本實用新型涉及邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報裝置。

背景技術(shù)：

對于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，滑坡問題一直是阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定的攔路石，所以如何進(jìn)行邊坡體的變形監(jiān)測、失穩(wěn)預(yù)測和預(yù)警預(yù)報成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)行邊坡的位移監(jiān)測方法及其特點(diǎn)如下：

1.坡面監(jiān)測：通常使用經(jīng)緯儀、全站儀、GPS、InSAR等技術(shù)進(jìn)行定點(diǎn)坡面監(jiān)測，但滑坡體可能存在坡面位移與坡體內(nèi)部位移不一致的情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅受到天氣狀況的影響，而且也不能真實地反映邊坡內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.坡體內(nèi)部監(jiān)測：傳統(tǒng)的邊坡內(nèi)部監(jiān)測方法多采用鉆孔測斜儀、多點(diǎn)位移計等，根據(jù)滑坡體位移測值來評價邊坡的整體穩(wěn)定狀態(tài)。而大量研究數(shù)據(jù)表明，滑坡體在滑移前，其坡體內(nèi)部的位移值可能很小，而傳統(tǒng)的巖土監(jiān)測設(shè)備受到隨機(jī)和系統(tǒng)誤差等因素的影響，往往不能識別出很小的位移閾值，難以滿足滑坡預(yù)警的精度要求。

另一方面，從監(jiān)測技術(shù)角度來考慮，當(dāng)前邊坡監(jiān)測技術(shù)大多使用電學(xué)類、振弦類等傳感器，與光纖傳感技術(shù)相比，其精度、穩(wěn)定性以及實時性均處于劣勢。光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、防腐蝕、抗電磁干擾、多參量監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，能較為全面地監(jiān)測邊坡體在內(nèi)外動力地質(zhì)作用下深部應(yīng)變場、滲流場、位移場的變化過程。近年來，該技術(shù)逐漸開始被應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，但成功的案例不多。國內(nèi)外目前的應(yīng)用多采用以光纖布拉格光柵為傳感元件的固定式測斜儀、沉降儀，或者將應(yīng)變感測光纖豎向和水平向埋設(shè)于邊坡體中，傳感精度、靈敏度受到安裝工藝的影響，不能充分發(fā)揮光纖傳感技術(shù)在探測滑動面、評估邊坡穩(wěn)定性方面的長處。

本實用新型基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，提出了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報方法，為邊坡穩(wěn)定性科學(xué)評估、滑動面探測和滑前預(yù)報提供了一種新的技術(shù)方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型正是考慮到傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方法在數(shù)據(jù)精度、穩(wěn)定性、實時性等方面的不足，改進(jìn)了基于光纖傳感的邊坡監(jiān)測裝置，采用一種全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的方式來監(jiān)測邊坡的垂向應(yīng)變、土壤含水率，從而獲取邊坡體內(nèi)的變形和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以此來實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的評估和滑動面的探測。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的采取的技術(shù)方案是：一種基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報裝置，巖土質(zhì)邊坡采用全取芯方式設(shè)置鉆孔，在每個鉆孔中埋設(shè)一根全光纖綜合測管，通過數(shù)據(jù)傳輸光纜連接全光纖綜合測管和光纖解調(diào)儀、無線傳輸設(shè)備及計算機(jī)，共同組成一個邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報裝置；所述的全光纖綜合測管包括一段用于土壤含水率探測的溫度感測光纖、兩段用于滑動面剪切變形監(jiān)測的應(yīng)變感測光纖和一段溫度補(bǔ)償光纖，按照溫度感測光纖、一段應(yīng)變感測光纖、溫度補(bǔ)償光纖再一段應(yīng)變感測光纖的順序串聯(lián)，所述的溫度感測光纖在全光纖綜合測管的外部，兩段應(yīng)變感測光纖分別固定在全光纖綜合測管的內(nèi)壁兩側(cè)，中間為溫度補(bǔ)償光纖，四段光纖大體呈“W”型布置。

全光纖綜合測管埋設(shè)于所述邊坡坡頂和坡面不同位置處的鉆孔內(nèi)，鉆孔直徑范圍是100-200mm，沿著與土質(zhì)邊坡潛在滑動面或順層巖質(zhì)邊坡和巖土混合邊坡節(jié)理面、基巖面相垂直的方向。

所述的溫度感測光纖為碳纖維護(hù)套光纜用于土壤含水率監(jiān)測，所述的應(yīng)變感測光纖為緊 包光纜，所述的溫度補(bǔ)償光纖為松套光纜。

所述的全光纖綜合測管的直徑為30-100mm。

所述的溫度感測光纖的結(jié)構(gòu)為：中間為0.9mm直徑的單模單芯溫度感測光纖，外面松套碳纖維絲和高分子護(hù)套，所述的溫度感測光纖的外徑為3-5mm。

所述應(yīng)變感測光纖的結(jié)構(gòu)為：中間為0.9mm直徑的單模單芯應(yīng)變感測光纖，光纖外面緊包高分子護(hù)套，所述的應(yīng)變感測光纖的外徑為1.5-4mm。

所述溫度補(bǔ)償光纖的結(jié)構(gòu)為：中間為0.9mm直徑的單模單芯光纖，光纖外面松套Kevlar纖維或金屬管，所述的溫度補(bǔ)償光纖的外徑為2-5mm。

鉆孔深度為到達(dá)基巖層以下20-50cm。

該實用新型與傳統(tǒng)的邊坡位移監(jiān)測法以及近年來提出的橫向應(yīng)變監(jiān)測法相比，有如下有益效果：

1.傳統(tǒng)的邊坡位移監(jiān)測法通過鉆孔測斜儀等設(shè)備監(jiān)測邊坡體內(nèi)位移狀態(tài)存在因位移值較小而不易被測斜儀捕捉等問題，而全光纖綜合測管可捕捉低于1～10με的微小應(yīng)變，可實時準(zhǔn)確地獲取邊坡內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.工程實踐中鉆孔很難橫向鉆進(jìn)，通過在垂向鉆孔中布設(shè)光纖回路，可獲取邊坡體內(nèi)部垂向應(yīng)變狀態(tài)，提高監(jiān)測靈敏度，對土質(zhì)邊坡、順層巖質(zhì)邊坡或巖土混合邊坡的滑動面進(jìn)行高精度的定位。

3.本實用新型提供了一種全新的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報方法。該實用新型通過建立垂向特征向應(yīng)變與安全系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系，可準(zhǔn)確地識別邊坡體的臨界安全狀態(tài)，實現(xiàn)了邊坡體內(nèi)部垂向應(yīng)變的測量，為邊坡穩(wěn)定性評價提供了一種新的研究思路。

本實用新型給出了一種基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報方法，下面將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

附圖1是基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；

附圖2(a)是邊坡鉆孔中全光纖綜合測管縱向切面示意圖；

附圖2(b)是邊坡鉆孔中全光纖綜合測管橫向切面示意圖；

附圖3(a)是土質(zhì)邊坡監(jiān)測布設(shè)示意圖；

附圖3(b)是順層巖質(zhì)邊坡監(jiān)測布設(shè)示意圖；

附圖4是邊坡垂向應(yīng)變特征值與安全系數(shù)關(guān)系圖。

其中，1是全光纖綜合測管，2是數(shù)據(jù)傳輸光纜，3是光纖解調(diào)儀，4是計算機(jī)，5是滑坡體，6是邊坡潛在滑動面，7是碳纖維護(hù)套光纜，8是應(yīng)變感測光纜，9是溫度補(bǔ)償光纜，10是隔離溫度補(bǔ)償光纜的金屬管，11是鉆孔灌漿材料或回填土，12是鉆孔，13是垂向應(yīng)變分布曲線，14是邊坡節(jié)理面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型的基于邊坡分布式垂向應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測的預(yù)警裝置作進(jìn)一步的說明。

一種基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警預(yù)報裝置，由埋設(shè)于若干個鉆孔內(nèi)的全光纖綜合測管、光纖解調(diào)儀、無線傳輸設(shè)備、計算機(jī)等部分組成，以此來監(jiān)測邊坡不同位置處的垂向應(yīng)變、土壤含水率。上述的全光纖綜合測管埋設(shè)于巖土質(zhì)邊坡坡頂和坡面不同位置處的鉆孔內(nèi)，鉆孔沿著與潛在滑動面(對于土質(zhì)邊坡來說)或節(jié)理面、基巖面(對于 順層巖質(zhì)邊坡和巖土混合邊坡來說)相垂直的方向。在每個鉆孔中埋設(shè)一根全光纖綜合測管，并采用泥漿或細(xì)砂回填封孔。該測管上有一段用于土壤含水率探測的溫度感測光纜，兩段用于滑動面剪切變形監(jiān)測的應(yīng)變感測光纜，以及一段溫度補(bǔ)償光纜。各段光纜相互熔接，并與光纖解調(diào)儀連接，組成回路，基于DTS、BOTDA或FBG等光纖傳感技術(shù)讀數(shù)到電腦上，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，以上裝置共同組成一個邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和滑坡預(yù)警系統(tǒng)。

邊坡上鉆孔的布置原則和步驟是：

首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)的大地構(gòu)造、斷裂構(gòu)造，進(jìn)行地質(zhì)勘探工作，確定可以布設(shè)鉆孔的大體區(qū)域。然后沿邊坡的走向和傾向各布設(shè)若干個鉆孔，使鉆孔盡可能地在坡體上形成監(jiān)測網(wǎng)。

鉆孔鉆入角度的原則是：

1.對于土質(zhì)邊坡，首先通過極限平衡、有限單元強(qiáng)度折減等方法，確定邊坡的潛在滑動面，緊接著將鉆孔沿著垂直于滑動面的方向鉆入邊坡中。

2.對于順層巖質(zhì)邊坡或巖土混合邊坡，通過勘探法確定邊坡的產(chǎn)狀，然后按照垂直于邊坡節(jié)理面、基巖面的方向布設(shè)鉆孔。

全光纖綜合測管制作和布設(shè)的原則和步驟是：

每根全光纖綜合測管外部自上而下安裝一段具有碳纖維護(hù)套的光纜，再采用全黏貼方式將一段緊包光纜自下而上固定在測管一側(cè)管壁上，并串聯(lián)一段松套光纜由測管頂部繞回測管內(nèi)部，延伸至管底后再串聯(lián)一段緊包光纜，緊緊黏貼在測管的另一側(cè)管壁上直至頂部，總體上使四段光纜在測管上呈“W”型連接。其中測管外部的一段碳纖維護(hù)套光纜為土壤含水率監(jiān)測光纜，緊緊黏貼在測管管壁上的兩段緊包光纜為應(yīng)變感測光纜，而測管內(nèi)部的一段松套光纜為溫度補(bǔ)償光纜。

作為優(yōu)選，所述光纜依附的測管的規(guī)格為：直徑為30-100mm，材料為PVC、ABS等高分子材料，或者鋁合金等金屬材料。

作為優(yōu)選，粘貼在測斜管上的感測光纜需要施加一定大小的預(yù)應(yīng)力，使光纜有一定的初始應(yīng)變。

作為優(yōu)選，所述溫度補(bǔ)償光纜內(nèi)部為0.9mm直徑的單模單芯光纖，光纖外面松套Kevlar纖維或金屬管，光纜外徑為2-5mm；

作為優(yōu)選，所述應(yīng)變感測光纜內(nèi)部為0.9mm直徑的單模單芯應(yīng)變感測光纖，光纖外面緊包高分子護(hù)套材料，光纜外徑為1.5-4mm；

作為優(yōu)選，所述碳纖維護(hù)套光纜內(nèi)部為0.9mm直徑的單模單芯溫度感測光纖，光纖外面松套碳纖維絲和高分子護(hù)套材料，光纜外徑為3-5mm。通過碳纖維絲可以對光纜均勻加熱，并通過散熱曲線間接測得土壤含水率。

作為優(yōu)選，所述垂向鉆孔的直徑范圍為100-200mm。

作為優(yōu)選，鉆孔達(dá)到的深度到達(dá)基巖層以下20-50cm。

進(jìn)一步地，本實用新型還提供了上述基于邊坡垂向應(yīng)變狀態(tài)的預(yù)警方法，包括如下步驟：

按照上述監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和布設(shè)方法，對一定時期內(nèi)邊坡的受力變形和含水率情況進(jìn)行監(jiān)測，然后結(jié)合極限平衡、有限元強(qiáng)度折減等方法獲取該狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)。根據(jù)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將每個鉆孔中的測管兩側(cè)應(yīng)變感測光纜的應(yīng)變測值進(jìn)行算術(shù)平均處理，并基于溫度補(bǔ)償光纜的讀數(shù)扣除溫度的影響，得到該鉆孔的實際應(yīng)變數(shù)據(jù)庫。從鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)庫中選取邊坡垂向應(yīng)變特征值。該特征值可取為邊坡所有垂向應(yīng)變監(jiān)測線上應(yīng)變最大值的平均值，每個鉆孔中垂向應(yīng)變值中的最大值，或者所有鉆孔中光纖垂向應(yīng)變最大值的平均值。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的積累，建立邊坡垂向應(yīng)變特征值與邊坡安全系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實時應(yīng)變監(jiān)測值可推算出此時邊坡的安全系數(shù)。當(dāng)安全系數(shù)大于1.2時，邊坡處于安全狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)介于1.2(包括1.2)和1.0之間時，處于預(yù)警狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)等于1.0時，處于臨界滑動狀態(tài)。

除了上面所述的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法之外，本實用新型還提供了一種滑動面定位和滑動位移估算的思路。具體的實施方式如下：每根全光纖綜合測管會實時記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，當(dāng)滑坡體內(nèi)部應(yīng)力集中導(dǎo)致邊坡逐漸下滑時，應(yīng)變數(shù)據(jù)會在每個鉆孔的某些部位達(dá)到突變峰值，該突變峰值區(qū)域即對應(yīng)于鉆孔和邊坡潛在滑動面的交點(diǎn)。應(yīng)變感測光纜所測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)和該處滑坡面的剪切位移成正比。連接不同監(jiān)測線上的應(yīng)變突變峰值區(qū)域即得到該滑坡的臨界滑動面位置。根據(jù)光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確識別滑動面的孕育、發(fā)生和發(fā)展整個過程，并判斷多級潛在滑動面的位置。

實施例

一種邊坡分布式垂向應(yīng)變監(jiān)測預(yù)警方法，首先包括全光纖綜合測管1、若干根數(shù)據(jù)傳輸光纜2、光纖解調(diào)儀3和計算機(jī)4等共同組成一個邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)。所述全光纖綜合測管外部自上而下安裝一段具有碳纖維護(hù)套的光纜7，再采用全黏貼方式將一段緊包光纜自下而上固定在測管一側(cè)管壁上，并串聯(lián)一段松套光纜由測管頂部繞回測管內(nèi)部，延伸至管底后再串聯(lián)一段緊包光纜，緊緊黏貼在測管的另一側(cè)管壁上直至頂部，總體上使四段光纜在測管上呈“W”型連接。其中測管外部的一段碳纖維護(hù)套光纜為土壤含水率監(jiān)測光纜，緊緊黏貼在測管管壁上的兩段緊包光纜為應(yīng)變感測光纜8，而測管內(nèi)部的一段松套光纜為溫度補(bǔ)償光纜9，該光纜外套有金屬管10。

所述全光纖綜合測管埋設(shè)于巖土質(zhì)邊坡坡頂和坡面不同位置處的鉆孔12內(nèi)，鉆孔沿著與潛在滑動面(對于土質(zhì)邊坡來說)或節(jié)理面、基巖面(對于順層巖質(zhì)邊坡和巖土混合邊坡來說)相垂直的方向，并采用泥漿或細(xì)砂11回填封孔。

邊坡上鉆孔的布置原則和步驟是：

首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)的大地構(gòu)造、斷裂構(gòu)造，進(jìn)行地質(zhì)勘探工作，確定可以布設(shè)鉆孔的大體區(qū)域，并盡可能地布置在坡體頂部區(qū)域。然后沿邊坡的走向和傾向各布設(shè)若干個鉆孔，使鉆孔盡可能地在坡體上形成監(jiān)測網(wǎng)。

鉆孔鉆入角度的原則是：

1.對于土質(zhì)邊坡，首先通過有限單元法等數(shù)值分析，確定邊坡的潛在滑動面，緊接著將鉆孔沿著垂直于滑動面的方向鉆入邊坡中。

2.對于順層巖質(zhì)邊坡或巖土混合邊坡，通過勘探法確定邊坡的產(chǎn)狀，然后按照垂直于邊坡節(jié)理面、基巖面的方向布設(shè)鉆孔。因節(jié)理面的方向大體一致，因此鉆孔的布設(shè)方向基本平行。

圖1為基于全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。對于一待監(jiān)測的均質(zhì)土坡，邊坡坡角為30度，該邊坡巖土體材料設(shè)為級配良好砂，其物理力學(xué)指標(biāo)均已知。

實例采用坡頂加載方式獲取邊坡體受力變形特性，坡頂荷載為分級施加，每級荷載下的邊坡安全系數(shù)K可通過極限平衡法計算得到。坡頂加載過程中，通過所述光纖解調(diào)儀3測量綜合測管1的應(yīng)變、溫度實測值，并實時傳輸至計算機(jī)4，構(gòu)建一個鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將每個鉆孔中的測管兩側(cè)應(yīng)變感測光纜的應(yīng)變測值進(jìn)行算術(shù)平均處理，并基于溫度補(bǔ)償光纜的讀數(shù)扣除溫度的影響，得到該鉆孔的實際應(yīng)變數(shù)據(jù)庫。從鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)庫中選取邊坡垂向應(yīng)變特征值該特征值可取為邊坡所有垂向應(yīng)變監(jiān)測線上應(yīng)變最大值的平均值，每個鉆孔中垂向應(yīng)變值中的最大值，或者所有鉆孔中光纖垂向應(yīng)變最大值的平均值。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的積累，建立邊坡垂向應(yīng)變特征值與邊坡安全系數(shù)K的經(jīng)驗關(guān)系即

。

以上關(guān)系可采用線性、雙曲線函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等進(jìn)行擬合，獲得經(jīng)驗關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實時應(yīng)變監(jiān)測值可推算出此時邊坡的安全系數(shù)。當(dāng)安全系數(shù)大于1.2時，邊坡處于安全狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)介于1.2(包括1.2)和1.0之間時，處于預(yù)警狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)等于1.0時，處于臨界滑動狀態(tài)。

以上結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式做出詳細(xì)說明。除上述實施例外，本實用新型不局限于所描述的實施方式，還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或者等效變換方式形成的技術(shù)方案，均落入本實用新型要求的保護(hù)范圍。