分布式光纤应变测量技术在地质灾害防治中的应用

文章简要总结了光纤应变传感测量技术特点、应用领域及前景。对基于布里渊散射技术的分布式光纤应变测量技术（BOTDR）的工作原理、特点进行了详细阐述。以地质灾害监测实践为基础，分析了光纤应变分布和灾害体变形的对应关系。结果表明，将BOTDR技术应用于地质灾害监测中是可行的。文章还对BOTDR应用于地质灾害监测中的几个关键技术问题进行了系统总结。     

边坡变形的分布式光纤监测模拟试验研究

布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)作为一项新型光电传感监测技术,因其具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测的特点而被广泛应用于结构工程健康监测中。而直接将光纤布设在土体中则存在变形协调性差、易折断及空间定位难等问题。本次研究通过室内小比例尺模型试验,分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处,利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。试验结果表明,布设在土工格栅中的光纤稳定性最好;土工布中的光纤变形协调性和敏感性优于土工格栅;通过合理布置光纤能够对异常应变进行较为准确的识别和定位。试验初步验证了该方法应用于土质边坡变形监测的可行性。     

工程地质力学综合集成理论及其在五强溪水电站船闸边坡上的…

为了使工程地质学工程建设和防灾减灾方面发挥更大的作用，作者在在工程地质力学和系统科学指导下发展工程地质力学综合集成（ＥＧＭＳ），本文主要论述了ＥＧＭＳ形成的基础，相应的方法和技术以及综合集成中的４个关键问题（包括应变体系，优先监测和在突破口的设计方法，综合地质信息分析系统，时空综合分析方法等）。另外，还扼要讨论了如何将ＥＧＭＳ用于五强溪水电站船闸边坡的问题。     

BOTDR技术在边坡表面变形监测中的应用

针对普通监测手段和技术应用上的不足,采用BOTDR技术监测坡体表面变形发展。分析了监测实施过程中光纤传感器的固定及温度补偿问题,介绍了BOTDR在浙江省龙丽高速公路官家滑坡中的铺设手段。根据官家滑坡的工程环境特点,在坡体上采用植入式固定方式;前缘坡面布设光纤时,引入准分布式监测理念,使用专用夹具定点固定光纤。现场监测结果表明：植入式固定方式,宜选用外径较小的紧套光纤,能使其较好地保持同步协调变形,且光纤因护套影响小而灵敏性较高;定点固定方式,易选用外径较大的光纤,适宜于坡面监测环境。植入式固定方式,若坡体内温度场变化较小,可不进行温度补偿;若坡面温度变化较大,可选取与监测环境温度场相似区布设松套光纤进行温度补偿。对监测过程中实施光纤的固定及温度补偿手段进行了改进讨论。     

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能,分别从理论与试验两个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤、中间体和基体结构力学分析模型,进行光纤应变传递机制理论分析,计算了光纤应变传递效率;使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌,进行了2组不同加载速率的试验。其中,在同一根梁内（同一工况）设计6种光纤的布设方式,以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载,使用BOFDA（布里渊散射光频域分析）技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明：6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段,光纤与梁耦合性最好;钢筋开始屈服直至梁破坏阶段,光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态,此过程光纤与梁耦合性较差;除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3 000×10?6外,其余布设方式光纤有效监测应变差为2 000×10?6;光纤在长距离（>>146 mm）埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%,2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究,监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的,可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。     

FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究

管桩施工过程中常出现桩身裂缝、爆桩等病害。将具有实时动态监测功能的布拉格光纤光栅（FBG）准分布式光纤传感监测技术和具有分布式监测功能的布里渊散射光时域分析技术（BOTDA）联合应用到管桩打入过程中的监测,提出了分布式光纤传感技术数据处理方法,设计了管桩打入过程的模型试验。试验结果表明,FBG传感技术能够较好地动态监测打入过程中桩身应变变化特征,反映桩身不同部位随不同深度应变变化规律;BOTDA分布式光纤传感技术能够较好地监测管桩在打入过程中暂停（接管）状态下桩身应变变化特征;根据应变变化分析管桩受偏心荷载程度,分析管桩是否出现裂缝、破坏等病害,研究管桩打入过程中桩土作用规律。试验结果还表明,FBG联合BOTDA光纤监测技术在管桩打入过程中监测管桩质量具有广阔的技术优势和应用前景。     

TDR技术在公路边坡监测中的应用试验

针对时域反射法（TDR）在边坡工程监测中的应用,在简要阐述TDR技术基本原理的基础上,通过对几种不同型号同轴电缆进行室内剪切试验和在实际工程的施工过程监测系统中进行应用试验,研究了不同型号同轴电缆在相同剪切变形条件下TDR波形的不同反映,对比分析了TDR技术与钻孔测斜技术的监测结果,得出了TDR技术能快速、经济、安全、准确确定边坡滑动面位置的结论,并提出了应根据监测目的选择不同型号同轴电缆的应用准则。研究表明,TDR技术非常适用于边坡勘察。     

陆域强震及火山空天监测集成系统可行性研究

随着空间技术，空间对地预测技术和天测技术的发展，已经逐渐在陆域强震及火山灾害的监测预测领域发挥作用。近几年，有关部门进行了陆域强震及火山活动前兆异常的卫星热红外遥感（TIRS）、全球卫星定位系统（GPS）、合成孔径雷达差分干涉测量（D-INSAR）、天文时纬残差异常、引潮力触震机制和地理信息系统（GIS）等地震与火山短临期监测预测的实验与预研究，在基础理论和应用方法方面都有了相当的研究基础，实验和研究认为，这些空天观测技术是响应高频地壳运动的有效手段，如果将这些分散的科研力量和研究成果通过集成比较完整的空天监测预测体系，争取在我国主要强震火山省区建成强震火山灾害的空间、天测、地面、深部地质与宏观异常（简称空天地深宏）相结合的立体监测系统，将使我国的地震监测预报水平进入高技术发展阶段。     

基于DOFS的水位变化下土质边坡模型稳定性试验研究

作为实现分布式监测技术(DOFS)的重要手段,光纤感测技术近年来得到了迅速的发展。这一技术在地质灾害和岩土工程监测领域有着巨大的应用潜力。本文基于布里渊光时域分析(BOTDA)和布喇格光栅(FBG)两种感测技术,设计了土质边坡稳定性分布式监测室内模型。通过模型试验,重点研究了水位变化作用下土质边坡内部应力分布以及边坡的破坏过程,根据FBG与BOTDA的应变数据,对土质边坡稳定性进行了评价,验证了BOTDA和FBG分布式光纤感测技术应用于土质边坡变形监测的可行性。研究成果对于光纤分布式感测技术的应用研发和在多场作用下的土质边坡稳定性分析具有重要的意义。     

基于弱光栅技术的地面沉降自动化监测系统

光纤监测技术具有分布式、精度高等特点,在地面沉降监测中具有独特优势。但受限于监测成本较高与监测环境复杂,目前地面沉降光纤监测多通过人工采集数据,限制了在特殊环境变化情况下地面沉降的实时信息获取。文章在地面沉降钻孔全断面光纤监测技术的基础上,设计并建立了基于弱光栅技术的地面沉降自动化监测系统。该监测系统利用弱反射光栅、时分复用、物联网和数据库等技术,通过4G无线通信手段实现了地面沉降在线自动化监测和远程数据实时采集,并通过客户端系统软件实现数据的存储、查询和分析。将其应用到衡水地区地面沉降监测中,结果表明:钻孔内土层压缩变形主要发生在以黏性土为主的隔水层（Ad2、Ad3、Ad4）;受季节性地下水开采的影响,钻孔100～400 m深度范围内砂土含水层存在波动变化,在监测期内,冬季略回弹,随后春季地下水开采量增大,地下水位下降,土层呈现压缩趋势。监测结果验证了该系统的可行性与准确性,使得整个地面沉降监测流程趋于自动化、规范化和低成本化,具有广泛的应用前景。     

深圳市龙岗中心城岩溶塌陷光纤传感监测研究

岩溶塌陷具有的突发性、隐蔽性、不确定性,使其监测、预警预报问题一直未解决。通过多年的研发,光纤传感器监测技术已成为当今最为先进的岩土变形现场监测技术,特别是BOTDR技术,它的分布式、长距离、远程实时监控以及光纤耐久性好的特点正好弥补了传统监测技术的不足。目前光纤传感技术在岩溶塌陷（沉陷）灾害的监测上开展工作较少,本次工作主要目的为利用光纤传感技术实时监测岩溶塌陷。     

采水型地裂缝发育演化模型试验研究

为了研究苏南地区采水型地裂缝成因演化机制,设计建成了抽水与潜山条件大型物理模型系统,运用光纤传感监测技术手段,模拟地裂缝演化进程,并对其分布规律、成因机制做出总结归纳。试验结果表明:（1）模型试验中光纤传感技术能够较为准确地对水位、应力-应变分布等参数进行监测;基于光纤传感技术的模型试验系统为地裂缝研究提供新的方法与手段;（2）岩土体张应力集中区与地裂缝发育位置基本对应,岩土体的张应力集中是判断地裂缝发育阶段的重要标志;（3）通过地裂缝走向玫瑰花图显示,模型平坦区地裂缝发育方向沿排水孔呈放射状分布;而潜山区域地裂缝发育具明显的方向一致性,且与潜山等高线平行;（4）地裂缝分布同时受抽水差异性沉降及潜山形态位置控制。     

考虑埋入长度效应的应变传感光纤-土体界面特性试验研究

随着光纤传感技术越来越多地应用于地质灾害和岩土变形监测,理解应变传感光纤与周围岩土体之间的变形耦合机理成为监测结果分析中的重要一环。但是相关的研究较少,尤其是有关埋入长度对传感光纤-土体界面特性及应变传递过程的影响尚未得到充分的认识。本文通过拉拔试验,研究了不同埋入长度条件下纤-土界面的力学性质,并采用一个数学模型对拉拔曲线进行了预测。结果表明:该模型能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线;有效拉拔位移和最大拉拔力均随着埋入长度的增加而线性增加;而传感光纤-土体界面抗剪强度则随着埋入长度的增加而降低。在此基础上,采用布里渊光时域分析技术（BOTDA）获取了传感光纤与土体界面逐渐脱离过程中光纤的应变分布情况,并计算了纤-土界面剪应力分布特征及其演化过程,结果进一步证实界面破坏有高度的渐进性。这些结果为掌握应变传感光纤与周围土体之间的协调变形机制提供了参考,为促进光纤传感技术应用于岩土变形监测打下了基础。     

基于分布式光纤传感技术的渗流监测理论研究

从阐述多孔介质传热过程出发,逐一分析了在非渗流及渗流情况下,光纤与多孔介质之间的传热过程,详细分析了光纤与水流对流的传热过程,推导了多孔介质中渗流水和光纤之间的换热系数计算公式。在一定假设条件下,推导了导热系数（渗流流速）、加热功率和温升的非渗流情况与渗流情况监测理论方程,为分布式光纤传感技术监测渗流的应用提供了坚实的理论基础。     

热脉冲法监测集中渗漏的模型试验

基于光纤布拉格光栅（FBG）传感系统,提出了适用于土石坝心墙集中渗漏监测的热脉冲法。采用由传感加热单元、稳压电源、调压器、光纤光栅解调仪组成的监测系统进行了集中渗漏监测的模型试验。首先进行了骨料干燥和湿润条件下的试验,试验结果表明,采用温升作为判别指标难于对渗漏状态作出准确判断,为此定义了2个无量纲的判别指标? 和 ? 。采用两种渗漏流量进行了试验,并分别采用? 和 ? 进行了渗漏状态的识别,结果表明2个判别指标均能进行渗漏的准确定位,且能定性反映渗漏强度的大小,采用? 作为判别指标的识别效果优于?。     

分布式布里渊光纤传感技术在海堤沉降监测中的应用

阐述了海堤沉降长期在线监测的重要性,介绍了利用分布式布里渊光纤传感技术（布里渊光纤应变仪BOTDR）对上海临港新城海堤k3+640和k3+780两个断面进行长期监测的系统设计、实施和监测结果。通过对k3+780断面光纤传感数据和水准观测数据比对表明,最大应变位置与现场冲泥管带位置吻合;计算得到了断面沉降分布,其趋势和现场情况以及水准测量结果吻合;5个原位观测点上最大偏差为94 mm,平均偏差为39.2 mm。     

一例由蓄水诱发的库岸边坡变形

加拿大Oldman坝的库岸边坡主要由近水平、互层的砂岩及泥岩构造，自1993年开始蓄水以来库岸边坡一直处于变形之中。文章在简介区域地质条件、工程地质条件和水库蓄水诱发变形的基础上，对变形诱发机制进行了讨论。基于监测资料分析：（1）由于水库库边坡的卸荷裂隙十分发育， 提供了快速的水力通道， 蓄水期水对库岸边坡稳定存在不利影响；（2）该例的泥岩不存在膨胀性；（3）库岸边坡变形是由于水的快速渗透导致有效应力降低和泥岩软化，库岸边坡应力重新调整引起的；（4）对于软岩边坡，特别是库岸软岩边坡变形稳定分析比强度稳定分析更重要。     

光纤光栅应变传感器在地质灾害上的应用

根据光纤光栅传感的原理,提出了光纤光栅式封装应变传感器,对其传感特性进行了研究,并进行了室内实验。结合光栅传感监测滑坡的应用实例,探讨了光纤布拉格光栅传感元件在滑坡体上的布设工艺及监测过程。分析初期的监测结果,针对监测系统可能出现的问题提出了解决途径。     

光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用

与传统电、磁及机械传感器相比,光纤传感器集传输、传感于一体,具有诸多独特优势,在各领域中均存在广泛、特殊的应用前景和潜力。目前研究最多、应用最广泛、在该领域内占重要地位的两类光纤传感器是光纤光栅传感器和分布式光纤传感器,前者以光纤Bragg光栅（FBG）传感器为主,后者以基于拉曼散射的分布式温度传感器（DTS）和基于布里渊散射的分布式温度应变传感器（DTSS）为主。着重阐述了这两类光纤传感器在地质矿产勘探中的应用：光纤地震检波器在石油勘探中的应用、DTS和光纤光栅压力传感器在油页岩勘探中的应用、光纤传感器在智能完井中的应用以及光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用。光纤传感器目前存在规范性差、成品率低等的问题,特殊结构或特殊用途的光纤传感器的研制是未来发展方向。     

用于隧道变形监测的分布式光纤定点式布设监测误差测定研究

使用分布式光纤进行隧道变形监测,当采用定点的方式来固定传感光纤时,为了更灵敏地感测隧道变形,需要对锚固点之间的应变光纤进行预拉处理。在进行预拉的同时,光纤内部产生一定量预拉应变值,试验表明,施加不同的预拉量对该光纤的监测结果会产生一定的影响。为了减小光纤监测的误差,提高光纤的监测精度,根据感测光纤的应变特性、力学特性设计了光纤的张拉试验方案、构建了试验系统,进行了不同初始预拉值下的光纤张拉试验。通过对监测数据计算与分析,获得了两种特制传感光纤的最佳初始预拉值。结合以上研究成果,在北京市地铁8号线三期工程大红门桥站-和义站区间采用定点方式布设了传感光纤进行了监测。该研究结果可以为结构健康监测工程中传感光纤的布设问题提供参考。