光纖傳感技術(shù)在巖溶塌陷監(jiān)測中的應(yīng)用研究

郝文杰，楊卓靜，張 青，呂中虎

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051）

巖溶塌陷以其空間上的隱蔽性、時間上的突發(fā)性和致塌復(fù)雜性等特點(diǎn)給監(jiān)測預(yù)警工作帶來了非常大的困難，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)際工作中需監(jiān)測到土洞發(fā)育、巖土體變形及塌陷坑邊緣、分布等重要信息，因此要將監(jiān)測點(diǎn)密集地布置在土洞邊緣，而監(jiān)測線則需橋式的跨越土洞上方，以防出現(xiàn)監(jiān)測漏失。巖溶土洞(塌陷)常規(guī)的監(jiān)測主要采用接觸式監(jiān)測方法［1］，通過周期性的監(jiān)測地表或地下變形量來預(yù)報(bào)塌陷，監(jiān)測點(diǎn)需選擇在土洞上方覆蓋層、地表或建筑物開裂處等，主要包括:地質(zhì)雷達(dá)定期定線路掃描對比、測斜儀定期監(jiān)測土洞剖面沉降、位移計(jì)監(jiān)測地表開裂和建筑物裂縫變化情況以及使用TDR等手段動態(tài)監(jiān)測土層受力變形等方法。其中地質(zhì)雷達(dá)、測斜儀和位移計(jì)等監(jiān)測方式，因其監(jiān)測方法本身的缺陷性，不能滿足巖溶塌陷時效性監(jiān)測的需要，而TDR以其具有的分布式監(jiān)測等特點(diǎn)，在大面積塌陷監(jiān)測中具有明顯的優(yōu)越性，但是實(shí)際應(yīng)用中需要考慮塌陷變形受力狀況以及同軸電纜與監(jiān)測體耦合等問題［2～3］。

光纖傳感技術(shù)是目前國際研究的熱點(diǎn)，它利用光在介質(zhì)傳播過程中的某些參數(shù)(相位、頻率、偏振態(tài)等)的變化實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境中某些物理量(應(yīng)力、溫度等)的測量，其應(yīng)用于土洞(塌陷)覆蓋層變形監(jiān)測具有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在光纖傳感器集傳輸、傳感于一體，并具有可復(fù)用、分布式等優(yōu)點(diǎn)［4］，能夠根據(jù)監(jiān)測的需要鋪設(shè)成不同形狀。其中應(yīng)用于巖土體變形監(jiān)測主要為光纖布拉格光柵傳感技術(shù)(FBG)與布里淵光時域反射技術(shù)(BOTDR)。

在前期工作中，張青等已經(jīng)研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BOTDR和光纖光柵解調(diào)儀及配套傳感器，并將FBG和BOTDR聯(lián)合應(yīng)用于巫山縣滑坡監(jiān)測中，取得了很好的效果［5～6］。蔣小珍等通過大型物理模擬實(shí)驗(yàn)，對BOTDR技術(shù)應(yīng)用于巖溶塌陷監(jiān)測進(jìn)行了初步的探索，得出光纖在空間上的變化趨勢可判斷土層擾動帶垂直方向的發(fā)展過程，光纖隨時間的變化趨勢可判斷土層擾動帶水平方向的發(fā)展方向等結(jié)論［7］。

本文通過在唐山濱河路陡河灣的典型巖溶塌陷點(diǎn)開展BOTDR線性光纖鋪設(shè)試驗(yàn)，并結(jié)合點(diǎn)狀FBG位移傳感器對塌陷體上方建筑物裂縫變化情況進(jìn)行監(jiān)測，成功地將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖溶塌陷動態(tài)監(jiān)測中，探索了光纖傳感技術(shù)用于巖溶塌陷監(jiān)測中的方法與工藝，為繼續(xù)開展相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 巖溶塌陷監(jiān)測野外試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)場地概況

唐山濱河西路陡河灣于2010年7月22日發(fā)生嚴(yán)重塌陷。共出現(xiàn)踏坑8處，其中陡河河道內(nèi)4處，東岸3處，西岸1處，其中河?xùn)|岸綠化帶上最大塌坑成橢圓形(照片1)，長約21m，寬7～8m，可見深度5.5m，其余塌坑成圓形，最大直徑8m，最小2m。

陡河西岸為大成山，東岸為賈山，塌陷點(diǎn)處于燕山南麓山前傾斜平原區(qū)與低山丘陵區(qū)之剝蝕殘丘地貌類型之間，屬陡河山間河谷地形，附近主要褶皺為開平向斜，斷裂構(gòu)造主要有陡河斷裂，唐山斷裂及大城山北坡斷裂等。

鉆孔資料顯示，塌陷區(qū)地表第四系厚約20m，巖性上部粉質(zhì)粘土厚約3.9m，下部為粉細(xì)砂，底部為粉砂與基巖接觸，下伏基巖為奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r，巖芯破碎嚴(yán)重，巖溶發(fā)育［8］。

照片1 陡河?xùn)|岸巖溶塌坑Photo 1 Karst collapse in the east bank of Douhe river

1.2 試驗(yàn)方法及過程

通過大量室內(nèi)拉伸試驗(yàn)和物理模擬實(shí)驗(yàn)，選擇φ2.0SM護(hù)套光纖為試驗(yàn)用纖，該光纖較裸纖折射能力更強(qiáng)，質(zhì)地柔軟，施工時損壞概率較小，同時該光纖能夠隨鋪設(shè)面的變形而變形。施工過程如下:

(1)在原塌陷坑上方處挖掘?qū)?0cm深50cm的回字形光纖鋪設(shè)槽，如圖1；

圖1 光纖鋪設(shè)與塌坑對應(yīng)示意圖Fig.1 Optical fiber coupled with the collapse

(2)平整槽底，篩選挖掘物中顆粒較小土壤作為緩沖劑鋪設(shè)槽底，厚約5cm；

(3)將光纖保持相對松弛狀態(tài)鋪設(shè)于槽中，鋪設(shè)試驗(yàn)用纖220m，用小顆粒挖掘物回填光纖槽約10cm；

(4)回填較大顆粒挖掘物，同時應(yīng)用OTDR等儀器監(jiān)測光纖通斷及損耗情況；

(5)對陡河護(hù)堤明顯裂縫處，安裝光纖光柵位移傳感器(其中封裝了溫度和位移兩種傳感器)，其安裝位置在光纖監(jiān)測箱旁邊，監(jiān)測裂縫變化。

監(jiān)測儀器選用自主研發(fā)的分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(BOTDR)和光纖光柵解調(diào)儀，截至寫稿時共采集數(shù)據(jù)10次。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 FBG數(shù)據(jù)處理及分析

將采集到的應(yīng)變、溫度波長值(表1)帶入到換算公式消除溫度對應(yīng)變的影響［9］，對原數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，繪制曲線如圖2如示。

表1 FBG原始數(shù)據(jù)Table 1 Raw data of FBG

換算公式:ΔL=K((λ1－λ10)－(λ2－λ20))

式中:K——傳感器系數(shù)(mm/nm)；

λ1——測溫儀光柵的當(dāng)前波長(nm)；

λ2——溫度補(bǔ)償?shù)漠?dāng)前波長(nm)；

λ10——測溫儀光柵的初始波長(nm)；

λ20——溫度補(bǔ)償?shù)某跏疾ㄩL(nm)。

圖2 校正后的FBG位移傳感器數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Curve of corrected FBG data

由曲線可以看出，在一個水文年中陡河堤壩裂縫周期性變動，春夏裂縫逐漸變小，最小值出現(xiàn)在7～8月份，秋冬裂縫往復(fù)增大，最大值出現(xiàn)在12月期間，較夏季增長約3.2mm。

2.2 BOTDR數(shù)據(jù)處理及分析

在野外應(yīng)用中光纖變形受到環(huán)境溫度的影響，研究中選取測試端前后指定長度的尾纖數(shù)據(jù)作為環(huán)境溫度對光纖影響的基值，以此完成光纖溫度補(bǔ)償校正［10］。

光纖數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表現(xiàn)形式為不同時段監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線的繪制、監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比(圖3):

圖中能夠發(fā)現(xiàn)陡河光纖9～12m、135～138m、150～156m三處有明顯的變化，說明此三處巖土體有形變發(fā)生；同時，2011年出現(xiàn)的9～12m處光纖應(yīng)變，經(jīng)歷了先變小后變大的一個周期過程；光纖135～138m、145～175m和200m附近處周期性變化較明顯，經(jīng)歷了先變小后變大的過程。

經(jīng)過實(shí)地測量可知，光纖鋪設(shè)與原塌坑具有如圖1所示的對應(yīng)關(guān)系，其中首段預(yù)留光纖約8m，尾端預(yù)留光纖約20m，由監(jiān)測曲線可以看出光纖的9～12m處，很可能處于原塌陷坑的邊緣。而20～90m、175m～200m附近的光纖相對變化不明顯，可以判斷此處為原巖溶塌坑所在位置，因填埋塌坑時經(jīng)過了水泥灌漿處理，所以此處整體性較好，未發(fā)生巖土體受力變形情況。

光纖90～175m處，受力比較明顯，尤其135～138m、145～75m、200m附近等處，受力劇烈。光纖經(jīng)過之處為原塌陷體周圍區(qū)域，綠化帶上層為填埋的約80cm的松軟土壤，之下為一定深度的建筑廢棄物，根據(jù)鉆孔資料可知最下面是粉砂，穩(wěn)定性較差。原塌坑雖經(jīng)過處理，但巖溶管道并未清除，還會攜帶走大量的泥沙，造成塌陷，危險性并沒有消除。從光纖應(yīng)變曲線中還可以看出，靠近河堤處光纖應(yīng)變相對較大，證明靠近河堤位置巖土體應(yīng)力較大。

經(jīng)過BOTDR與FBG兩種光纖傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)處理及分析，可以得出，兩種監(jiān)測技術(shù)都能夠很好地反映出堤壩和綠化帶的巖土體受力變化情況。在試驗(yàn)過程中將FBG位移傳感器安裝于陡河堤壩新出現(xiàn)裂縫處，正好在光纖監(jiān)測箱附近，與試驗(yàn)光纖9～12m、200m附近等光纖段對應(yīng)，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，光纖反應(yīng)的巖土體微應(yīng)變情況與FBG位移傳感器有很好的一致性，呈現(xiàn)出明顯的周期性，而FBG傳感器能夠精確地反映出此處的變形量。

3 結(jié)論及討論

圖3 光纖應(yīng)變曲線Fig.3 Curve of optical fiber strain

(1)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖溶塌陷監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)巖溶塌陷巖土體變形的多點(diǎn)定位和描述塌陷變形邊界，應(yīng)用前景廣闊。

(2)通過FBG和BOTDR聯(lián)合監(jiān)測應(yīng)用，可以有效避免FBG傳感器只能實(shí)現(xiàn)離散點(diǎn)的準(zhǔn)分布式測量的缺陷，同時利用了BOTDR可實(shí)現(xiàn)分布式、長距離、不間斷測量的優(yōu)點(diǎn)。兩種方式相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面的全面監(jiān)測，獲得巖土體的較為完整的應(yīng)變信息。

(3)巖溶塌陷災(zāi)害本身特點(diǎn)明顯，光纖傳感技術(shù)實(shí)際監(jiān)測中，需根據(jù)具體情況并結(jié)合大量的室內(nèi)試驗(yàn)對光纖選型、鋪設(shè)方式及工藝和數(shù)據(jù)處理方面做大量的研究工作?？梢酝ㄟ^分布式光纖檢測到塌陷體受力位置，定點(diǎn)安裝FBG傳感器精確測量變形體變化情況，具體工作中仍需地質(zhì)災(zāi)害工作者不斷實(shí)踐、總結(jié)和完善。

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