CN105806311A - 一种光纤坡坝位移沉降监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤坡坝位移沉降监测***，包括：光纤渗压传感器、光纤位移传感器、光纤光栅沉降传感器、光纤水位传感器和解调仪，光纤渗压传感器、光纤位移传感器、光纤光栅沉降传感器和光纤水位传感器分别通过光纤与解调仪相连接，由解调仪中激光器发出的光，经光缆到达各个传感器，再由各个传感器反射回带有待测信息量的光信号，到达解调仪后解调出待测信息在荧屏上显示出来，其中，光纤渗压传感器用于检测浸润线信息，光纤位移传感器用于检测坡坝***移信息。光纤光栅沉降传感器用于检测坡坝体沉降信息，光纤水位传感器用于检测坡坝体水位信息。

Description

一种光纤坡坝位移沉降监测***

技术领域

本发明涉及矿山领域，具体而言，涉及一种光纤坡坝位移沉降监测***。

背景技术

在我国的矿山领域，安全与效益是永恒的话题。随着科学技术的飞速发展，越来越多的新技术、新产品应用于我国的矿山企业：减轻了工人的劳动强度，提高了产量和金属收率，降低了成本，增加了效益。这些直接降消耗、增效益的技术，大家喜闻乐见。与此同时，矿山企业的安全生产，也被提升到前所未有的高度而引起重视。随着国家对矿山安全整治力度的进一步加大，采用新技术、新方法，加强安全监测，杜绝事故隐患，正成为矿山企业当前关注的重点。

边坡位移、地基沉降是矿山企业工艺过程及安全生产的重要环节。首先，大多数矿藏都分布在山脉中，由于长年的开采或者矿渣的排放堆积，对地表破坏严重，抵制自然灾害的能力不断下降，安全隐患日益增多，尤其在雨季，洪水、滑坡、溃坝隐患时刻威胁着尾矿坝的安全。一旦发生滑坡或者雨季形成泥石流、溃坝等事故发生，对下游的民生将带来严重的灾难，造成国家生命财产的重大损失。

例如，在2006年8月，大雨过后山西娄烦县有两座选矿厂的尾矿坝出现连环溃坝，倾泻而下的泥石流冲垮、淹没下游200余米处的部分民房、公路、农田及1个尖山铁矿的储备库，两个油罐着火，泥沙石块和房屋的瓦块以及村民家中的物品最远竟然被带到了几十公里的地方，造成5人死亡、16人受伤、2人失踪，受灾现场惨不忍睹。

类似案例还有很多。2007年峨口一家矿山企业，溃坝造成的直接经济损失高达4000多万元；辽宁海城一座尾矿库溃坝事故，据报造成8人死亡，多人失踪。2008年9月8日，山西襄汾一尾矿库发生溃坝，死亡失踪271人。

过去，由于受到技术条件的限制，我国大多边坡的安全监测都是采用专人职守、人工观测、人工上报的作业方式。这种方式固然重要，但它只能反映边坡的外观状态，无法对关键的边坡内部进行持续的微观检测；人工方式的实时性较差，手段较为单一，不能实时、直观、精确地反映出现场瞬息万变的情况；此外，人工观测与记录的存储性和可读性较差，无法以图形化、解析化的方式动态地展现数据随时间变化的趋势，及时做出预测与预报。

发明内容

本发明提供一种光纤坡坝位移沉降监测***，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种光纤坡坝位移沉降监测***，包括：光纤渗压传感器、光纤位移传感器、光纤光栅沉降传感器、光纤水位传感器和解调仪，其中：

光纤渗压传感器、光纤位移传感器、光纤光栅沉降传感器和光纤水位传感器分别通过光纤与解调仪相连接，由解调仪中激光器发出的光，经光缆到达各个传感器，再由各个传感器反射回带有待测信息量的光信号，到达解调仪后解调出待测信息在荧屏上显示出来，其中，光纤渗压传感器用于检测浸润线信息，光纤位移传感器用于检测坡坝***移信息。光纤光栅沉降传感器用于检测坡坝体沉降信息，光纤水位传感器用于检测坡坝体水位信息。

进一步地，在监测浸润线时，在最大坝高段选设定数量的监测剖面，两相邻监测剖面的间距为设定距离，每个监测剖面应至少设置4个用于设置光纤渗压传感器的监测点；大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面。每个监测剖面应至少设置4个监测点。

进一步地，所述设定数量为2～4个，所述设定距离为30～50米。

进一步地，在监测坡坝位移时，根据坝的长短至少选择3个监测剖面，其中在最大坡坝高处、地基地形地质变化大于设定阈值处均布置监测剖面，每个监测剖面上均匀设置6个监测点，并根据坝的高矮在坝坡表面从上到下均匀设置6个滑坡监测点，在每个监测点打固定桩，深度根据坝体进行调整，在每个固定桩之间安装位移传感器，通过位移传感器监测固定桩之间的距离，从而监测整个坝体的位移；

其中在安装位移传感器时，将锚固端固定在某一固定物上，位移传感器与锚固端通过钢丝绳连接，先预紧钢丝绳，将位移传感器调到合适测量位置，然后将其固定；位移传感器内部是一个光纤光栅形变体，当位移传感器外界钢丝绳长度发生变化时，会引起位移传感器内形变体变形，进而引起光纤光栅波长变化。

进一步地，光纤光栅沉降传感器包括锚头、传感器和连接杆，锚头用于跟随路基表面的垂直的位移参量；传感器用于检测到锚头的位置变化，在应用时先将锚头的锚固端固定在沉降板上，传感器与锚固端通过连接杆连接，将传感器调到合适测量位置，然后将其固定，该光纤光栅沉降传感器的工作原理是利用底座位置相对于路基表面的相对变化量来测定土体的垂直位移，即当土体发生沉降或***时，埋设在土底基岩或基础上的沉降板会与路基表面的锚头之间产生相对的变化量，通过连接杆将变化参量传递进沉降传感器内的敏感元件通过光栅的转换变为光学信号由光缆传回解调仪。

本发明通过综合传感器技术、信号传输技术，以及网络技术和软件技术，实现边坡的在线检测、信号同步传输，以及边坡负荷分析、趋势预报，边坡的安全监测，就是从宏观、微观相结合的全方位角度，来监测影响边坡安全的各种关键技术指标，记录它过去的、现在的状态，分析它未来的走势，使我们对边坡的安全检测与评估更全面、更直接、更有权威，从而尽可能避免灾难事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为某尾矿坝孔隙水压力分布图；

图2为安全滩长检测法原理示意图；

图3为边坡矿坝的典型变形矢量图；

图4为光纤坡坝监测***简图；

图5为坡坝浸润线监测示意图；

图6为坡坝位移监测示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于有存水的坡坝，如尾矿库(或大坝)，尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，同时，从尾矿坝坝顶排放尾矿时，矿浆向库内流淌的过程中，矿浆水不断向下渗透；此外，汛期大量降雨。这些因素在尾矿坝体内形成一个庞大渗流场。再者，尾矿沉积体属非均值体，排矿部位又需要经常调换；坝体又在不断增高；况且在尾矿库整个服务期间内，矿源及选矿流程有可能改变，尾矿性能自然也会变化。这就是尾矿坝渗流场异常复杂的原因。浸润线即渗流流网的自由水面线，是尾矿坝安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，因此，对于浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一。

图1为某尾矿坝孔隙水压力分布图；(水压力单位:kPa)如图1所示，图中孔隙水压力为0的线即为尾矿坝的浸润线。

尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，库水位监测的目的根据其水位的高低可判断该库防洪能力是否满足安全要求。具体地说：一个完善的设计在设计文本中会给出防洪所需的调洪水深，并要求在设计洪水位(即最高洪水位)时，要同时满足设计规定的最小安全超高和最小安全干滩长度的要求。如果设计文本中没有规定的最小安全超高和最小安全干滩长度，可用设计规范中规定的最小安全超高和最小安全干滩长度作为依据。库水位监测的结果如不能满足设计所需的调洪水深、最小安全超高和最小安全干滩长度，生产管理者就要想方设法降低库水位，直到满足设计要求为止。所以说控制库水位是确保尾矿库安全度汛的极为关键的一项措施。

图2为安全滩长检测法原理示意图；如图2所示，设现状库水位为Hs，先在沉积滩上用皮尺量出干滩[Lg]，并插上标杆a，用仪器测出a点地面标高Ha，当Ht＝Ha，Hs≥[Ht]时，即认为安全滩长满足设计要求。否则，不满足。同理，也有安全超高检测法。

边坡坝体发生滑坡(溃坝)灾害，位移(坝***移及基体沉降)是灾害演化过程的直观反应指标，因此对于坡体下游坡变形的掌握，可以及时发现坝变形率和发展速度，有利于***部门和企业进行科学的应急决策，并及时采取应急对策措施，从而避免灾害的发生或者减少灾害发生造成的危害。图3为边坡矿坝的典型变形矢量图，从图中可知坝体下游坡发生向下和偏向下游的变形。

综上所述，边坡坝体安全监测***监测主要指标包括：浸润线、库水位、坡坝位移以及沉降。

设计依据如下：

1、法律、法规及有关规定

(1)《中华人民共和国安全生产法》(2002.11.01)；

(2)《中华人民共和国水土保持法》(1991年6月29日)；

(3)《污水综合排放标准》(GB8978-1996)；

(4)《中华人民共和国节约能源法》(2008年4月1日)；

(5)《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》(安监管协调字[2004]56号)；

(6)《关于加强建设项目安全设施“三同时”工作的通知》(国发改投资[2003]1346号)；

(7)《关于生产经营单位主要负责人、安全生产管理人员及其他从业人员安全生产培训考核工作的意见》(安监管人字[2002]123号)；

(8)《特种作业人员安全技术培训考核管理办法》(1999年7月12日国家经贸委主任令第13号)；

(9)《尾矿库安全监督管理规定》(国家安监总局6号令，2006.06.01)；

(10)《安全生产许可证条例》(国务院令第397号，2004.01.13)。

2、技术标准

(1)《尾矿库安全技术规程》(AQ2006-2005)；

(2)《尾矿设施施工及验收规程》(YS5418-95)；

(3)《冶金矿山尾矿设施管理规程》(冶矿字第185号(90))；

(4)《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)；

(5)《建筑抗震设计规范》(GB50011－2008)；

(6)《中华人民共和国通信行业标准长途通信干线光缆传输***线路工程验收规范》；

(7)《通讯管道施工标准》。

图4为光纤坡坝监测***简图；如图所示，光纤坡坝位移沉降监测***，主要是针对影响坡坝的主要指标进行监测：浸润线的光纤渗压传感器，坡坝***移、沉降的光纤位移传感器，以及光纤水位传感器等。整个监测***由位于监控室的一台智能坡坝解调仪、光缆及各类光纤传感器组成，工作原理为由解调仪中激光器发出的光，经光缆到达各个传感器，再由传感器反射回带有待测信息量的光信号，最后到达解调仪中，由智能软件解调出待测信息在荧屏上显示出来。

浸润线监测：

一般选择坝上最大断面或者一旦发生事故将对下游造成重大危害的断面为监测剖面。每个监测剖面应至少设置5个监测点，并应根据设计资料中坝体下游坡处的孔隙水压力变化梯度灵活选择监测点。坝坡浸润线监测仪器分两类。一类埋设测压管，人工现场实测；另一类是埋设特制传感器，进行半自动或自动观测。

浸润线监测仪器埋设位置的选择，应根据《坡坝技术规程》(AQ2006-2005)中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。在作坝体抗滑稳定分析时，设计规范规定浸润线须按正常运行和洪水运行两种工况分别给出。设计时所给出的浸润线位置应是监测仪器埋设深度的最重要的依据。

图5为坡坝浸润线监测示意图；所谓浸润线即渗流流网的自由水面线。在平面渗流问题中，浸润线即最上层的一条流线。因此浸润线监测一般在最大坝高段选2～4个监测剖面，间距为30～50米。大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面。每个监测剖面应至少设置4个监测点。在尾库坝剖面上布置多个测量点，每个测量点上先打孔，将测压管埋入孔中，再将光纤光栅渗压传感器安装到测压孔内。通过测量测压管内水压，计算出测压管内水位H1，根据埋入测压管的长度H，最后计算出该测量点浸润线深度。

监测仪器埋设深度的确定：监测仪器埋设深度根据设计时所给出的浸润线位置来定，一般测压传感器应该安装在浸润线以下。

我们所开发的渗压计：主要用于测量流体压力，例如地下水位，坝体、土体的孔隙水压力等等。也可以用来装在孔内，监测井和测压管的压力或水位，监测防渗效果，绕坝渗流、渗漏状态及土体的浸润线。

渗压传感器主要参数如下：

坡坝位移监测：

图6为坡坝位移监测示意图；对坡坝位移监测，我们根据坝的长短至少选择3个监测剖面。一般在最大坡坝高处、地基地形地质变化较大处均应布置监测剖面，根据坝的高矮坝在坝坡表面从上到下均匀设置6个滑坡监测点，在每个监测点打固定桩，深度根据坝体进行调整，在每个固定桩之间安装位移传感器，通过位移传感器监测固定桩之间，从而监测整个坝体的位移。

光纤位移传感器在应用时一般先将锚固端固定在某一固定物上，位移传感器与锚固端通过钢丝绳连接，先预紧钢丝绳，将位移传感器调到合适测量位置，然后将其固定。传感器内部是一个光纤光栅形变体，当传感器外界钢丝绳长度发生变化时，会引起传感器内形变体变形，从而引起光纤光栅波长变化。

位移传感器主要参数：

坡坝沉降监测：

光纤光栅沉降传感器是一种位移传感器，主要由3部分组成。

锚头部分用来跟随路基表面的垂直的位移参量；

传感器部分可以检测到锚头的位置变化；

沉降板与传递杆部分用来与相对基准即路基基底连接。

光纤光栅沉降仪一般先将锚固端固定在某一固定物上，传感器与锚固端通过连接杆连接，将位移传感器调到合适测量位置，然后将其固定。该沉降传感器的工作原理是利用底座位置相对于路基表面的相对变化量来测定土体的垂直位移，是监测的相对位移量。即当土体发生沉降或***时，埋设在土底基岩或基础上的沉降板会与路基表面的锚头之间产生相对的变化量，通过连接杆将变化参量传递进沉降传感器内的敏感元件通过光栅的转换变为光学信号由光缆传回解调仪。

光纤光栅沉降传感器技术指标与规格如下：

传感器采用打孔预埋的方式或利用机械式检测点的结构可以测量路基任意点的垂直位移状况。

上述***的优点如下：

实时在线监测，工作效率高；

不带电、不受雷击等电磁干扰；

测量精度高，使用寿命长；

智能化程度，可实现险情三级报警；

历史数据查询，可对坝体稳定趋势进行预判，防患于未然。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种光纤坡坝位移沉降监测***，其特征在于，包括：光纤渗压传感器、光纤位移传感器、光纤光栅沉降传感器、光纤水位传感器和解调仪，其中：

光纤渗压传感器、光纤位移传感器、光纤光栅沉降传感器和光纤水位传感器分别通过光纤与解调仪相连接，由解调仪中激光器发出的光，经光缆到达各个传感器，再由各个传感器反射回带有待测信息量的光信号，到达解调仪后解调出待测信息在荧屏上显示出来，其中，光纤渗压传感器用于检测浸润线信息，光纤位移传感器用于检测坡坝***移信息。光纤光栅沉降传感器用于检测坡坝体沉降信息，光纤水位传感器用于检测坡坝体水位信息。

2.根据权利要求1所述的光纤坡坝位移沉降监测***，其特征在于，在监测浸润线时，在最大坝高段选设定数量的监测剖面，两相邻监测剖面的间距为设定距离，每个监测剖面应至少设置4个用于设置光纤渗压传感器的监测点；大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面，每个监测剖面至少设置4个监测点。

3.根据权利要求2所述的光纤坡坝位移沉降监测***，其特征在于，所述设定数量为2～4个，所述设定距离为30～50米。

4.根据权利要求1所述的光纤坡坝位移沉降监测***，其特征在于，在监测坡坝位移时，根据坝的长短至少选择3个监测剖面，其中在最大坡坝高处、地基地形地质变化大于设定阈值处均布置监测剖面，每个监测剖面上均匀设置6个监测点，并根据坝的高矮在坝坡表面从上到下均匀设置6个滑坡监测点，在每个监测点打固定桩，深度根据坝体进行调整，在每个固定桩之间安装位移传感器，通过位移传感器监测固定桩之间的距离，从而监测整个坝体的位移；

其中在安装位移传感器时，将锚固端固定在某一固定物上，位移传感器与锚固端通过钢丝绳连接，先预紧钢丝绳，将位移传感器调到合适测量位置，然后将其固定；位移传感器内部是一个光纤光栅形变体，当位移传感器外界钢丝绳长度发生变化时，会引起位移传感器内形变体变形，进而引起光纤光栅波长变化。

5.根据权利要求1所述的光纤坡坝位移沉降监测***，其特征在于，光纤光栅沉降传感器包括锚头、传感器和连接杆，锚头用于跟随路基表面的垂直的位移参量；传感器用于检测到锚头的位置变化，在应用时先将锚头的锚固端固定在沉降板上，传感器与锚固端通过连接杆连接，将传感器调到合适测量位置，然后将其固定，该光纤光栅沉降传感器的工作原理是利用底座位置相对于路基表面的相对变化量来测定土体的垂直位移，即当土体发生沉降或***时，埋设在土底基岩或基础上的沉降板会与路基表面的锚头之间产生相对的变化量，通过连接杆将变化参量传递进沉降传感器内的敏感元件通过光栅的转换变为光学信号由光缆传回解调仪。