光纤传感技术在岩溶土洞(塌陷)模型试验中应用研究.doc

光纤传感技术在岩溶土洞（塌陷）模型试验中的应用研究管振德，蒋小珍，高明（中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林，541004）摘 要：根据岩溶土洞（塌陷）分布和变形演化特点，分析土体与传感光纤之间的力学关系，简化塌陷模型，加工特定的试验装置，采用分布式光纤传感技术进行了岩溶塌陷模型试验研究。首先通过光纤上荷载的有序变化模拟土洞形成过程，然后研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响，最后通过两种传感光纤试验结果，说明光纤的适宜性。研究表明：分布式光纤传感技术应用于岩溶土洞预警监测是可行的，能够对土洞的形成演化进行有效的响应。关键词：岩溶塌陷；分布式光纤传感；塌陷模型；监测；试验中图分类号：P642.254 文献识别码：AApplication of distributed optical fiber sensing technology in sinkhole collapse model testGUAN Zhen-de1,Jiang XIAO-zhen, GAO Ming(Institute of Karst Geology, CAGS, Guilin 541004,China)Abstract: According to the distribution and deformation characteristics of the sinkhole collapse, we analyzed the mechanic relation between the soil and the sensing fiber to simplify the sinkhole model, processed specific experiment devices, and adopted a distributed optical fiber sensing technology for model experiment of sinkhole collapse. Firstly, the sinkhole formation process was stimulated with the orderly changes in load on the optical fiber. Secondly, the impact of the changes of sinkhole size on the sensing fiber monitoring was analyzed. Finally, fiber suitability was indicated by comparing the results of the tests using different fibers. The study shows that it is feasible to use the distributed optical fiber sensing technology in early-warning monitoring of sinkhole, while responding effectively to sinkhole forming and evolving.Key words: sinkhole; distributed optical fiber sensing ; sinkhole collapse model; monitoring；experiment.0引言 我国岩溶面积辽阔，主要分布在西南地区，尤以鄂西、贵州、广西、滇东等较为集中。随着这些地区的经济发展，人类工程活动逐渐增多，面临的岩溶地质灾害问题日益突出，引起了广泛关注。针对我国发生的岩溶塌陷问题，据不完全统计，塌陷坑在1994年就已超过了3万个，同时每年以惊人的速度递增1。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（40972231）“岩溶土洞的形成机理研究”；中国地质科学院岩溶地质研究所所长基金（2010009）“岩溶塌陷光纤传感试验装置的研制”作者简介：管振德（1983-），男，湖北蕲春人，硕士，实习研究员，主要从事岩溶地质灾害研究。E-mail：当高速铁路、公路、石油管道线从这些地区穿越，如何避免岩溶塌陷对这些工程项目带来的潜在威胁已成为工程地质研究的热点和难点。国内外针对岩溶塌陷的研究主要集中在岩溶塌陷的分布规律及机理、勘测技术和防治措施等方面，形成了真空吸蚀论、振动论等致塌理论及比较成熟的勘测技术指南。在防治措施上，以防治为主的思路为指导，采取了以治理岩溶水为主，充分利用岩溶形态进行治理，取得了较好的经济效益。但岩溶塌陷所具有的特性：突发性、隐蔽性、不确定性及时空效应，必然要通过监测预警来实现工程的安全运行。目前，岩溶塌陷的监测主要有：地质雷达扫描，TDR技术，岩溶管道裂隙系统中的水（气）压力变化监测。地质雷达定期扫描可以发现异常区，但是受工作环境和深度限制，而且因其操作的专业化、成本高，对于长期监测来说有局限性。TDR技术虽然具有技术成熟，分布式监测，设备价格相对低廉，抗干扰能力强，但是其对监测条件要求较为苛刻，只有监测对象受到剪切力、张力、或者两者综合作用变形的情况下才产生信号，对塌陷形成过程的监测较困难。对岩溶管道裂隙系统中的水（气）压力变化这一触发因素进行实时监测，只能预报监测点所处的岩溶管道裂隙影响范围内的危险性，未能解决可能发生岩溶塌陷具体位置定位问题2。对于这种随机发生的、隐蔽的岩溶塌陷进行有效的监测，只有采用分布式光纤传感系统进行大范围、连续监测才能凑效3。本文从分布式光纤传感技术出发，分析了岩溶土洞监测识别的可行性，针对岩溶塌陷特点研制了特定的装置并进行了室内模拟试验加以验证。通过对塌陷过程的模拟，分析了塌陷过程中的数据变化特征，对分布式光纤监测技术在岩溶监测中的推广应用进行深入的探索具有重大的工程实用价值。1光纤传感技术监测原理 分布式光纤传感技术包括基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的三种光谱分析技术。其中瑞利散射为弹性散射，光纤中不发生频率移动，布里渊散射和拉曼散射为非弹性散射，发生散射后在光纤中会发生频率移动4。布里渊散射（BOTDR）是光波和声波在光线中传播时相互作用而产生的光散射过程。布里渊散射光频率与温度和应变成线性关系，根据频率的漂移量即可计算出光纤受温度和轴向应变的变化。 光纤轴向应变与中心频率漂移量的光纤： （1）其中，VB()为光纤轴向拉伸时布里渊散射光频率；VB(0)为光纤轴向无应力时布里渊散射光中心频率；dvB()/d为比例系数，由传感光纤自身材料特性确定，一般设定为0.5GHz/%;为光纤的轴向应变。即图1中直线的斜率在入射脉冲光波长=1.55m时约为0.0493（MHz/）5。图1 布里渊频移量与应变的光纤Fig.1 Strain dependence of Brillouin frequency shift changeBOTDR技术是基于OTDR时域反射技术的分布式光纤传感技术。根据光时域反射技术原理，通过测定散射光的回波时间就可确定散射点的位置。光纤上任意一点至脉冲光注入端的距离可由下式计算得到：Z=cT/(2n) （2）式中，c是真空中的光速，n是光纤的折射率，T是仪器发出的脉冲光与接收到的后向散射光的时间差。根据（1）式，就可以计算出光纤轴向应变的分布6,7，根据（2）式，就可以计算出光纤任意点发生应变的位置。2岩溶塌陷监测模型BOTDR技术监测岩溶土洞（塌陷）的原理是根据岩溶土洞的形成演变过程中，土洞的顶板变形随着时间逐渐变大直至垮塌从而导致地面塌陷。通过在可能发生土洞（塌陷）地段水平布置传感光纤，在上覆土层荷载的作用下，当土洞发育到一定程度时，传感光纤发生变形甚至断裂。通过对传感光纤沿线应变的时空变化分析，判断土洞形成位置规模及过程。2.1 光纤与土体的变形协调土洞的形成是由多种致塌力叠加作用而导致的，但最终结果都是上覆层发生一定规模的垮塌。BOTDR监测土洞的关键在于要准确的捕捉到这种变形。在监测实施中，不仅要求传感光纤位置布设合理，而且能够与土体保持同步协调变形。关于传感光纤布设的位置，主要由该地区岩溶塌陷分布特点决定，为了便于研究，在模型实验中，简化为传感光纤穿越土洞顶板底部中心。光纤与土体的协调变形，一方面与光纤本身的材料特性有关，另一方面和土体与光纤之间的相互作用有关。传感光纤的材料特性，仅通过选用两种类型的光纤进行分析比较，土体与光纤之间的相互作用，通过以下力学分析来说明。图2 光纤与土体之间的力学关系 Fig.2 the mechanic relationship between soil and optic fiber图2为光纤与土体之间的力学关系示意图，由此光纤内力变化dT可以表示为 （3）式中E为光纤弹性模量，为光纤表面的剪应力，D为光纤直径，d为应变变化梯度，求解得8： （4）而光纤表面的剪应力有土体与光纤表面的摩擦力提供，故而=-=-N=-.G土=-h （5）其中为土体与光纤表面的摩擦力，为摩擦系数，N为光纤上覆土体对光纤的垂直压力，G土为上覆土体的重量，为上覆土体的等效容重，h为上覆土体的厚度。由（4）、（5）可以得到： （6）可见当土体与光纤之间发生相对位移时，在土体厚度、容重不变，光纤材料一定的条件下，应变值与摩擦系数成正比。铺设在土层中的传感光纤通过光纤外套与土层的摩擦力来实现力的传递，若土层发生变形，带动光纤发生变形。2.2 塌陷监测模型的简化在土洞形成过程中，土洞范围外的光纤段的摩擦力及范围是变化的，这就要求模型设计中要考虑光纤的固定问题。目前有关光纤的固定方式，缠绕固定方式9能够有效反应荷载变化而引起的摩擦力变化，故在模型中采用该方式。简化塌陷模型为简支梁的破坏模式（图3）。图3 塌陷模型的简化Fig.3 Simplified sinkhole model图4 模型试验图Fig.4 Model test setup光纤采用缠绕固定时，光纤的弯曲将对光纤的应变产生影响，根据光纤的弯曲特性，当光纤的曲率半径过小时，会发生功率损耗甚至中断，一般来说普通的光纤弯曲半径应大于纤芯的20倍同时不小于40mm9,10。根据上述原则设计加工了岩溶塌陷测试装置(图4)进行模拟试验。3光纤传感塌陷模型试验及分析主要对两种类型的传感光纤，进行定距逐级变载试验，定载荷不同跨距试验。测试采用日本安腾公司生产的AQ8603(BOTDR),仪器主要指标如下：表1 AQ8603(BOTDR)技术指标技术指标可选参数测试距离1，2，5，10，20，40，80km脉宽10ns20ns50ns100ns200ns动态范围0.004%(2s)2dB6dB10dB13dB15dB0.003%(2s)8dB11dB13dB长度分辨率1m2m5m11m22m应变测试精度0.004%(2s)(0.01%)0.003%(2s)(0.005%)应变测试重复性0.04%0.02%试验应变为0.004（2），最小采样间隔10cm，最小分辨率1m，试验进行前对光纤进行导通测试。3.1定距逐级变载试验 定距逐级变载试验，包括加载和卸载两部分，通过变载试验模拟一定规模的土洞形成过程，研究土洞形成过程中顶板的荷载变化对传感光纤轴向应变及变化范围的影响。对加载后的短时间时（5分钟后）变形与加载1小时后的变形进行比较分析，说明传感光纤材料变形随荷载变化的 时效性。3.1.1 试验过程根据本中心对土洞塌陷数据的统计结果，选取具有代表性的1.5m跨度进行了研究。GFRP光纤，缠绕段分别是920-923m、924.5-927.5m，加载点位于923.75m处；普通传感光纤，缠绕段分别是1065-1068m，1069.5-1072.5m，加载点位于1068.75m处。采用百分表和AQ8603对传感光纤的受力点变形及应变进行测量。荷载采用0kg、0.5kg、1kg、2kg、3kg、4kg、5kg逐级加载方式，待加载稳定后开始测试，加载1小时后再次测试进行对比，至5kg荷载后进行逐级卸载试验并进行记录。3.1.2 测试数据处理及分析 试验选用了两种光纤进行了试验，导通测试完成后，对固定的光纤进行首次测量设定为初始状态，加载后测试值减去初始值即为应变变化量。图5 荷载与加载点垂向位移关系曲线（GFRP）Fig.5 The relationship cure of load and the loading point vertical displacement（GFRP）图6 荷载与加载点垂向位移关系曲线（普通光纤）Fig.6 The relationship cure of load and the loading point vertical displacement（Ordinary optical fiber）通过对荷载与荷载点位移曲线分析，传感光纤受力变形随着荷载增加逐渐稳定。受力点稳定后测试（加载5分钟后）与1小时后的测试数据变化较小，说明加载变形在较短时间内完成。GFRP光纤与普通光纤相比，受力点变形小且卸载后残余应变小（见图5、6），这将影响传感光纤监测的灵敏度。在实际工程应用中，应根据土洞上覆土层厚度选取合适强度的传感光纤。 图7加载对应点的应变变化（GFRP）Fig.7 The the loading point strain change（GFRP）图8 加载对应点的应变变化（普通光纤）Fig.8 The the loading point strain change（Ordinary optical fiber）根据应变仪的测试原理在测定光纤上任意点应变的最高测距分解度为1m，即计算光纤上某测量点应变时，均以测量点为起点向前1m内发生的布里渊散射光频率漂移量为依据，测量应变值实际上反映的是光纤1m内发生的综合应变量10,11。从图7可以看到光纤受荷后，应变影响范围，最小为922-925.5m，最大为921.0-926.5m，即影响直径在3.5-5.5m之间,这是因为光纤受荷载变大的过程中，随着两端的拉力增大，必然导致缠绕段提供摩擦力的范围变大。从图上可以看到GFRP光纤受荷载变大过程影响范围明显变大，这主要因为GFRP光纤外套与缠绕体之间的摩擦系数较小，只能通过扩大提供摩擦段长度来提供足够的摩擦力。从图8可以看出，普通光纤受荷后的应变影响范围在1066.8-1070.8m，略有有变化。原因在于普通光纤与缠绕体之间的摩擦系数较大，可以在一定荷载内不扩大受力段而提供足够的摩擦力。通过对两种光纤的受荷变化分析，得到普通通讯光纤较GFRP光纤反应灵敏，但承受荷载较GFRP光纤小，易布置在上覆荷载较小或者土体与光纤黏结力较小的土层中。 图9 加载1小时对应点的应变变化（GFRP）Fig.9 The strain change after loading 1hour（GFRP）图10 加载1小时对应点的应变变化（普通光纤）Fig.10 The strain change after loading 1hour（Ordinary optical fiber） 通过图9、10可以看到在1小时内，从百分表记录上看，加载1小时后变化量极小，说明加载1小时内时间效应不明显，但从应变变化曲线上看，应变量稍有变化，说明较短时间内主要为弹性变形，应变量的小变化是纤芯与外套之间的变形不协调导致。图11 卸荷对应点的应变变化（GFRP）Fig.11 The strain change after unloading （GFRP）图12 卸荷对应点的应变变化（普通光纤）Fig.12 The strain change after unloading （Ordinary optical fiber）与光纤胶结一起的土体随着土洞的形成，开始破散导致传感光纤受荷逐渐变小。通过卸载试验重现土洞顶板从开始垮塌到土体与光纤分离的过程。从卸荷过程（图11、12）可以看到传感光纤的应变数值较加载过程略大，说明随着荷载的增大，长时间的荷载作用传感光纤发生了极小的内部塑性变形，对应点的应变值也较加载过程大。通过试验，可以看出光纤加载点处的轴向应变、荷载有较好的对应关系，能够反应荷载位置及变化趋势，能够对土洞发生的位置及光纤上覆载荷进行有效的响应。同时，可以看出土洞上覆土层的厚度、土体与传感光纤之间的摩擦力、土体自身的凝聚力对传感光纤的选择性，光纤弹性模量过大导致反应不灵敏，弹性模量过小将导致变形超过测试范围。3.2定荷载不同跨距试验试验目的是通过施加定荷载改变跨度研究土洞直径变化对传感光纤轴向应变的影响。3.2.1 试验过程考虑传感光纤的强度，对普通传感光纤选用2Kg载荷，GFRP光纤选用5Kg进行测试，跨度分别为1.0m、1.5m、2.0m、2.4m，其中2.4m为试验装置所限（GFRP光纤未受限）。标记荷载点位置，施加预紧力，进行导通测试，初始施加一定的预加应力使光纤张紧并进行测试，加载5分钟后认为稳定进行测试。3.2.2测试数据处理及分析为了更好的分析应变图像，首先进行定荷载的简单力学分析（图13），假设缠绕固定点间距离为L,同时在挠度较小时可视L未发生变化，荷载点垂向位移为h，荷载为G，传感光纤轴向受拉力为T，传感光纤受拉后与水平夹角为。根据图示，荷载点垂向受力平衡。 (7)图13 加载段受力分析Fig.13 Loading section stress analysis图14 不同间距对应的垂向位移Fig.14 Vertical displacement in different space根据图14，可以看到最大h=55mm,间距最小值为L=1000mm，, =6.30，计算在各个间距值分别为：0.06、0.06、0.054、0.046。若Sin很小，Sin,故由公式7可以得到 (8) 可见在不考虑材料因素的条件下，传感光纤的轴向拉力与成反比，极小变化范围内，对传感光纤轴向拉力的影响较小。图15 不同间距应变值（普通光纤）Fig.15 Strain change in different space（Ordinary optical fiber）图16 不同间距应变值（GFRP）Fig.16 Strain change in different space（GFRP）对于普通通讯光纤，其中2.4m间距时差异相对较大，导致该间距的应变值有一定变化。从图15可以看到应变段范围为4.5m-5.4m，与间距变化范围1m-2.4m有良好的对应关系。对于GFRP光纤，光纤跨度与应变段范围有着对应关系，从2m开始应变变化较大，这可以根据光纤的弹性模量及光纤与缠绕体的摩擦力分析，普通通讯光纤弹性模量较低，摩擦力大，GFRP光纤相反，受荷易导致应变段变大。通过分析光纤材料特性与荷载，可以根据图像判断土洞变形规模上的变化。 4结论与展望(1)两类试验都能通过光纤应变的变化进行准确定位荷载位置，说明光纤传感技术在岩溶塌陷监测定位上是可行的。(2)通过简化影响因子，模拟了岩溶塌陷过程上覆荷载变化条件下，光纤轴向应变变化趋势、荷载变化、光纤变形具有良好的对应关系，能够反映土洞形成过程。（3）上覆荷载不变条件下，考虑分析了土洞规模对传感光纤的影响，发现一定土洞规模内与光纤应变段范围有良好的对应关系，但传感光纤材料的不同将影响到应变范围大小（4）通过分析研究土洞上覆土体的物理力学性质，埋深等，选择合适的光纤类型或者通过间接测量的形式，提高土体与光纤的变形协调性，有助于监测响应的灵敏度。 试验是在简化模型的基础上进行的，对于光纤传感技术在岩溶塌陷上的监测实际应用需要长时间数据的积累与室内大量试验数据的对比分析，目前野外实际应用已开展，运行良好，但数据的积累需要一定的时间。这里通过简化试验对传感光纤进行岩溶土洞的监测进行了分析，研究表明光纤传感技术对于土洞发生的位置和规模，发生的过程的监测有着良好的应用前景，为实际工程监测数据分析打下坚实的基础，结合光纤传感技术所具有的特性，可以实现对于土洞进行分布式远程监测。参考文献：1 陈国亮. 岩溶地面塌陷的成因与防治M.北京：中国铁道出版社.1994.CHEN Guo-liang. Karst collapse of ground sail geresis,ptevention and remediationM.Beijing: China Railway Publishing House.2 蒋小珍，雷明堂，陈渊，葛捷.岩溶塌陷的光纤传感监测试验研究J.水文地质工程地质，2006,6:75-80. JIANG Xiao-zhen,LEI Ming-tangm,CHEN Yuan, GE Jie.An experiment study of monitoring sinkhole collapse by using BOTDR optical fiber sensing techniqueJ. HYDROGEOLOGY & ENGINEERING GEOLOGY,2006,(6):75-80.3 唐天国，朱以文，蔡德所，等.光纤岩层滑动传感监测原理及实验研究J.岩石力学与工程学报，2006，25（2）:340-344.TANG Tian-guo,ZHU Yi-wen,CAIDe-suo,et,al,EXPERIMENTAL RESEARCHAND ROCK SLIDING MONITOR OF OPTICAL FIBER SENSINGJ.Chinese journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(2):340-344.4 余小奎.分布式光纤传感技术在桩基测试中的应用J. 电力勘测设计 2006,(06):12-16. YU Xiao-kui. Research on the Testing of Piles Based on Distributed Optical Fiber Monitoring Sensing TechniqueJ. ELECTRIC POWER SURVEY & DESIGN,2006,(06):12-16.5 刘杰，施斌，张丹，等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究J.岩土力学，2006,27（7）：1224-1228.LIU Jie,SHI Bin,ZHANG Dan,et al. Experimental study of foundation pit monitoring using BOTDR-based on distributed optical fiber sensorJ.Rock and Soil Mechanics,2006,27(7):1224-1228.6 张丹，施斌，吴智深等. BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用J. 土木工程学报，2003，36(11):83-87(ZHANG Dan, SHI Bin, WU Zhi-shen, et al. Distributed optical fiber sensor based on BOTDR and its application to structure health monitoringJ. China Civil Engineering Journal, 2003，36(11):83-87(in Chinese)7 施斌，徐学军，王镝等. 隧道健康诊断BOTDR分布式光纤应变监测技术研究J. 岩石力学与工程学报，2005，24(15)：2622-2628(SHI Bin, XU Xue-jun, WANG Di, et al. Study on BOTDR-based distributed op