專利名稱：一種基于攝動-光纖光柵耦合方法的巖土體穩定性監測技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及重大工程健康監測領域及信號檢測技術，尤其是實時無線遠程監測工 程巖土體的穩定性和一種針對光纖光柵錨索應變狀態進行監測的方法及裝置。
背景技術：
重大工程建設與運營中常常伴隨著滑坡、崩塌、潰提、基坑失穩等重大工程災害的 發生，這類災害作為多發性災害，具有突發性強、危害性大、治理難度高的特點，如不能對其 變形破壞演化過程和行為做出準確的預警預報并采取針對性的應急處置措施，將導致對工 程安全的重大威脅，并造成不可估量的生命財產損失和巨大的社會影響。本專利涉及的重 大工程安全監測中巖土體穩定性監測研究一直是備受國內外工程地質領域關注的前沿課 題。從20世紀60年代開始，先后經歷了現象預報和經驗方程預報、統計分析預報、非線性 預報以及綜合預報、實時追蹤動態預報等幾個階段。據不完全統計，目前國內外學者已提出了數十種巖土體失穩的預報模型、方法及 一系列預報判據。但是大量的實踐表明，現有的巖土體失穩預報模型和判據對巖土體內 部的變形演化行為、具體的發生時間和最危險破壞面的位置做出非常準確的預報有較大難 度。這主要是由于巖土體具有較強的個性特征，其變形演化行為與其所處的環境條件及土 體地質結構密切相關，而現行的預報模型較少能考慮到這些個性特征，主要是依靠數學推 演來得到的預報模型，其適宜性和預報的準確性具有一定的局限性。因此，本發明在原有的一種遠程實時監測滑坡的系統與方法，和一種光纖光柵錨 索長期工作狀態的監測方法的基礎上，設計了一種結合了攝動與光纖光柵耦合方法的監測 技術，可以實現對巖土體滑動力的實時監測，及時準確地得知其內部不同深度的狀態信息， 從而發現失穩危險，并預測出最危險破壞面的位置。本技術適用于水利水電、道路交通和市政工程等領域中的邊坡、隧道、基坑、提壩 等工程巖土體監測。
發明內容
本發明的目的在于針對現有的工程巖土體失穩預警需求，提供一種實現對工程巖 土體穩定性的實時在線監測預警，同時準確預測破壞面位置的技術。為達到本發明的目的，采用的技術方案如下一種基于攝動_光纖光柵耦合方法的工程巖土體穩定性監測技術，包含傳感裝 置、采集發射裝置、遠程接收分析裝置。下面詳細介紹各部分的具體組成與功能1.傳感裝置包括攝動監測與FBG監測兩個子系統，由監控錨索、荷載式傳感器、 光纖布拉格光柵傳感器、光纜組成。其中準分布式的光纖光柵傳感器焊接(或粘貼)在錨 索上，用光纜串接好，并做好整條光纜線路的保護封裝措施；光纜在地面上的末端接上尾纖 (APC/FC接口)。監控錨索的一端穿越破壞面、錨固在破壞面以下的巖土體上，另一端位于地面外，根據現場情況和傳感裝置要求施加相應的預緊力；在錨索地面外端頭部位安裝荷 載式傳感裝置，由該傳感裝置對錨索預應力信號予以傳感。此傳感裝置既能及時捕捉到發 生失穩前巖土體中的應力變化，又能監測到巖土體內不同深度的位移分布，從而推算出其 最危險破壞面的位置。工作原理根據子系統的不同分成兩部分闡述。(1)攝動監測系統以力的平衡原理為基礎，建立失穩巖土體的滑動力與監控錨索 預應力及破壞面摩阻力的關系之間，并通過遠程監控系統監測錨索預應力的變化，在巖土 體有明顯變形、即將失穩時，及時監測和捕捉巖土體中的應力變化。應力與巖土體強度相互 作用產生變形和位移時，后者應力的變化可以超前于變形判斷其穩態。這樣，就可以比直接 監測位移更及時、更準確的監測滑動塊的整體信息，因而可以更準確及時的監測工程巖土 體穩定性，預防巖土體失穩的危害。其力學模型如圖3所示。圖3. b所示力學三角形力的關系如下滑動摩阻力F41 = (Pn+Gn) □ tgc^+c □ 1 (3-1)極限平衡狀態有Σ X = OP^F4l-Gt = OGt = PJF4l由此可得滑動力_攝動力公式Gt = P □ [cos ( α + θ ) +sin ( α + θ ) □ tg Φ ] +G □ cos α □ tg Φ +c □ 1 (3-2)設計準則P = (0. 25 □ 0. 5) □ Pmax預警準則P= (1.4 □ 2. 0) □ Pmax式中P——設計荷載，kNPfflax——最大荷載，kNP——預警荷載，kN(2)應用光纖光柵傳感技術作為錨索系統的傳感神經系統，將能與錨索變形相匹 配的光纖光柵傳感結構，埋置于起保護作用的光纖預制件中，再將該光纖預制件作為繩芯， 絞合在鋼絞線內，或者埋置在錨索外表鋼絞線上。這樣，由錨索的變形及溫度、環境、靜態或 動態負載所引起的應力分布變化使準分布的多個光纖光柵在沿線各分布點的反射光波長 發生改變，通過探測其波長改變量的大小而實現對錨索的實時跟蹤測量，及時輸出錨索的 不同部位應變的大小和隨時間的變化規律，并完成對錨索的安全監測和整體性評價。圖4所示為錨索工作的力學簡化模型。把錨索簡化成一根左端固定的懸臂梁，承 受向下的均布荷載。由材料力學易知，在固定端的上(下)表面處(即圖中的點A，B)承受 最大的軸向拉伸(壓縮)應變。使用有限元軟件ADINA建立簡單的模型，分析的應變云圖 如圖5所示。實驗研究，發現貼裝于任何結構表面的光纖只受到結構的與光纖軸向平行的應變 影響而不會受到結構表面上相對于光纖為剪切和橫向應變的影響，且貼裝光纖對結構本身 的應變無任何影響。因此在錨索上置入FBG，可監測錨索沿軸向不同位置的應變。滑動巖土 體在最危險破壞面前后的相對位移最大，則錨索在該處的應變理論值最大。故在一個監測 工程對象，如邊坡、提壩等，同一截面不同高度安裝錨索，如圖6所示，根據各錨索的最大 應變值(即點A、B、C)，將各位置連線，可得知最危險破壞面的位置。這就是用錨索預測巖土體最危險破壞面的原理。2.采集發射裝置包括兩部分，一是單片機和信號發射器，二是與尾纖連接的光纖 光柵解調儀及無線DDN通信終端(DTU)。荷載式傳感器工作所需的激發信號由測量系統提供，其受激發產生的反饋信號經 過整形后送入單片機的PO 口，對信號的頻率進行測量，最終結果交給信號發送系統裝置進 行發送。信號發送系統裝置將該荷載式傳感器信號采集、儲存、放大，通過發射器無線發射 并接收到監控主機計算機中。光纖光柵傳感器采集的監測數據經由光纜到光纖光柵解調儀解調后，通過DTU轉 換為數字信息，再通過GPRS/GSM/CDMA移動通信網絡遠程傳回遠程接受分析裝置中的預警 中心數據庫。3.遠程接收分析裝置包含相應的信號接收器、無線上網路由器和裝有相應軟件的 計算機。接收器連接計算機，接收發射器發射回來的荷載式傳感器采集的數據；路由器通過 網線連接同一臺計算機，通過GPRS/GSM/CDMA移動通信網絡接收光纖光柵解調儀采集的數 據。計算機中安裝有數據接收程序，該程序用于與接收器和路由器進行通信，對設備進行一 些設置，接收設備傳來的數據，并將其存入數據庫中，供分析處理程序使用。計算機建立監 測數據庫，對數據進行分析處理并且運用計算程序在計算機屏幕建立監測點實際圖示，顯 示巖土體滑動力與錨索預應力監測值的關系，以及錨索不同分布點上的光纖光柵傳感器 應變檢測值的實時變化和歷史數據的對應曲線圖。本發明的優點為1、實時監測工程巖土體滑塊的內部狀況，及時準確得到其信息，從而實現對巖土 體發生失穩的預警，預防危害。2、在失穩發生前，預測出破壞面的位置，為加固不穩定工程巖土體的科學決策或 采取應急預案提供更為全面的信息。3、結合數據后處理系統與預警平臺，對工程巖土體狀況提供實時在線的遠程監測 與科學的分析決策。
圖1本發明的組成部分示意圖
①監控錨索
②荷載式傳感器
③光纖光柵應變傳感器
④光纖光柵溫度傳感器
⑤光纜
⑥光纖光柵解調儀
⑦攝動信號發射器
⑧光纖光柵信號發射器
⑨攝動信號接受器
⑩光纖光柵信號接受器
計算機
圖具體實施方式
流程圖。圖3攝動監測系統的力學模型簡4錨索工作的力學簡化模型圖5懸臂梁應變、變形云6錨索測斜坡破壞面簡圖
具體實施例方式下面結合附圖1和2詳細說明本發明的使用方式。本發明的具體使用步驟如下1.確定靈敏度系數K 將光纖光柵焊接(或粘貼)安裝在試驗索上，拉伸受力，確定靈敏度系數K。2.把光纖光柵傳感器粘附在監控錨索上將分布式光纖光柵傳感系統的光纖光纜上的光纖光柵粘貼(或焊接)在錨索鋼絞 線的鋼絲上，然后在整個傳感系統上涂覆保護的704膠或HP塑料，并接入單芯傳輸光纜。通 過錨杯上的透氣孔引出錨索，再接入多芯光纜，該多芯光纜再與光纖光柵解調儀相連接。3.安裝監控錨索和荷載式傳感器監控錨索的一端穿越破壞面、錨固在滑床上，另一端位于地面外，根據現場情況和 傳感裝置要求施加相應的預緊力；在錨索地面外端頭部位安裝荷載式傳感裝置，將滑動體 整體運動趨勢對錨索的整體作用力產生的拉伸應力轉換為對傳感器的壓力，由該傳感裝置 對錨索預應力信號予以傳感。4.系統的調試將整個系統安裝完畢后，進行相關調試，檢查光路是否相通、光柵傳感器是否粘貼 或焊接牢固。5.數據采集、發送將單片機和發射器連接到荷載式傳感器，將裝有無線上網卡的DTU連接到光纖光 柵解調儀，開啟電源。開啟攝動監測的測量系統，給荷載式傳感器提供激發信號。開啟光纖 光柵解調儀，在解調儀上設置相關參數以及啟動自動發送數據程序。6.數據接收、分析處理在后方監控中心將接收器、路由器連接到監測的計算機接收各自發送端發送的數 據。計算機接收設備傳來的數據，并將其存入相應的數據庫中，供分析處理程序使用。計算 機對數據進行分析處理并且運用計算程序在計算機屏幕建立監測點實際圖示，顯示巖土體 滑塊的滑動力與錨索預應力監測值的關系，以及錨索不同分布點上的光纖光柵傳感器應變 檢測值的實時變化和歷史數據的對應曲線圖。
權利要求
一種基于攝動 光纖光柵耦合方法的工程巖土體穩定性監測技術，包含傳感裝置、采集發射裝置、遠程接收分析裝置。
2.按權利要求1所述的一種基于攝動-光纖光柵耦合方法的工程巖土體穩定性監測技 術，其特征在于傳感裝置由監控錨索、荷載式傳感器、光纖布拉格光柵傳感器、光纜組成。準分布式的 光纖光柵傳感器沿軸焊接(或粘貼)在監控錨索上并用光纜串接，光纜在地面上的末端接 上尾纖(APC/FC接口)；監控錨索的一端穿越破壞面并錨固在滑床上，另一端位于地面外， 施加一定預緊力后用鋼板固定；在錨索地面外端頭部位安裝荷載式傳感裝置。
3.按權利要求1和2所述的一種基于攝動_光纖光柵耦合方法的工程巖土體穩定性監 測技術，其特征在于采集發射裝置包括與尾纖連接的光纖光柵解調儀，可以實現無線信號實時發射的單片 機和信號發射器。
4.按權利要求1和3所述的一種基于攝動_光纖光柵耦合方法的工程巖土體穩定性監 測技術，其特征在于遠程接收分析裝置包含相應的信號接收器和裝有相應軟件的計算機。
全文摘要
一種基于攝動-光纖光柵耦合方法的工程巖土體穩定性監測技術，在被監測的巖土體中埋入預應力監控錨索來感應潛在失穩土體的滑動力，實現對巖土體失穩的預警。同時在錨索中置入準分布的多個光纖光柵傳感器，分別監測錨索鋼絞線沿線分布各點的應力應變。通過分析對錨索的應變分布可以預測巖土體失穩時最危險破壞面的位置。
文檔編號G01B11/16GK101900532SQ20091003924
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月6日 優先權日2009年5月6日
發明者劉鎮, 周翠英, 張磊, 黃云驄 申請人:中山大學