分布式光纤应变测量技术在滑坡早期预警中的应用

简要介绍了布里渊散射光时域反射测量技术(简称BOTDR)在工程监测方面的最新发展,并结合具体的滑坡监测方案,讨论了该技术应用在滑坡预警中的可行性.目前的研究成果表明,该技术具有常规监测技术所不具有的诸多优点,如分布式、长距离和实时性等,可满足滑坡早期预警和防护工程安全监测要求,同时仍有许多相关课题有待研究,如温度影响、铺设技术和疲劳效应等等.     

煤层底板采动变形分布式光纤监测与分析

结合淮南某矿实例, 设计了煤层底板变形的分布式光纤监测方案, 采用BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, 布里渊光时域反射计)分布式光纤传感技术, 对埋设在煤层底板内的传感光缆的变形状态进行了监测, 结合煤层底板的地层结构和传感光缆应变的时空演化规律, 分析了工作面在推进过程中, 煤层底板岩体变形的分布特征及其变化规律。结果表明BOTDR分布式光纤传感技术可以比较准确地反映煤层底板的变形情况, 能够监测底板渐进变形破坏发展的全过程, 进而可以对底板的破坏深度做出比较准确的判断。本次研究为煤层地板破坏深度的探测提供了一种新方法。     

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。     

构造模拟实验中的光纤应变测量

在砂箱中埋设光纤模拟脆性挤压变形,运用布里渊光时域反射测量技术(BOTDR)对光纤应变分布进行测量,并与模型变形比较。研究结果表明,光纤应变传感技术可以用来测量构造模拟实验中的应变大小,模型中的应变是由挤压部位逐渐向挤压前方传递的,应变量剧增的部位是断裂或褶皱构造发育的位置,从而可以运用光纤传感技术预测模型潜在的变形位置,为进一步进行模型内部应变研究打下基础。     

基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测

采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术（BOTDR）,监测煤层采动过程中覆岩的变形情况。以淮南矿区某工作面为例,在煤层开采之前,通过钻孔安装工艺将分布式传感光缆植入到覆岩中,然后进行封孔注浆,使传感光缆与围岩变形协调。随着工作面的逐步推进,通过获取和分析传感光缆的应变分布特征及其动态变化过程,得到了煤层采动过程中覆岩的变形及破坏状态。最大拉应变位于孔深5m处,应变量是8350με;最大压应变位于孔深37m,应变量约为-550με。光缆应变与地层具有很好的对应关系,在岩性相对较软的地层（如泥岩）中,拉应变值相对较大,而在岩性相对较硬的地层（如砂岩）中,应变量较小且多为压应变。根据光缆的应变分布得到的沿钻孔方向地层的最大变形量为34mm,巷道围岩松动圈范围约为6m。研究结果表明,BOTDR分布式光纤传感技术能够准确地获取覆岩的变形分布及其变化情况,该技术的应用可以为深部煤层的安全高效开采提供可靠的依据。     

基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究

可以实现分布式、长距离、实时监测的BOTDR监测技术已在土木工程领域得到了较为广泛的应用,但在岩土工程领域的应用研究起步较晚,相关技术还有待于进一步完善。以布里渊BOTDR的巷道/隧道应变监测技术为基础,研究了沿巷道轴向进行一维布设的光纤应变测量值与隧道顶板沉降变形之间的关系。首先,根据巷道/隧道顶板的变形规律,建立了光纤沿巷道/隧道轴向发生的应变与巷道/隧道顶板的沉降变形之间的数学模型,即圆弧模型、抛物线模型和三角形模型。其次,对巷道/隧道顶板的沉降变形与光纤应变之间的关系进行了试验研究。对比分析表明,理论计算值与试验值具有很好的一致性。利用圆弧模型、抛物线模型和三角形模型等3个计算模型,可以将光纤应变与顶板沉降联系起来,这对于BOTDR技术的应用与推广具有重要的理论意义和工程实用价值。     

分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用

将分布式光纤传感技术引入滑坡监测,既可得到整个滑坡体的概要特征,又能提高监测效率。FBG与BOTDR是两种最具代表性的分布式光纤传感技术,FBG通过测量其反射光波长的变化获得应变或温度值。BOTDR通过测定后向布里渊散射光的频移实现分布式温度、应变测量。FBG传感器灵敏度高,但只能实现离散点的准分布式测量,BOTDR可实现分布式、长距离、不间断测量,但其空间分辨率不高。笔者提出FBG与BOTDR联合监测滑坡的方案。在巫山残联滑坡,在整个滑坡体上铺设监测光纤,利用BOTDR获得整个滑坡体的概要信息;在滑坡体变形的关键部位———变形缝安装FBG传感器,获得某些关键部位的应变信息,从而实现由点到线再到面的监测,获得滑坡体较完整的应变信息。     

黏性土体干缩变形分布式光纤监测试验研究

土体变形监测是岩土工程监测中的一项重要工作,具有规模大、工程环境差异性大、实时动态监测等特点,因此,常规的一些点式监测手段已不能满足要求。布里渊散射光时域反射测量技术（BOTDR）是一项新型光电传感监测技术,它利用布里渊散射光的光谱和光时域测量技术,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。应用这一技术对土体干缩变形进行了监测,并对土体干缩变形规律进行了分析,验证了该技术应用于土体变形监测中的可行性。     

煤层采动覆岩变形分布式光纤感测技术现场试验研究

本文介绍了BOTDR分布式光纤感测原理,选取淮北某矿勘探孔,结合该矿煤层开采过程,对10414工作面采动覆岩变形分布式光纤感测技术进行了现场试验研究,包括监测方案选取、感测光纤布设工艺、数据处理分析等。分析了煤层采动覆岩变形规律。试验结果表明：开采过程中,上火成岩底部和下岩体之间存在破裂面,下部岩体沿破裂面产生离层,并发生斜向采煤工作面的滑移。下火成岩底部至下岩体受上覆岩体重力作用产生压缩变形,且变形量不断增大。试验结果进一步验证了基于BOTDR的采动覆岩变形分布式光纤监测方法十分有效,为实现煤矿安全高效开采提供了一种新的监测技术。     

基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究

隧道沉降是评估隧道结构安全性和稳定性的重要指标,通过分布式光纤监测技术,可以获得被测部位的应变分布情况,但不能直观地反映出隧道各个部位的沉降量大小。提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型,将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来,并通过理论推导、数值模拟、室内试验,验证了模型的可行性。通过北京轨道交通新机场线07标暗挖区间分布式光纤监测项目,对隧道临时支护的破除阶段进行了监测,获得了不同工况下隧道拱顶处的应变曲线,并借助提出的隧道沉降反演模型,对隧道拱顶沉降进行了计算,计算结果和现场实测结果能够较好的吻合,其误差可以满足工程需要。研究结果可以为分布式光纤传感技术应用于隧道沉降监测提供理论与试验基础。     

Test on application of distributed fiber optic sensing technique into soil slope monitoring

Brillouin optical time-domain reflectometer (BOTDR), a newly developed distributed fiber optic sensing technique, has been proved to be a very suitable and useful technique for monitoring and early warning of structural engineering by laboratory tests and practical projects due to its unique functions, such as distributing, long distance, anti-electromagnetic interference, waterproof, etc. However, its application to geotechnical engineering, especially soil-slope engineering, has been less carried out due to the complexity of the characteristics of geotechnical materials in the field. In this paper, BOTDR technique is applied to monitor the deformation of a laboratory soil-slope model in small scale in order to test the feasibility and early-warning characteristics of this technique with monitoring the deformation of soil slope. Different types of optical fibers are planted directly in the soil-slope model or bonded to geotextiles and geogrids that are planted in the fillings of the test model. Strain measurements of the model slope under various loads are obtained by BOTDR. By data processing and analysis, the abnormal strains can be obtained distributively, and the position of the abnormal strains can be located as well. The results show much valuable information for applications of BOTDR technique into soil-slope engineering. The test proves that the BOTDR technique can be used to ensure the stability of artificial soil slope and is useful for monitoring and early warning of the artificial soil-slope engineering.     

地质灾害监测技术现状与发展趋势

文章对地质灾害监测方法、监测仪器进行了系统归类。详细介绍了崩滑体变形监测、物理场与化学场监测、地下水监测和滑坡等诱发因素监测方法、特点。对地质灾害监测方法的应用现状进行了总结；文章还介绍了BOTDR新技术的起源与发展、基本原理和应用于地质灾害监测的几个关键问题；对地质灾害监测方法的发展趋势进行了预测；最后文章提出了进行地质灾害监测技术优化集成的基础和优化原则。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。     

地质灾害治理的产业化分析

我国地质灾害种类多、分布广、危害大、形势严峻。本文通过分析地质灾害治理中的外部性、产权及其治理机制,指出至少有天灾、历史遗留欠账、治理主体难以明确的共三类地质灾害的治理是需要国家财政负担。本文提出,针对这三个类型的地质灾害治理,通过对地质灾害发生地的土地、矿产和地质资源创建产权,并与地质灾害治理捆绑出让,获得地质灾害的长效治理,最后提出了若干建议。     

徐州市地质灾害特征与防治研究

徐州市矿产资源和地下水资源开采历史悠久,诱发了崩塌、地面塌陷、地面沉降等多种类型的地质灾害.为摸清徐州市地质灾害发育特征、发展趋势及其危险程度,更好地指导地质灾害防治工作,在徐州市地质调查和徐州市矿山地质环境调查的基础上,结合徐州市近年来的地质灾害调查与防治工作,阐述了各种地质灾害的类型,分析了徐州市各种地质灾害的形成机理、成因特征及其空间分布,并结合灾害地质环境条件,预测了各种地质灾害的发展趋势,提出了相应的防治措施.目前,徐州市地质灾害防治工作取得了一定的成效,可为其他区域的地质灾害防治工作提供参考.     

基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究

在基坑开挖和支护过程中深部土体的水平位移监测是一项十分重要的工作。布里渊光时域反射计（BOTDR）是近年来国际上研发成功的一项新型的分布式光电传感技术。通过该技术,将传感光纤按照一定的工艺粘贴在埋置于土体中的测斜管上,由传感光纤实测的应变分布,可以实现深部土体水平位移的在线监测。通过室内的模型模拟试验,由实测的光纤应变可以准确地得到测斜管上任意一点的水平位移。结合南京市某深基坑进行的现场试验,探讨了基于BOTDR的分布式光纤传感器应用于基坑深部土体水平位移监测的具体施工工艺,验证了该技术在实际工程中应用的可行性。     

GIS技术在四川省九龙县地质灾害危险性评价中的应用

文章结合九龙县地质灾害调查与区划项目,在对全县地质灾害特征和影响因素调查基础上,探讨了GIS技术在九龙县地质灾害危险性评价中的应用,描述了GIS图形处理和空间分析功能支持下的地质灾害危险性评价思路,并介绍了评价因子选取、栅格单元划分、结果评价等问题。分析结果表明,将GIS技术应用于九龙县地质灾害危险性评价中可以提高评价效率和准确性,评价效果较好。     

我国煤矿的主要地质灾害及防治对策

文章综合分析了煤矿区地震、滑坡、地面沉陷与塌陷、煤与瓦斯突出及突水等主要地质灾害。通过对各类灾害特征、成生机理及危害的研究，认为(1)煤矿地质灾害严重地危害着矿山正常生产和人民生活；(2)煤矿矿震生成主要是脆硬-软地层结构、褶皱构造、构造活化区及地下水突变、采煤卸载等内外环境因子综合作用的结果；(3)煤矿滑坡、地面沉陷及塌陷、煤与瓦斯突出和突水等地质灾害是矿区工程活动破坏了地质构造和生态环境、山体原始平衡所致。在此基础上，提出了煤矿地质灾害链和防御措施。