測斜 管1;
4) 在第一根測斜管1外壁上粘貼光纖光柵應變片，並在測斜管1外壁上刻槽，
將連接光纖用膠布固定於凹槽內；為了對本裝置的監測結果進行驗證，將光纖光 柵傳感器組粘貼在測斜管l內壁十字導槽所處的某一平面內，逸樣光纖光柵監測 的變形就與測斜儀測量的變形 一 致；
5) 下放第一節測斜管l至孔口一定高度，按測斜管l的對準標記和編號連接 第二根測斜管i，並在第二節測斜管l外壁上粘貼測斜管光纖光柵應變傳感器16、 刻槽、固定連接光纖後，下放第二節測斜管l;依此方法，下放所有測斜管1至 孔內；當鑽孔內水的浮力致使測斜管1上浮時，可在測斜管1注入適量清水以減 小下放阻力；
6) 待所有測斜管l下放至孔內後，調整導槽方向，使導槽方向及測斜管光纖 光柵應變傳感器16組的方向朝向滑坡體的位移方向；
7) 向基巖與測斜管1間隙裡注入M5細砂水泥砂漿，砂漿用注漿管引導，當 注漿管下至離孔底lm處後開始注漿；在土體與測斜管1間隙內回填細砂；
8) 在孔口做混凝土墩，在墩內埋設鋼套簡，以保護測斜管光纖光柵應變傳感 器16組的信號接頭；將光纖信號接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號引到監測 站。
滑坡表部位移監測裝置的構成如圖6-圖9所示，是釆用一種慢速土質滑坡表 部位移監測光纖光柵傳感裝置實現的。該裝置由中心有鋼筋的細長混凝土地梁2 和地梁光纖光柵傳感器20組成。在混凝土地梁2中心的鋼筋17上粘貼串聯組成
1的傳感器組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20 (見圖9)後，埋於地下一定深度的垂 直於滑坡變形方向的地槽中。滑坡表部位移監測的地梁光纖光柵傳感器20輸出接
光轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出接光纖光柵解調器7輸入，光纖光柵解調 儀7的輸出接現場上位計算機8。該裝置的地梁光纖光柵傳感器20 (見圖6)是
由中心有鋼筋的細長混凝土地梁和光纖光柵傳感器組成，在混凝土地梁中心的鋼 筋上粘貼串聯組成的傳感器組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20後，埋於地下一定深
度的垂直於滑坡變形方向的地槽中。
該裝置的監測原理是(如圖8、圖9所示)，當滑坡13表面土體發生位移(變 形)時，土體變形導致混凝土地梁2發生變形，由於地梁2是細長構件，地梁2 的變形以軸向伸長為主。地梁2的兩端埋設於滑坡區外的穩定坡體中，這樣地梁 2的兩端受固定約束，可將地梁2的變形等同於簡支梁的變形問題，地梁2發生 伸長應變的程度和位置就表現了滑坡13表部發生的變形的大小及位置。地梁2 發生伸長變形的程度和位置由地梁2中鋼筋17上的鋼筋光纖光柵傳感器20的應 變值讀出。通過對應變值進行二重積分，則可由光纖光柵傳感器應變計算地梁2 的撓度，這一撓度即為滑坡表部位移。
其地梁光纖光柵傳感器(20)構成如下
如圖6所示，在滑坡地表上開挖出一條地槽，地槽的延伸方向垂直於滑坡13 變形方向。在地槽裡澆注小石混凝土地梁2。在地梁2兩端的非滑坡區域，開挖 作業坑，用於澆注混凝土地錨19,從而固定混凝土地梁2的兩端。用焊接方式連 接鋼筋17,鋼筋17的長度要能跨越監測區的滑坡13寬度。在鋼筋17上粘貼封 裝裸地梁光纖光柵傳感器20，用泡沬密封膠密封。地梁光纖光柵傳感器20粘貼 在鋼筋17的軸向方向，以獲取鋼筋17的軸向應變；釆用串聯的方式組成傳感器 組，各地梁光纖光柵傳感器20的引纖熔接後接至連接光纖；地梁光纖光柵傳感器 20可釆用等間距連接，在認為是滑坡變形的關鍵區，可加密布置地梁光纖光柵傳 感器20。在地梁2澆注一半高度時放置粘有地梁光纖光柵傳感器20的鋼筋17, 使鋼筋17處於混凝土地梁2的中心位置，然後繼續澆注另一半混凝土。對混凝土 養護後回填地槽。澆注混凝土地錨19，地錨19內的鋼筋籠與地梁鋼筋17良好搭 接，從而實現地梁2兩端固定約東。在地梁2的一端引出地梁光纖光柵傳感器20 組的信號接頭；將信號接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號引到監測站。
滑坡對管道的推力監測裝置的構成如圖10所示，是滑坡13對管道14推力 監測的土壓力盒光纖光柵傳感器4輸出接光轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出接光柵解調儀7輸入，光柵解調儀的輸出接現場上位計算機8。而滑坡13對管道
14推力監測的光纖光柵傳感器釆用光纖光柵封裝土壓力盒光纖光柵傳感器4; 土 壓力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，並土壓力盒光 纖光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動方向。這樣土壓力盒光纖光 柵傳感器3測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面推力。
滑坡對管道的推力監測裝置土壓力盒光纖光柵傳感器(4)的構建方法如圖 IO所示，土壓力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，土 壓力盒光纖光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動方向。這樣土壓力 盒光纖光柵傳感器4測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面推力。土壓力盒支 架21由兩塊圓弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座，土壓力盒光 纖光柵傳感器4嵌入底座中，並保持一定的裕量，使土壓力盒能自由變形。土壓 力盒支架21兩端的卡箍連接件23通過螺帽連接。當滑坡13滑動時，滑坡13對 土壓力盒的推力可通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測量，該測量值減去土壓力盒 光纖光柵傳感器4承受的土體自重壓力，即為滑坡13變形對管道14產生的推力。
管體應力的監測裝置的構成如圖11所示，是在滑坡的兩側邊緣及滑坡的中 心位置各布置一管道監測截面，在管道14的每個監測截面的外周均勻布置3個管 體光纖光柵傳感器3且3個管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平 面上。管體光纖光柵傳感器3輸出接光轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出接光 纖光柵解調儀7輸入，光纖光柵解調儀7的輸出接現場上位計算機8。
管體應力的監測裝置管體光纖光柵傳感器(3)的構成如圖11、圖12所示， 在滑坡的兩側邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監測截面，且監測截面的間距 不宜超過60m。在管道14的每個監測截面的外周均勻布置3個管體光纖光柵傳感 器3且3個管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平面上。安裝管體 光纖光柵傳感器3時，完全刮開管道14防腐層，並打磨管道14表面至光滑，用 快幹膠3粘貼管體光纖光柵傳感器封裝24封裝好管體光纖光柵傳感器3。待三個 管體光纖光柵傳感器3全部粘貼好後，將管體光纖光柵傳感器3的引纖一併引至
地面，並進行保護。
當管道14軸向承受拉/壓應力時，三個管體光纖光柵傳感器3承受拉/壓應變；
按照一定的算法，由該截面三處應變，即可求出該管道14截面上最大應變的大小 和位置。基於鋼材彈性理論，即可求出管道14截面上最大的拉/壓應力的大小。 監測截面的選擇對監測效果很重要。大量的研究表明，滑坡13對管道14作用應力關鍵表現在軸向上，對管道14
軸向應力的測量就能較好地判斷管道14的可接受應力狀態。因此，管體光纖光柵
傳感器3僅測量管道14軸向的應變。
現場監測站設置在滑坡現場，包括光纖接線盒、連接光纜5、光轉換開關6、 光纖光柵解調儀7、上位計算機8、 GPRS傳輸模塊9;由各光纖光柵傳感器的光纖 接線盒和連接光纜5將滑坡13上各個位置的光纖光柵傳感器接到監測站的光轉換 開關6，光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7,光纖光柵解調儀7輸出接上位計 算機8，上位計算機8輸出接GPRS傳輸模塊9。各光纖光柵傳感器的光纖接線盒 和連接光纜5將滑坡13上各個位置的光纖光柵傳感器信號集中傳輸到監測站的光 轉換開關6，光轉換開關6將各通道信號依次轉換給光纖光柵解調儀7，光纖光柵 解調儀7解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量給上位計算機8，上位計算 機8自動計算出各監測量輸給GPRS傳輸模塊9並接受GPRS傳輸模塊9的信號進 行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計算機8計算的各監測量通過公眾無線通信網絡 傳輸到位於辦公室的接受終端，也可接受接收終端的信號，發送給下位計算機11。
其中 ，
光轉換開關6:由於監測滑坡和管道的光纖光柵傳感器很多，信號通道眾多， 無法一次連接到光纖光柵解調儀7上，用光轉換開關6將各通道信號依次轉換給 光纖光柵解調儀7分析；該光轉換開關6選用巿銷產品；
光纖光柵解調儀7:用於解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量；選用 巿銷產品；
上位計算機8及程序用於控制光纖光柵解調儀7解調的頻率，並將光纖光 柵解調儀7解調出的中心波長位移量自動計算出各監測量，如滑坡的深部位移、 表部位移、管體最大應變等，將監測量發送給GPRS傳輸模塊9，並接受GPRS傳 輸模塊9的信號進行控制；上位計算機8選用巿銷產品，程序自編；
GPRS傳輸模塊9:用於將上位計算機8計算的各監測量通過公眾無線通信網 絡傳輸到位於辦公室的接受終端，也可接受接收終端的信號，發送給下位計算機 11。
位於辦公室的接收終端包括如下2個部分
1) GPRS接收模塊IO,用於接收現場監測站GPRS傳輸模塊9發送的監測量， 並傳輸給終端下位計算機11，也可給現場GPRS傳輸模塊9發送反饋指令；
2) 下位計算機ll及程序，用於下載終端GPRS接收模塊10的信號，並調用程序進行自動分析，將分析結果與報警閥值進行對比，必要的時候實施報警；
3)報警器12,用於當分析結果超過報警閥值時，發生聲音警示信號；報警 器12由下位計算機11及程序控制。
該系統的工作原理是這樣的，當滑坡13滑動時，埋於滑坡13深部的測斜管 1受滑坡13 土體推力而發生彎曲應變，測斜管1上的測斜管光纖光柵傳感器16 感受到拉應變，通過計算可得出測斜管上的水平位移，即滑坡13深部的水平位移； 埋於滑坡13淺表部的地梁2在承受滑坡13推力的過程中產生伸長應變，地梁2 上的地梁光纖光柵傳感器20感受到拉應變，通過計算可得出地梁水平向的位移分 布，即滑坡表部的水平位移分布；滑坡13活動過程中，管道14承受滑坡13推力 而發生管體14應變變化，通過管體光纖光柵傳感器3測量；在管道14與滑坡13 的接觸面上，滑坡13對管道14的推力通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測量。
通過連接光纜5,將滑坡上各個位置的傳感器信號集中傳輸到光轉換開關6， 光轉換開關6將各通道信號依次轉換給光纖光柵解調儀7，光纖光柵解調儀7解 調出各傳感器波長中心波長位移量並傳感給上位計算機8,上位計算機8將解調 儀解調出的中心波長位移量自動計算為各監測量，如滑坡13的深部位移、表部位 移、管體最大應變、界面推力等，並將監測量發送給現場GPRS傳輸模塊9， GPRS 傳輸模塊9通過公眾無線通信網絡將信號傳輸給終端GPRS接收模塊10,終端GPRS 接收模塊IO發送給終端下位計算機11,終端下位計算機11將各監測量與報警閥 值對比，必要的時候給出報警。
本系統的優點表現在
1) 提出對滑坡13及其影響下管道14進行聯合監測的方法，揭示了滑坡13 和管道14的相互作用特點；用多指標進行滑坡13影響下的管道14的安全預警， 極大避免了管道14滑坡監測預警中的不確定性或錯誤預警；
2) 將光纖光柵傳感技術應用於管道滑坡13的系統監測，該技術抗幹擾、耐 腐蝕、易於組網等有時明顯；通過構築特定的載體，實現了用光纖光柵傳感技術 監測滑坡深部位移和表部位移，與傳統的監測滑坡深部位移和表部位移的技術手 段相比，光纖光柵傳感技術易於實現自動實時監測，空間解析度高，且成本較低；
3) 管道應變監測，是在每個監測截面均勻安裝3個傳感器，通過特定的算法 得出該監測截面的最大應變分布，用最少的監測點實現了監測目的，節約了成本， 也減少的安裝時間及對管道的損傷；
4) 所有的監測量均通過光纖光柵傳感技術來實現，易於構建監測系統，易於實現管道滑坡聯合監測數據的實時自動採集分析及遠程發布,遠程實時自動報警; 避免了繁瑣的人工釆集數據，減少了報警時間，這對管道應急措施的釆取至關重


圖l基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統構成示意圖 圖2基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統原理框圖 圖3基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統電原理圖 圖4滑坡深部位移監測構建圖
圖5滑坡深部位移監測結果與活動式鑽孔測斜儀監測結果的效果對比圖
圖6滑坡表部位移監測裝置構建圖
圖7地梁結抅圖(橫剖視圖)
圖8滑坡表部位移監測裝置安裝示意圖
圖9光纖光柵傳感器在地梁鋼筋上的安裝圖
圖10土壓力傳感器示意圖 '
圖ll管體應力的監測裝置示意圖(橫斷面圖)
圖12管體應力的監測裝置示意圖
財
l一測斜管
3—管體光纖光柵傳感器 5—光纜
7—光纖光柵解調儀
9一GPRS傳輸模塊
ll一下位計算機
13-滑坡
15-滑動面
19-地錨
21-土壓力盒支架 23-卡箍連接件
2—地梁
4一土壓力盒光纖光柵傳感器
6—光轉換開關
8—上位計算機 IO—GPRS接收模塊 12-報警器 14-管道
16-測斜管光纖光柵傳感器 18-邊坡
20-地梁光纖光柵傳感器 22-支架卡箍
24-管體光纖光柵傳感器封裝具體實施方式
實施例.本例是一試驗系統，並在一寬300m、滑坡厚29m、基覆截面即為滑面 的覆蓋層慢速滑坡體上作試驗。本管道滑坡監測預警系統如圖2所示，是由滑坡 深部位移監測裝置、滑坡表部位移監測裝置、滑坡對管道的推力監測裝置、管道 應變監測裝置、現場監測站、辦公室的接收終端組成。現場滑坡深部位移監測裝 置的測斜管應變光纖光柵傳感器16、滑坡表部位移監測裝置的地梁應變光纖光柵 傳感器20、滑坡對管道的推力監測裝置的土壓力盒應變光纖光柵傳感器4和管道 應變監測裝置的管體應變光纖光柵傳感器3輸出分別接現場監測站的自動光轉換 開關6,自動光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7的輸入，另外上位計算機8 的一端輸出接自動光轉換開關6的一端輸入；光纖光柵解調儀7的輸出也接上位 計算機8的輸入；上位計算機8的輸出接GPRS傳輸模塊9，由辦公室的接收終端 GPRS接收模塊lO接下位計算機ll的輸入，下位計算機ll的輸出接報警器12和 顯示器。
該系統的電原理如圖3所示，分別監測滑坡深部位移、滑坡表部位移、滑坡 對管道的推力和管道應變的四個^;纖光柵傳感器一測斜管光纖光柵傳感器16、地 梁光纖光柵傳感器20、 土壓力盒光纖光柵傳感器4、管體光纖光柵傳感器3的PC 接頭用光纖與光轉換開關6的PC接頭連接，光轉換開關6的R232直接接上位計 算機8的R232,光轉換開關6的PC接頭連接光纖光柵解調儀7 SM125的CH1端， 光纖光柵解調儀7 SM125的LAN埠接上位計算機8的LAN埠，上位計算機8 的R232埠接GPRS傳輸模塊9西門子MC35i的R232埠 ， GPRS傳輸模塊9經 天線GSM、 GPRS網絡，被GPRS接收模塊10天線GSM接收後由R232接到下位計算 機11的R232,下位計算機11的輸出由R232接報警器12 DS-7400的R232，下位 計算機11的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。
監測滑坡深部位移、滑坡表部位移、滑坡對管道的推力和管道應變的四種光 纖光柵傳感器的輸出信號經逐一導通給光纖光柵解調儀7,光纖光柵解調儀7解 調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量輸給上位計算機8，光轉換開關6給光 纖光柵解調儀7導通信號的周期由上位機控制8。上位計算機8自動計算出各監 測量輸給GPRS傳輸模塊9並接受GPRS傳輸模塊9的信號進行控制，GPRS傳輸模 塊9將上位計算機8計算的各監測量通過公眾無線通信網絡傳輸到位於辦公室的 接受終端GPRS接收模塊IO，也可接受接收終端的信號，發送給下位計算機ll處 理後，由顯示器顯示並由報警器12報警。本滑坡深部位移監測裝置的構成如圖4所示，是測斜管1的測斜管光纖光柵
傳感器16輸出接光轉換開關6輸入,光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7輸入， 光纖光柵解調儀7的輸出接現場上位計算機8。而測斜管1上的測斜管光纖光柵 傳感器16是將串聯的光纖光柵傳感器組成傳感器組直接粘貼於測斜管1軸向的外 側，各測斜管光纖光柵傳感器16的引纖熔接後接至連接光纖。在滑坡13的鑽孔 裡放入粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管1，下放時將測斜管l粘有測斜管光纖光 柵傳感器16的一側朝向滑坡潛在滑動方向。將光纖接頭與光纜5連接，通過光纜 5將信號引到監測站；在監測站，上位計算機8調用自編的程序，控制光纖光柵 解調儀7，實現數據的實時自動釆集。
該裝置的工作原理的是這樣的(如圖4所示)，當滑坡13沿滑動面15下滑時， 測斜管1受到滑坡13推力而發生彎曲，則朝向滑坡13滑動方向的測斜管1 一側 承受最大的拉應變，順向滑坡13滑動方向的測斜管1 一側承受最大的壓應變。置 於測斜管1上朝向滑坡13滑動方向一側的測斜管光纖光柵傳感器16組就能測出 測斜管承受的最大拉應變。設定基巖裡的測斜管l是固定約東的，利用二重積分 ，算法，通過測斜管1的拉應變分布就可求解出測斜管1的彎曲撓度，這一撓度即 是滑坡深部位移量。
該裝置單通道的電原理如圖3所示，監測滑坡深部位移的測斜管光纖光柵傳 感器16的PC接頭用光纖與光轉換開關6的PC接頭連接，光轉換開關6的R232 直接接上位計算機8的R232，光轉換開關6的PC接頭連接光纖光柵解調儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調儀7 SM125的LAN埠接上位計算機8的L認端 P。
其中測斜管光纖光柵傳感器16分為測軸向應變和測溫度兩種；測軸向應變 的測斜管光纖光柵傳感器16採用快幹膠粘貼於測斜管1外壁,然後用泡沬密封膠 密封測斜管光纖光柵傳感器16,避免測斜管光纖光柵傳感器16與周圍巖土體直 接接觸；測溫度的測斜管光纖光柵傳感器16在測斜管1上一定距離處自由放置， 這種未粘貼的光纖光柵傳感器只對溫度敏感，是對測斜管光纖光柵應變傳感器16 組進行溫度補償，而不受測斜管變形的影響；
測斜管光纖光柵傳感器16等間距粘貼，在潛在滑動面附近粘貼間距縮小；
測斜管1選用ABS材質；
測斜管光纖光柵傳感器16的連接光纖布置在測斜管1外壁刻的凹槽內，以防 在下放測斜管的過程中，鑽孔孔壁刮傷光纖。
17具體是將串聯的36個光纖光柵傳感器組成傳感器組直接粘貼於測斜管1軸向 的外側，按測軸向應變和測溫度兩種間隔等間距粘貼，在潛在滑動面附近粘貼間
距縮小到0.8米；各光纖光柵傳感器的引纖熔接後接至連接光纖；然後在滑坡體 上的鑽孔裡放入粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管1,下放時將測斜管l粘有光纖 光柵傳感器的一側朝向滑坡潛在滑動方向；將光纖接頭與光纜連接，通過光纜將 信號引到監測站。
其測斜管光纖光柵傳感器(16)構成如下
1)在擬監測的滑坡13上用地質鑽進工藝鑽孔，鑽孔需穿過所有潛在滑動面 15，並延伸至基巖面以下3 5m;要求鑽孔終孔口徑為①110mm，孔斜小於1°鑽 井過程中除基巖孔外要求全套管護壁；
2 )準備好一節ABS或PVC常規測斜管1;按鑽孔深度將測斜管1逐節進行預 連接，並在對接處作對準標記和編號，然後拆除連接；
3) 下放測斜管1前，在鑽孔內進行清孔作業，直至泥漿水變成清混水為止， 確保鑽孔通暢，保證測斜管l的順利下放；提鑽後立即下放粘貼有傳感器的測斜 管1;
4) 在第一根測斜管1外壁上粘貼光纖光柵應變片，並在測斜管1外壁上刻槽， 將連接光纖用膠布固定於凹槽內；為了對本裝置的監測結果進行驗證，將光纖光 柵傳感器組粘貼在測斜管l內壁十字導槽所處的某一平面內，這樣光纖光柵監測 的變形就與測斜儀測量的變形 一致；
5) 下放第一節測斜管1至孔口一定高度，按測斜管1的對準標記和編號連接 第二根測斜管i，並在第二節測斜管l外壁上粘貼測斜管光纖光柵應變傳感器16、 刻槽、固定連接光纖後，下放第二節測斜管l;依此方法，下放所有測斜管l至 孔內；當鑽孔內水的浮力致使測斜管1上浮時，可在測斜管l注入適量清水以減 小下放阻力；
6) 待所有測斜管l下放至孔內後，調整導槽方向，使導槽方向及測斜管光纖 光柵應變傳感器16組的方向朝向滑坡體的位移方向；
7) 向基巖與測斜管1間隙裡注入M5細砂水泥砂漿，砂漿用注漿管引導，當 注漿管下至離孔底lm處後開始注漿；在土體與測斜管1間隙內回填細砂；
8) 在孔口做混凝土墩，在墩內埋設鋼套筒，以保護測斜管光纖光柵應變傳感 器16組的信號接頭；將光纖信號接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號引到監測 站。圖5是本發明的光纖光柵深部位移傳感器的監測結果與活動式鑽孔測斜儀的
監測結果的對比圖。對比監測的條件是滑坡體深29m,下覆基巖，測斜管1底 部埋置於基巖內3m，測斜管1外徑70隱，內徑60mm，在測斜管1外的2. 5m、 7. 5m、 12. 5m、 17.5m、 21. 5m、 30m處各布置一個光纖光柵傳感器；活動式鑽孔測斜儀採 用某進口知名品牌，在鑽孔測斜儀領域有較長的監測歷史，穩定性好。
滑坡表部位移監測裝置的構成(見圖6-圖9)是採用一種慢速土質滑坡表部 位移監測光纖光柵傳感裝置實現的。該裝置由中心有鋼筋的細長混凝土地梁2和 地梁光纖光柵傳感器20組成。在混凝土地梁2中心的鋼筋17上粘貼串聯組成的 傳感器組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20 (見圖9)後，埋於地下一定深度的垂直 於滑坡變形方向的地槽中。滑坡表部位移監測的地梁光纖光柵傳感器20輸出接光 轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出接光纖光柵解調器7輸入，光纖光柵解調儀 7的輸出接現場上位計算機8。該裝置的地梁光纖光柵傳感器20 (見圖6 )是由中 心有鋼筋的細長混凝土地梁和光纖光柵傳感器組成，在混凝土地梁牛心的鋼筋上 粘貼串聯組成的傳感器組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20後，埋於地下一定深度的 垂直於滑坡變形方向的地槽中。 ，
該裝置單通道的電原理如圖3所示，監測滑坡深部位移的地梁光纖光柵傳感 器20的PC接頭用光纖與光轉換開關6的PC接頭連接，光轉換開關6的R232直 接接上位計算機8的R232,光轉換開關6的PC接頭連接光纖光柵解調儀7 SM125 的CH1端，光纖光柵解調儀7 SM125的LAN埠接上位計算機8的LAN埠。
該裝置的監測原理是(如圖8、圖9所示)，當滑坡13表面土體發生位移(變 形)時，土體變形導致混凝土地梁2發生變形，由於地梁2是細長構件，地梁2 的變形以軸向伸長為主。地梁2的兩端埋設於滑坡區外的穩定坡體中，這樣地梁 2的兩端受固定約東，可將地梁2的變形等同於簡支梁的變形問題，地梁2發生 伸長應變的程度和位置就表現了滑坡13表部發生的變形的大小及位置。地梁2 發生伸長變形的程度和位置由地梁2中鋼筋17上的鋼筋光纖光柵傳感器20的應 變值讀出。通過對應變值進行二重積分，則可由光纖光柵傳感器應變計算地梁2 的撓度，這一撓度即為滑坡表部位移。
其地梁光纖光柵傳感器(20)構成如下
如圖6所示，在滑坡地表上開挖出一條深1.2m，寬lm的地槽，地槽的延伸 方向垂直於滑坡13變形方向。在地槽裡澆注小石混凝土地梁2。在地梁2兩端的 非滑坡區域，開挖深1.5m、寬lm、長lin的作業坑，用於澆注混凝土地錨19，從而固定混凝土地梁2的兩端。用焊接方式連接鋼筋17,鋼筋17的長度要能跨越
監測區的滑坡13寬度，鋼筋選用小14mm—級圓鋼。在鋼筋17上粘貼封裝裸地 梁光纖光柵傳感器20 (見圖9),用泡沬密封膠密封。地梁光纖光柵傳感器20粘 貼在鋼筋17的軸向方向，以獲取鋼筋17的軸向應變；釆用串聯的方式組成傳感 器組，各地梁光纖光柵傳感器20的引纖熔接後接至連接光纖；地梁光纖光柵傳感 器20可採用等間距連接，在認為是滑坡變形的關鍵區，可加密布置地梁光纖光柵 傳感器20。在地槽裡澆注C20小石混凝土地梁2，地梁2高20cm，寬30cm。在地 梁2澆注一半高度時放置粘有地梁光纖光柵傳感器20的鋼筋17，使鋼筋17處於 混凝土地梁2的中心位置，然後繼續澆注混凝土至20cm高度。對混凝土養護後回 填地槽。澆注混凝土地錨19,地錨19內的鋼筋籠與地梁鋼筋17良好搭接，從而 實現地梁2兩端固定約東。在地梁2的一端引出地梁光纖光柵傳感器20組的信號 接頭；將信號接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號引到監測站。
滑坡對管道的推力監測裝置的構成如圖10所示，是滑坡13對管道14推力 監測的土壓力盒光纖光柵傳感器4輸出接光轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出 接光柵解調儀7輸入，光柵解調儀的輸出接現場上位計算機8。而滑坡13對管道 14推力監測的光纖光柵傳感器釆用光纖光柵封裝土壓力盒光纖光柵傳感器4; 土 壓力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，並土壓力盒光 纖光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動方向。這樣土壓力盒光纖光 柵傳感器4測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面推力。
滑坡對管道的推力監測裝置土壓力盒光纖光柵傳感器(4)的具體構成；土壓 力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，土壓力盒光纖光 柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳 感器4測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面推力。土壓力盒支架21由兩塊圓 弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座，土壓力盒光纖光柵傳感器 4嵌入底座中，並保持一定的裕量，使土壓力盒能自由變形。土壓力盒支架21兩 端的卡箍連接件23通過螺帽連接。當滑坡13滑動時，滑坡13對土壓力盒的推力 可通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測量，該測量值減去土壓力盒光纖光柵傳感器 4承受的土體自重壓力，即為滑坡13變形對管道14產生的推力。
該裝置單通道的電原理如圖3所示，滑坡13對管道14推力監測的土壓力盒 光纖光柵傳感器4的PC接頭用光纖與光轉換開關6的PC接頭連接，光轉換開關 6的R232直接接上位計算機8的R232，光轉換開關6的PC接頭連接光纖光柵解調儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調儀7 SM125的LAN埠接上位計算機8的 LAN埠 。
管體應力的監測裝置的構成如圖11、圖12所示，是管體光纖光柵傳感器 3輸出接光轉換開關6輸入，光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7輸入，光纖 光柵解調儀7的輸出接現場上位計算機8。
該裝置單通道的電原理如圖3所示，管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖 與光轉換開關6的PC接頭連接，光轉換開關6的R232直接接上位計算機8的R232, 光轉換開關6的PC接頭連接光纖光柵解調儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調儀 7 SM125的LAN埠接上位計算機8的LAN埠 。
管體應力的監測裝置管體光纖光柵傳感器(3)的構成如圖ll、圖12所示， 在100m寬的滑坡13的兩側邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監測截面，監測 截面的間距為50m。在管道14的每個監測截面的外周均勻布置3個管體光纖光柵 傳感器3且3個管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平面上。安裝 管體光纖光柵傳感器3時，完全刮開管道14防腐層，並打磨管道14表面至光滑， 用快幹膠3粘貼管，體光纖光柵傳感器封裝24封裝好管體光纖光柵傳感器3。待三 個管體光纖光柵傳感器3全部粘貼好後，將管體光纖光柵傳感器3的引纖一併引
至地面，並進行保護。
當管道14軸向承受拉/壓應力時，三個管體光纖光柵傳感器3承受拉/壓應變； 按照一定的算法，由該截面三處應變，即可求出該管道14截面上最大應變的大小 和位置。基於鋼材彈性理論，即可求出管道14截面上最大的拉/壓應力的大小。 監測截面的選擇對監測效果很重要。
大量的研究表明，滑坡13對管道14作用應力關鍵表現在軸向上，對管道14 軸向應力的測量就能較好地判斷管道14的可接受應力狀態。因此，管體光纖光柵 傳感器3僅測量管道14軸向的應變。
上述四監測裝置中
光纖光柵傳感器選用自行設計封裝的光纖光柵傳感器。 光轉換開關選用光隆SUM-FSW; 光柵解調儀選用SM125。
現場監測站設置在滑坡現場，包括光纖接線盒、連接光纜5、光轉換開關6、 光纖光柵解調儀7、上位計算機8、 GPRS傳輸模塊9;由各光纖光柵傳感器的光纖 接線盒和連接光纜5將滑坡13上各個位置的光纖光柵傳感器接到監測站的光轉換
21開關6,光轉換開關6輸出接光纖光柵解調儀7，光纖光柵解調儀7輸出接上位計
算機8，上位計算機8輸出接GPRS傳輸模塊9。各光纖光柵傳感器的光纖接線盒 和連接光纜5將滑坡13上各個位置的光纖光柵傳感器信號集中傳輸到監測站的光 轉換開關6，光轉換開關6將各通道信號依次轉換給光纖光柵解調儀7，光纖光柵 解調儀7解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量給上位計算機8，上位計算 機8自動計算出各監測量輸給GPRS傳輸模塊9並接受GPRS傳輸模塊9的信號進 行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計算機8計算的各監測量通過公眾無線通信網絡 傳輸到位於辦公室的接受終端，也可接受接收終端的信號，發送給下位計算機11。 其中
光轉換開關選用光隆科技SUM-FSW; 光纖光柵解調儀選用SM125; 上位計算機及程序選用研華IPC-610,程序自編； GPRS傳輸模塊西門子MC35i 位於辦公室的接收終端包括如下2個部分
(UGPRS接收模塊IO，用於接收現場監測站GPRS傳輸模塊9發送的監測量， 並傳輸給終端下位計算機11，也可給現場GPRS傳輸模塊9發送反饋指令；
(2) 下位計算機ll及程序，用於下載終端GPRS接收模塊10的信號，並調 用程序進行自動分析，將分析結果與報警閥值進行對比，必要的時候實施報警；
(3) 報警器12，用於當分析結果超過報警閥值時，發生聲音警示信號；報 警器12由下位計算機11及程序控制。
該系統的工作原理是這樣的，當滑坡13滑動時，埋於滑坡13深部的測斜管 1受滑坡13 土體推力而發生彎曲應變，測斜管1上的測斜管光纖光柵傳感器16 感受到拉應變，通過計算可得出測斜管上的水平位移，即滑坡13深部的水平位移； 埋於滑坡13淺表部的地梁2在承受滑坡13推力的過程中產生伸長應變，地梁2 上的地梁光纖光柵傳感器20感受到拉應變，通過計算可得出地梁水平向的位移分 布，即滑坡表部的水平位移分布；滑坡13活動過程中，管道14承受滑坡13推力 而發生管體14應變變化，通過管體光纖光柵傳感器3測量；在管道14與滑坡13 的接觸面上，滑坡13對管道14的推力通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測量。
通過連接光纜5，將滑坡上各個位置的傳感器信號集中傳輸到光轉換開關6, 光轉換開關6將各通道信號依次轉換給光纖光柵解調儀7,光纖光柵解調儀7解 調出各傳感器波長中心波長位移量並傳感給上位計算機8,上位計算機8將解調
22儀解調出的中心波長位移量自動計算為各監測量，如滑坡13的深部位移、表部位
移、管體最大應變、界面推力等，並將監測量發送給現場GPRS傳輸模塊9， GPRS
傳輸模塊9通過公眾無線通信網絡將信號傳輸給終端GPRS接收模塊10，終端GPRS
接收模塊IO發送給終端下位計算機11,終端下位計算機11將各監測量與報警閥
值對比，必要的時候給出報警。 財
GPRS接收模塊10:選用西門子MC35i; 下位計算機ll及程序下位機選用研華IPC-610;程序自編。 報警器12:選用博世DS-7400。
用上述方法構建的系統在進行監測時，若滑坡13滑動，埋於滑坡13深部的 測斜管1受滑坡13土體推力而發生彎曲應變，測斜管l上的測斜管光纖光柵傳感 器16感受到拉應變，通過計算可得出測斜管l上的水平位移，即滑坡13深部的 水平位移；埋於滑坡13淺表部的地梁2在承受滑坡13推力的過程中產生伸長應 變，地梁2上的地梁光纖光柵傳感器20感受到拉應變，通過計算可得出地梁2 水平向的位移分布，即滑坡13表部的水平位移分布；滑坡13活學過程中，管道 14承受滑坡13推力而發生管體14應變變化，通過管體光纖光柵一感器3測量； 在管道14與滑坡13的接觸面上，滑坡13對管道14的推力通過封裝土壓力盒光 纖光柵傳感器4測量；由此，就可完整地測量出管道14上所受到的各種應力。
經長時間的監測，本例易於構建監測系統，易於實現管道滑坡13聯合監測數 據的實時自動釆集分析及遠程發布，遠程實時自動報警。避免了繁瑣的人工釆集 數據，減少了報警時間，這對管道應急措施的釆取至關重要。
權利要求1.一種基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統，其特徵是由滑坡深部位移監測裝置、滑坡表部位移監測裝置、滑坡對管道的推力監測裝置、管道應變監測裝置、現場監測站、辦公室的接收終端組成；以一定結構形式安裝在滑坡內或管道上的現場滑坡深部位移監測裝置的測斜管光纖光柵傳感器(16)、滑坡表部位移監測裝置的地梁光纖光柵傳感器(20)、滑坡對管道的推力監測裝置的土壓力盒光纖光柵傳感器(4)和管道應變監測裝置的管體光纖光柵傳感器(3)輸出分別接現場監測站的自動光轉換開關(6)，自動光轉換開關(6)輸出接光纖光柵解調儀(7)的輸入，光纖光柵解調儀(7)的輸出也接上位計算機(8)的輸入；上位計算機(8)的輸出接GPRS傳輸模塊(9)，由辦公室的接收終端GPRS接收模塊(10)接下位計算機(11)的輸入，下位計算機(11)的輸出接報警器(12)和顯示器。
2. 根據權利要求l所述的基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統，其特徵是 該系統的電原理是分別監測滑坡深部位移、滑坡表部位移、滑坡對管道的推力 和管道應變的四個光纖光柵傳感器一測斜管光纖光柵傳感器U6)、地梁光纖光柵 傳感器(20)、 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)、管體光纖光柵傳感器(3)的PC 接頭用光纖與光轉換開關(6)的(PC)接頭連接，光轉換開關(6)的(R232 ) 直接接上位計算機(8)的(R232 )，光轉換開關(6)的(PC)接頭連接光纖光柵 解調儀(7) SM125的(CH1)端，光纖光柵解調儀(7 ) SM125的(LAN)埠接 上位計算機(8)的(LAN)埠，上位計算機(8)的(R232 )埠接GPRS傳輸 模塊(9)西門子MC35i的(R232)埠， GPRS傳輸模塊(9)經天線GSM、 GPRS 網絡，被GPRS接收模塊(10)天線GSM接收後由(R232 )接到下位計算機(11) 的(R232 )，下位計算機(11 )的輸出由(R232 )接報警器(12 ) DS-7400的(R232 ), 下位計算機(11)的輸出由(VGA)端接顯示器的(VGA)端；監測滑坡深部位移、滑坡表部位移、滑坡對管道的推力和管道應變的四光纖 光柵傳感器的輸出信號經光纖光柵解調儀(7)光纖光柵(7)解調出各光纖光柵 傳感器的中心波長位移量輸給上位計算機(8);上位計算機(8)自動計算出各監 測量輸給GPRS傳輸模塊(9)並接受GPRS傳輸模塊(9)的信號進行控制，GPRS 傳輸模塊(9)將上位計算機(8)計算的各監測量通過公眾無線通信網絡傳輸到 位於辦公室的接受終端GPRS接收模塊(10),也可接受接收終端的信號，發送給 下位計算機(11)處理後，由顯示器顯示並由報警器(12)報警。
3. 根據權利要求l所述的基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統，其特徵是 所述滑坡深部位移監測裝置測斜管光纖光柵傳感器(16)的構成如下1) 在擬監測的滑坡(13)上有穿過所有潛在滑動面(15)並延伸至基巖面以 下3 5m的孔，孔口徑為cP110mm,孔斜小於1°且孔內除基巖孔外全有套管護 壁；2) 在第一根測斜管(1 )外壁上有固定連接光纖的槽並粘貼有光纖光柵應變片； 光纖光柵傳感器組粘貼在測斜管(1)十字導槽所處的某一平面內；3) 所有測斜管(l)置於孔內，導槽方向及測斜管光纖光柵傳感器(16)組的方向朝向滑坡體的位移方向；4) 在基巖與測斜管(1)間隙裡有M5細砂水泥砂漿；在土體與測斜管(1)間 隙內有細砂；5) 孔口為混凝土墩，墩內有鋼套簡；光纖信號接頭與光纜(5)連接，光纜(5) 接到監測站。
4. 根據權利要求l所述的基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統，其特徵是 所述滑坡表部位移監測裝置地梁光纖光柵傳感器(20)的構成是在滑坡地表上開挖出一條地槽，地槽的延伸方向垂直於滑坡U3)變形方向； 在地槽裡澆注小石混凝土地梁(2);在地梁(2)兩端的非滑坡區域，澆注固定混 凝土地梁(2)兩端的混凝土地錨(19),地錨(19)內的鋼筋籠與地梁鋼筋(17) 良好搭接，使地梁(2)兩端固定約束；用焊接方式連接鋼筋(17)，鋼筋(17) 的長度要能跨越監測區的滑坡U3)寬度；鋼筋(17)處於混凝土地梁(2)的中 心位置，在鋼筋(17)上粘貼封裝裸地梁光纖光柵傳感器(20)，用泡沬密封膠密 封；地梁光纖光柵傳感器(20)粘貼在鋼筋(17)的軸向方向；採用串聯的方式 組成傳感器組，各地梁光纖光柵傳感器(20)的引纖熔接後接至連接光纖；地梁 光纖光柵傳感器(20)釆用等間距連接，在滑坡變形的關鍵區，加密布置地梁光 纖光柵傳感器(20);在地梁(2)的一端引出地梁光纖光柵傳感器(20)組的信 號接頭；將信號接頭與光纜(5)連接，通過光纜(5)將信號引到監測站。
5. 根據權利要求l所述的基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統，其特徵是 所述滑坡對管道的推力監測裝置土壓力盒光纖光柵傳感器(4)的構成是土壓力盒光纖光柵傳感器(4)通過土壓力盒支架(21)固定在管道(14)上, 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)感受壓力的敏感面朝向滑坡(13)的滑動方向；土 壓力盒支架(21)由兩塊圓弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座， 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)嵌入底座中，並保持一定的裕量，使土壓力盒能自 由變形；土壓力盒支架(21)兩端的卡箍連接件(23)通過螺帽連接。
6.根據權利要求l所述的基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統，其特徵是所述管道應變監測裝置的管體光纖光柵傳感器(3)的構成是在滑坡的兩側邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監測截面，且監測截面的 間距不宜超過60m;在管道(14)的每個監測截面的外周均勻布置3個管體光纖 光柵傳感器(3),且3個管體光纖光柵傳感器(3 )布置在與管道(14)軸線垂直 的平面上；管體光纖光柵傳感器(3)安裝在光滑的管道(14)表面，用快幹膠粘貼 管體光纖光柵傳感器封裝(24 )封裝好管體光纖光柵傳感器(3);將管體光纖光柵 傳感器(3)的引纖一併引至地面，並進行保護。
專利摘要本實用新型是一種基於光纖光柵的管道滑坡監測預警系統。涉及測量應力、溫度的測量及管道系統技術領域。以一定結構形式安裝在滑坡內或管道上的現場滑坡深部位移監測裝置的測斜管光纖光柵傳感器(16)、滑坡表部位移監測裝置的地梁光纖光柵傳感器(20)、滑坡對管道的推力監測裝置的土壓力盒光纖光柵傳感器(4)和管道應變監測裝置的管體光纖光柵傳感器(3)輸出分別依次串接現場監測站的自動光轉換開關(6)、光纖光柵解調儀(7)、上位計算機(8)；上位計算機(8)的輸出接GPRS傳輸模塊(9)，由辦公室的接收終端GPRS接收模塊(10)接下位計算機(11)的輸入，下位計算機(11)的輸出接報警器(12)和顯示器。
文檔編號G08B21/00GK201278201SQ20082012241
公開日2009年7月22日 申請日期2008年9月3日 優先權日2008年9月3日
發明者劉建平, 荊宏遠, 譚東傑, 郝建斌, 陳朋超, 冰 韓 申請人:中國石油天然氣股份有限公司