浅析岩土与地质工程中分布式光纤传感技术

　　摘要：分布式光纤传感是光纤传感研究领域的热点课题。在建筑结构、岩土和地质工程的监测方面, 分布式光纤传感技术具有显著优势, 尤其是在岩石和地质工程监测方面, 它远比传统的电阻以及电感和振弦式传感器等工程监测技术更加强大。文章在实践基础上, 对近几年国内外分布式光纤传感技术在混凝土结构健康、桩基工程、边坡防护等方面的实践和研究成果进行了梳理和总结, 就其在岩土和地质工程领域的应用和发展前景做出了预测。

　　关键词：分布式光纤传感; 岩土地质; 监测;

　　Abstract：Distributed optical fiber sensing is a hot topic in the field of optical fiber sensing.The distributed optical fiber sensing technology has significant advantages in the monitoring of construction, rock and geological engineering, especially in the monitoring of rock and geological engineering, which is far more powerful than the traditional engineering monitoring techniques in resistance, inductance and vibrating wire sensor.On the basis of practice, the paper reviews and summarizes the practice and research achievements of distributed optical fiber sensing technology in the fields of concrete structure health, pile foundation engineering and slope protection in recent years, and forecasts its application and development prospects in the field of geotechnical and geological engineering.

　　Keyword：distributed optical fiber sensing; geotechnical geology; monitoring;

　　近年来, 光纤传感技术发展较为迅速, 受到人们广泛关注, 一步步成为继光纤通信产业之后发展起来的又一大光纤应用技术产业, 其中分布式光纤传感技术是国内外当前研究的热点问题之一[1]。分布式光纤传感测量原理是利用一维光纤空间的连续测量技术。其中, 光纤作为感应元件和传递元件, 可用于沿光纤长度方向测量光纤的参数, 并获得测量空间构成和随时间改变的信息。分布式光纤传感技术已广泛应用于基于光纤拉曼散射或布里渊散射和频域反射 (R/B-OTDR/OFDR) 、基于光纤瑞利散射的偏振光、反射技术 (P-OTDR) 的光时域反射领域, 以及远距离光干涉技术、准分布式光纤布拉格光栅的重复应用技术等。近几年, 随着我国国民经济长足发展, 大量资金被投资到公路建设、铁路建设、隧道建设等基础工程设施中。为了保证工程安全, 开展对工程本身健康评价以及对其安全监控量测是非常必要的。

　　目前的多数情况是我们都会对建筑设施 (包括大型工程) 进行监测和测量。有时使用传统的监测和测量方法, 如电感器或振动弦, 但传感器主要依靠电磁感应或振动, 由金属制成。这就可能受影响, 如果岩土质量相对较差, 有水分, 则会生锈、耐久性差、接触不良、导电性差。低存活率的缺陷导致许多自动监测测量不能完成。传统上, 在均匀性布局中, 上述方法有时被用来解决问题, 但有时会丢失一些东西。随着工程建设的需要, 工程建设中安全监测的发展受到了控制。在岩土工程和地质过程中, 二十世纪下半叶提出的分布式光纤传感技术得以应用, 它可以在一个相对较新的项目中开发来监测其安全性。与传统的监测技术和方法相比, 光纤不仅是一种传感介质, 而且是一种通信信道, 可以在空间中连续测量。当光纤技术与被检测物体接触, 被测物体变化时, 它可以同时获得整个光纤变化或温度的平面分布图。如果网格被布置, 则可以获得各种变形和温度信息数据。它更有利于分析结构在力和形状上的变化, 具有灵敏度高、抗磁场强度强、绝缘性好、长期使用好等优点。由于分布式光纤传感监测技术的诸多优点, 利用岩土工程地质安全监测是非常有利的, 这就引起了工程界诸多学者的关注。
 

　　1 分布式光纤传感技术的概述

　　光纤传感这种技术, 主要是通过测量光纤传输光中一些如强度的、相位相关的参数变化, 来实现对环境参数的测量。分布式光纤传感技术是光纤传感技术最具前景的技术之一, 主要是因为它具有可重复使用和传输距离较远等特点, 另外这也是光纤传感、监测这种技术的发展趋势。其中, 光纤布拉格和光栅传感技术, 这两种分布式光纤传感技术 (brillouin optic time domain reflectometry, BOTDR) 是最具有前沿性的[2]。

　　在岩土工程和地质工程中, 分布式光纤传感技术在其中起着较为重要的作用, 是一种全新的工程安全监测技术, 在检测工作中要用到相关的光纤变形监测系统, 以及相关的光波干涉测量基础原理。这种技术可以对建筑结构的变形进行具体分析, 且应用光纤技术防护对相关的管道进行保护。这样就可以对结构工程中的温度变化监测分析, 且实现一定的控制目的。分布式光纤传感技术有很高的应用价值, 其工作过程中主要通过传播介质的形式, 来检测空间信息, 依据所得结果而制定相对应的数据分布图。这种传感器的特征表现为灵敏度较高、导电性能差和有很高的抗干扰能力, 在地质工程的监测过程中有很高的应用价值。

　　2 分布式光纤传感器在岩土与地质工程监测中应用

　　2.1 混凝土结构监测

　　根据土木工程的相关知识, 钢筋混凝土的性能和岩土工程的质量存在明显的关系, 其对整个工程的安全稳定也会产生一定的影响。当混凝土结构情况变化时, 对应的建筑工程质量会出现同样的变化, 可以通过分布式光纤传感技术对这种结构检测进行分析, 根据所得结论确定出混凝土结构的不足, 然后进行适当的改进和维护, 满足工程施工的相关要求。在此过程中, 如果钢筋锈蚀, 则可以通过技术的检测分析, 为实现相关的监测工程质量目标打下良好的基础。在施工现场环境不满足要求的情况下, 可以通过这种技术为健康监测提供可靠的支持, 且根据所得结果制定相应的保障方案, 对相关岩土工程和地质工程进行科学规范的检测。前期, 有学者进行了水电站的地质平峒裂缝监测, 发现通过光纤的组合能够实现多量程、高精度的观测, 为将分布式光纤应用于混凝土结构裂缝监测提供了宝贵的经验[3]。通过这一技术, 明确相关的缺陷, 提出更加有效的解决方案, 确保岩土工程和地质工程监测工作正常有序进行下去, 确保了项目质量。

　　2.2 边坡监测

　　地质灾害监测是一项复杂的工作, 其和地质、测量、几何等密切相关, 在检测过程中应用集合了这些技术的检测系统。这一技术是在二十世纪下半叶才开始发展起来的。分布式光纤传感技术是工程测量领域中的一项高新技术, 光纤传感器以光为信息的载体, 可以很好地满足相关的检测要求, 具有稳定性高、耐久性好、敏感性较高、反应快、质量小等特点。

　　我国很早就开始应用分布式光纤传感技术, 主要使用于滑坡方面的监测, 效果比较明显。通过对光纤传感在滑坡的监测中进行使用, 积累的经验还有技术方法以及监测方法的研究, 为工程质量打下良好的基础。结构工程中边坡工程质量和附近的建筑质量明显相关, 其对周围高速公路等区域的安全也会产生一定的影响。如果边坡监测工作的质量达不到要求, 则可能导致出现滑坡、泥石流等相关问题, 产生一定的危害, 这就要求在施工过程中要进行岩土工程地质监测, 且要应用到各种检测设备, 如将分布式光纤埋设到工程建筑中进行监测, 然后根据所得的结果分析判断, 制定有效的解决办法, 为工程的质量和安全性打下良好的基础。另外, 在开展这方面的安全监测工作时, 应该进行全方面的分析和判断, 且在充分考虑到周边土质因素的基础上, 进行一定的排序处理, 确定其影响大小。综合不同因素, 制定出不同的监测方案, 且进行一定的优化改进, 更好地满足应用要求。只有这样, 监测工作和基础设计工作等密切的结合起来, 才可以更好地发挥协同作用, 为工程目标实现提供支持。如果岩土工程相关的检测结果很准确且精度高, 则可以发挥出积极的应用价值。而施工过程中应该对施工现场进行监测和设计, 同时根据要求进行一定的判断分析, 采取适当的措施, 为保护工作提供一定的支持和帮助。如在北川县西山坡滑坡群监测和香港新界鹿径道公路边坡监测中运用光纤传感技术, 分析了部分光纤监测成果, 总结了光纤监测技术在边坡现场应用的经验[4]。

　　2.3 钻孔灌注桩监测

　　钻孔灌注桩是很多桩基类型中的一种, 桩基的好坏直接关系上部构筑物的稳定与安全。钻孔灌注桩由于在地下, 属于隐蔽工程, 工序比较多样, 在地质条件复杂且难判断情况下, 其质量控制难度比较大, 稍有疏忽, 容易出现桩体收缩、膨胀、淤泥、断桩、矿渣相对厚度不均衡和钢笼脱位等质量缺陷, 影响桩的完整性和T桩的承载力。因此, 钻孔灌注桩质量检测与评价是桩基工程中非常必要的工作, 也是一项技术难度较大的中间环节[5]。目前, 钻孔灌注桩基础常用的检测技术有桩基静载试验、桩基动力法监测和超声波检测[6]。静载试验的方法是当前确定钻孔灌注桩还有单桩竖向抵抗的抗压力最常用的技术方法。在静载荷试验过程中, 测量了桩在各级荷载作用下的应变效应, 了解了桩的承载机理, 并在桩中埋设了各种钢制应力计、应变仪等传感器元件。然而, 传统的点式传感器具有以下缺点:埋藏的比较少时, 容易检测不全;埋设时间过长时, 会对桩的承载力造成不良影响。另外, 传动感应器与传导线的结合容易造成检测点的不足和成活率不高, 便不能发挥良好的作用。如采用桩基动力测量和超声波检测作为间接测试方法, 这两种方法检测动态成分高, 易受外界环境干扰, 静载荷试验的测试精度难以达到。而布里渊光时域反射计 (BOTDR) 是一种全面布置的检测系统, 比较先进, 具有全面布置功能, 还可以在一端检测, 没有闭合, 相距较远, 耐用性较好, 抗外部影响, 跟被测量物很好配合等优点, 可以把点式检测技术存在的不足进行改进, 已成为一些全球走在前面的国家争相研究的一项前沿攻关技术[7]。

　　3 结论

　　随着科学技术的不断向前发展, 国内外许多专业技术人员已经进入这一领域, 对分布式光纤传感技术在岩土工程和地质工程中的研究有了初步探索。通过对岩土工程、地质领域进行的大量研究, 发现这一技术的实际应用具备了很大的发展空间, 特别是在岩土工程安全监测和评价的过程中, 突出体现了应用的广度和深度。但是, 下列问题需要进一步深入研究:一是对光纤监控量测数据的后处理方法研究, 对异常的数据产生原因分析;二是分布式传感技术的关键器件还有集成以及工程监测和诊断等。希望以上两个问题成为未来光纤传感技术研究的重点, 并加以解决。

　　参考文献
　　[1]刘铁根, 于哲, 江俊峰, 等.分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展[J].物理学报, 2017, 66 (07) :48-64.
　　[2]杜柯.岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究进展[J].世界有色金属, 2017, (01) :66-68.
　　[3]殷建华, 崔鹏, 裴华富, 等.基于光纤传感技术的边坡监测系统的应用[J].兰州大学学报 (自然科学版) , 2011, (47) (增刊1) :290-292.
　　[4]陈池, 柯贤金, 蔡顺德, 等.分布式光纤技术在锦屏一级水电站地质平硐边坡监测中的应用研究[J].水利水电技术, 2009, 40 (3) :27-29.
　　[5]陈池.大量程分布式光纤传感技术研究及工程应用[D].武汉:武汉大学, 2013.
　　[6]高磊, 陈晖东, 余湘娟, 等.岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究进展[J].水利水运工程学报, 2013, (02) :93-99.
　　[7]史彦新, 张青, 孟宪玮.分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用[J].吉林大学学报 (地球科学版) , 2008, (05) :820-824.