光纤传感技术在岩溶土洞(塌陷)模型试验中应用的研究

1、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：

2、 P642.254 文献识别码： AApplication of distributed optical fiber sensingtechnology 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,

3、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

4、 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

5、 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

6、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 ： guanzd 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

7、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

8、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 。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

9、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。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

10、向应变的变化。光纤轴向应变与中心频率漂移量的光纤：叫（0 =勺（卩+豊乎e图1布里渊频移量与应变的光纤其中，V b（ £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入=1.55 m寸约为(1)Fig.1 Strain dep endence 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

11、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/（2 n）（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

12、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。BOTDRFig.2 the mechanic relationshi p between soil and op tic 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，

13、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。dT = ffDjrdjc = ('A 血2) M 血(3)式中E为光纤弹性模量，T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:DEdET =4 dx(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T =- ?=-N=-.G 土 =-Y其中？为土体与光纤表面的摩擦力， 数

14、，N为光纤上覆土体对光纤的垂直压力， 土体的重量，丫为上覆土体的等效容重， 体的厚度。由(4)、( 5)可以得到：,.4uyh可见当土体与光纤之间发生相对位移时，(5) 卩为摩擦系G 土为上覆 h为上覆土Fig.4 Model test setu p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。图4模型试验图(6)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

15、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) O3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：BWP光纤/ T&【 I I 【I I图

16、3塌陷模型的简化测试距离1, 2, 5,10, 20,40,80km脉宽10ns20ns50ns100ns200ns动+ 0.004%2dB6dB10dB13dB15dB态(2s)范+ 0.003%8dB11dB13dB围(2s)长度分辨率1m2m5m11m22m应变测试精度+ 0.004%(2s)+ 0.003%(2s)(+ 0.01%)(+ 0.005%)应变测试重复性<0.04%<0.02%技术指标可选参数试验应变为±).004%( 2o),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。表1 AQ86O3(BOTDR)技术指标Fig.3 Si

17、mp lified sinkhole model3.1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，说明传感光时效性。缠绕o«-纤材料变形随荷载变化的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， 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，10

18、69.5-1072.5m，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。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

19、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。a.iD-O.SKg他3Kg5Kga.w-0XJ5 1111'1'1'19SQ毎 Z24恥&KBSF禺例Fig.5 The relationshi p cure of load and the loading po int vertical dis placement (GFR P)图5荷载与加载点垂向位移关系曲线（GFRP）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）图6荷载与加载点

20、垂向位移关系曲线（普通光纤）Fig.6 The relationshi p cure of load and the loading po int vertical dispiacement（ 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Fig.8 The the loading point strain change （ Ordinary opticalfiber）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

21、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.

22、8m，略有有变化。原因在于普通光90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。nr1a- Ik抽I- 3kg Hl-5kg mia4Ji驻it-H H'nf H'H 吋扎点I.工- - 宀赏二"羊議戸迂o.w-图11 卸荷对应点的应变变化（GFR P）Fig.11 The strain change after unloading ( GFRP)0.30-十-aao图9 加载

23、1小时对应点的应变变化（GFR P)Fig.9 The strain change after loading 1hour(GFR P)图10加载1小时对应点的应变变化（普通光纤）里片艺时卽卡.一_煽也3罚 M 3 2 1 口口 r q- q- r q- k t t k k B Ha- 4 ru- rl ru- * 二二： J芒艺h沪讶O.M-Q.2C-0.15-Q1D-Q.«-,I,I,I 106&1066lOfTO107?1叭評 '直Iml图12卸荷对应点的应变变化（普通光纤）Fig.12 The strain change after unloading ( O

24、rdinary op ticalfiber)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 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。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

25、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

26、载荷,GFRP光纤选用5Kg进行测试，跨度分别为1.5m、2.0m、2.4m,其中2.4m为试验装置所限2Kg1.0m、(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0。根据图示，荷载点垂向受力平衡。L=1000mm ,在各个间距值分别为:0 =6,计0.06、0.

27、06、0.054、0.046。若Sin 0很小，0 - Sin故由公式7可以得到2TsEn0> = G图13加载段受力分析（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0成反比，极小变化范围内，对传感光纤轴 向拉力的影响较小。Fig.13 Loading section stress analysis期 扑 M 宀EU0 也10»1H6 low IBS 107010T5 IMO护离(m>图15 不同间距应变值（普通光纤）Fig.15 Strain change in different space( Ordinary optical fiber)5、Im15n

28、'E*TJ图14不同间距对应的垂向位移Fg.14 Vertical dis pl acement in different sp ace根据图14,可以看到最大 h=55mm间距最小值为-心-.dr图16不同间距应变值（GFRPFig.16Strain 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，

29、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。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):75-8

30、0.3 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,EXPERIMENTALRESEARCHAND ROCK SLIDING MONITOR OF OPTICALFIBER SENSINGJ.Chinese journal of Rock Mechanics and4 结论与展望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(1) 两类试验都能

31、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

32、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。力勘测设计 2006,(06):12-16. YU Xiao-kui. Research on theTesting of Piles Based on Distributed Optical

33、Fiber MonitoringSensing 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Bin,ZHANGmonitoringJ. 岩土力学， 2006,27( 7)：1224-1228.LIU Jie,SHIDan,et al. Experimental study of foundation pitusing BOTDR-based on distributed optical fibersensorJ.Rock and Soil

34、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.36(11):83-87(ZHANG Dan, SHI Distributed optical fiber sensor土木工程 学报，2003，Bin, WU Zhi-shen, et al. based on BOTDR and itsmonitoringJ. China Civil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 co

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