CN108180841B - 一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法。本方法结合光纤光栅传感技术和传统测斜仪，监测的滑坡内部发生变形会引起测斜管的弯曲变形，导致光纤光栅发生变形，通过光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪可以实时准确通过光纤光栅的波长变化得到相应的应变值，再通过应变‑位移差分计算方法先计算出相应测点处的位移，再准确计算出测斜管的扰度。在边坡现场监测中实施较为方便，通过简单的复合辛普森积分公式处理监测数据，能够比较准确的获得边坡内部的变形情况。本发明方法操作上简单易实施，能对边坡进行长期实时的监测，数据处理方法简单准确，推广实用性强。

Description

一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法

技术领域

本发明涉及滑坡监测方法，具体是一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法。

背景技术

在滑坡的安全稳定性监测中，一般需要对滑坡的地表位移、内部位移等进行长期监测。在目前的监测手段中多采用水准仪、全站仪以及测斜仪等设备进行人工监测，但其数据的及时性和测量的便捷性等难以满足于地形复杂、人工操作安全性差且需实时监测的边坡需求。近年来光纤光栅传感器作为一种新型的传感设备，具有抗电磁干扰、安全可靠、耐腐蚀、稳定性高、能实时测量等特点，已经在工程监测领域中得到了广泛应用。

布拉格光纤光栅传感器属于光纤光栅传感器的一种，基于外界物理量的变化，光纤光栅中心波长将发生变化，波长的漂移和温度与应变的关系呈线性关系，其关系式如下：

式中，Δλ是波长变化值，λ是中心波长值，α与ξ是热光系数，P_eff是弹光系数，ΔT是温度变化值，Δε是应变变化值，K_T是光纤光栅温度灵敏系数，K_ε是光纤光栅应变灵敏系数。

申请号为201410659677.6的发明专利介绍了一种基于光纤光栅的基坑滑动面监测方法，该方法利用FBG解调仪实时监测测斜管上光纤光栅波长变化，计算出测斜管各截面上的平均应变，根据应变值的变化从而判断基坑滑移面的位置。但该方法不能测出基坑不同深度处的实时变形，仅仅只能判断出滑移面的大概位置，体现出该方法的局限性。

目前基于光纤光栅监测原理的原位测斜传感器有很多，用于滑坡内部变形监测的也不在少数，大部分改进主要体现在对于数据的标定和处理方法上，也存在各种问题：精度不高、假定条件多等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)在测斜仪的测斜管外缘凸起导槽的表面中心线上布置对称的U型光纤光栅串，光纤光栅紧密贴合在测斜管表面上，构成光纤光栅应变传感器；

2)在滑坡需要监测的位置钻孔，将光纤光栅应变传感器逐节拼接放入钻孔内，使得布设的光纤光栅U型平面和被监测边坡的滑动方向平行；将光纤光栅应变传感器与光纤光栅解调仪连接，记录下光纤光栅应变传感器的初始波长信号；

3)光纤光栅解调仪实时监测光纤光栅的波长变化，利用标定好的光纤光栅应变灵敏系数K_ε，计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变ε(z)：

式中，测斜管的底部为坐标原点，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅波长值分别为λ_u和λ_d，其初始值分别为λ_u0和λ_d0，λ_u0≈λ_d0＝λ₀；

4)根据材料力学中，悬臂梁在弯曲状态下的扰度曲线积分公式，结合复合辛普森积分公式，建立不同位置处的测斜管扰度w(z_n)和平均轴向应变ε(z)的关系可以表示为式10：

式中，R是测斜管的外半径，h是光纤光栅测点的布设间距，l是拼接的测斜管总长，z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h，

i＝0,1,2,……,n；n是测点总数；

5)在滑坡监测中，假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致，根据不同位置处测斜管所测的扰度可以实时判断滑坡的内部变形情况。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)本方法结合光纤光栅传感技术和传统测斜仪，在边坡现场监测中实施较为方便，通过简单的复合辛普森积分公式处理监测数据，能够比较准确的获得边坡内部的变形情况。本发明方法操作上简单易实施，能对边坡进行长期实时的监测，数据处理方法简单准确，推广实用性强。

2)本发明中的数据处理方法上，利用了应变分布计算曲率分析，但又绕过了实际悬臂梁中随机荷载分布的情况，避免应变积分不可求的局面，巧妙利用数值差分方式得到高精度的差分结果。

3)监测的滑坡内部发生变形会引起测斜管的弯曲变形，导致光纤光栅发生变形，通过光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪可以实时准确通过光纤光栅的波长变化(或频率差)得到相应的应变值，但通过应变去计算测斜管的扰度(即监测体的变形)则是不容易的。本方法提出应变-位移差分计算方法可以先计算出相应测点处的位移，再准确计算出测斜管的扰度。

4)本方法可以对温度对光纤光栅波长变化的影响进行自补偿处理，避免了外接光纤光栅去单纯测量温度的各种局限，更加适用于在滑坡监测中。

附图说明

图1为本发明基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法图1的横断面图；

图3为本发明基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法一种实施例的在边坡监测中的实际应用状态图；

图4为本发明基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法实施例1的深度与计算位移值和测斜仪所得的实测位移的关系；(图中：1是测斜管，2是光纤引线，3是光纤光栅，4是光纤光栅解调仪，5是被监测边坡，6是潜在滑移面)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)选择测斜仪的测斜管1作为光纤光栅3粘贴的基材，在测斜仪的测斜管外缘凸起导槽的表面中心线上布置对称的U型光纤光栅串，光纤光栅紧密贴合在测斜管表面上，构成光纤光栅应变传感器；

2)在滑坡需要监测的位置钻孔(即被监测边坡5的潜在滑动面6)，将光纤光栅应变传感器逐节拼接放入钻孔内，使得布设的光纤光栅U型平面和被监测边坡5的滑动方向平行；将光纤光栅应变传感器与光纤光栅解调仪4连接，记录下光纤光栅应变传感器的初始波长信号；

3)光纤光栅解调仪4实时监测光纤光栅的波长变化，利用在实验室中标定好的光纤光栅应变灵敏系数K_ε，计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变ε(z)：

式中，测斜管的底部为坐标原点，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅波长值分别为λ_u和λ_d，其初始值分别为λ_u0和λ_d0，λ_u0≈λ_d0＝λ₀；

4)根据材料力学中，悬臂梁在弯曲状态下的扰度曲线积分公式，结合复合辛普森积分公式，建立不同位置处的测斜管扰度w(z_n)和平均轴向应变ε(z)的关系可以表示为式10，以平均轴向应变ε(z)计算扰度，可以避免温度对计算中的影响：

式中，R是测斜管的外半径，h是光纤光栅测点的布设间距，l是拼接的测斜管总长，z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h，

i＝0,1,2,……,n；n是测点总数；

5)在滑坡监测中，假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致，根据不同位置处测斜管所测的扰度可以实时判断滑坡的内部变形情况。

平均轴向应变ε(z)的取值是取距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅所感应的应变均值。

式10的推导过程如下：

假定滑坡和测斜管是协调变形，即假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致；测斜管的变形特征可以等效为悬臂梁弯曲变形结构进行分析：

悬臂梁的扰度和曲率半径之间关系式如式1所示：

式中，w(z)是测斜管的扰度，ρ(z)是曲率半径，z是沿测斜管轴向的坐标；

测斜管的曲率半径和平均轴向应变的关系式如式2所示：

式中，R是测斜管的外半径，ε(z)是测斜管的平均轴向应变；

结合式1和式2，可得到式3：

对式3左右两边进行二重积分，可以得到测斜管的扰度和平均轴向应变的关系式4为：

在测斜管不同位置上布置若干光纤光栅测点，测斜管的底部为坐标轴原点，沿轴线的测点记为z_i和z_i+1/2，表示为式5：

z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h， (5)

式中，n是测点总数；h是光纤光栅测点的布设间距，

l是拼接的测斜管总长；i＝0,1,2,……,n；

结合式4和5，基于复合辛普森积分公式，测斜管的扰度和平均轴向应变的关系可以表示为式6：

其中，

根据式7、8和9，测斜管的扰度和平均轴向应变的关系可以表示为式10：

式11的推导过程如下：

1)测斜管中前后对称的光纤光栅的波长的漂移与温度和应变的关系为式12和式13：

式中，ΔT是温度变化值，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅所感应的应变分别为Δε_u和Δε_d，K_T是光纤光栅温度灵敏系数，K_ε是光纤光栅应变灵敏系数；

2)悬臂梁在线弹性内弯曲时，根据平截面假定可知，悬臂梁的前后表面应变值满足式14：

Δε_u＝-Δε_d (14)

3)根据式12、13和14，同时λ_u0≈λ_d0＝λ₀，可以计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变和波长的关系为式11：

实施例1

本实施例应用在滑坡监测如图1和2所示，光纤光栅3粘贴在测斜管1的外缘凸起导槽表面中心线上，对称U型布置，构成光纤光栅应变传感器；光纤光栅应变传感器通过光纤引线2和光纤光栅解调仪4连接。

使用时，如图3所示，钻孔穿过被监测边坡5的潜在滑动面6，小心的放入测斜管1，应该让布设的光纤光栅串U型平面和被监测边坡5的滑动方向平行。接入光纤光栅解调仪4，实时的监测光纤光栅波长变化，从而计算出不同位置处相应的位移变化。

将光纤光栅应变传感器置于某边坡中进行监测，定期采集数据，一共收集3次数据，用本方法计算出来的位移和用传统的测斜管计算位移进行对比，结果如图4。从图4中可知，本方法计算出来的位移值(计算值)和用传统的测斜管计算位移值(测量值)很接近，同时对于滑移面的位置判断都相同，滑移面在距离钻孔位置的地面下12m处，本方法可以长期、远距离进行实时监测边坡内部位移，同时具有较高的精度。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)在测斜仪的测斜管外缘凸起导槽的表面中心线上布置对称的U型光纤光栅串，光纤光栅紧密贴合在测斜管表面上，构成光纤光栅应变传感器；

2)在滑坡需要监测的位置钻孔，将光纤光栅应变传感器逐节拼接放入钻孔内，使得布设的光纤光栅U型平面和被监测边坡的滑动方向平行；将光纤光栅应变传感器与光纤光栅解调仪连接，记录下光纤光栅应变传感器的初始波长信号；

3)光纤光栅解调仪实时监测光纤光栅的波长变化，利用标定好的光纤光栅应变灵敏系数K_ε，计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变ε(z)：

式中，测斜管的底部为坐标原点，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅波长值分别为λ_u和λ_d，其初始值分别为λ_u0和λ_d0，λ_u0≈λ_d0＝λ₀；

4)根据材料力学中，悬臂梁在弯曲状态下的扰度曲线积分公式，结合复合辛普森积分公式，建立不同位置处的测斜管扰度w(z_n)和平均轴向应变ε(z)的关系可以表示为式10：

式中，R是测斜管的外半径，h是光纤光栅测点的布设间距，l是拼接的测斜管总长，z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h，

n是测点总数；

5)在滑坡监测中，假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致，根据不同位置处测斜管所测的扰度可以实时判断滑坡的内部变形情况。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于式10的推导过程如下：

假定滑坡和测斜管是协调变形，即假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致；测斜管的变形特征可以等效为悬臂梁弯曲变形结构进行分析：

悬臂梁的扰度和曲率半径之间关系式如式1所示：

式中，w(z)是测斜管的扰度，ρ(z)是曲率半径，z是沿测斜管轴向的坐标；

测斜管的曲率半径和平均轴向应变的关系式如式2所示：

式中，R是测斜管的外半径，ε(z)是测斜管的平均轴向应变；

结合式1和式2，可得到式3：

对式3左右两边进行二重积分，可以得到测斜管的扰度和平均轴向应变的关系式4为：

在测斜管不同位置上布置若干光纤光栅测点，测斜管的底部为坐标轴原点，沿轴线的测点记为z_i和z_i+1/2，表示为式5：

z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h， (5)

式中，n是测点总数；h是光纤光栅测点的布设间距，l是拼接的测斜管总长；i＝0,1,2,……,n；

结合式4和5，基于复合辛普森积分公式，测斜管的扰度和平均轴向应变的关系可以表示为式6：

其中，

根据式7、8和9，测斜管的扰度和平均轴向应变的关系可以表示为式10：

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于式11的推导过程如下：

1)测斜管中前后对称的光纤光栅的波长的漂移与温度和应变的关系为式12和式13：

式中，ΔT是温度变化值，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅所感应的应变为Δε_u和Δε_d，K_T是光纤光栅温度灵敏系数，K_ε是光纤光栅应变灵敏系数；

2)悬臂梁在线弹性内弯曲时，根据平截面假定可知，悬臂梁的前后表面应变值满足式14：

Δε_u＝-Δε_d (14)

3)根据式12、13和14，同时λ_u0≈λ_d0＝λ₀，可以计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变和波长的关系为式11：

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