一種基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測和滑坡預警預報方法與流程

本發明涉及邊坡穩定性監測領域，尤其是涉及一種基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測和滑坡預警預報方法。

背景技術：

對于地質災害易發區，滑坡問題一直是阻礙經濟發展和社會穩定的攔路石，所以如何進行邊坡體的變形監測、失穩預測和預警預報成為當前研究的熱點，現行邊坡的位移監測方法及其特點如下：

1.坡面監測：通常使用經緯儀、全站儀、GPS、InSAR等技術進行定點坡面監測，但滑坡體可能存在坡面位移與坡體內部位移不一致的情況。監測數據不僅受到天氣狀況的影響，而且也不能真實地反映邊坡內部的應力應變狀態。

2.坡體內部監測：傳統的邊坡內部監測方法多采用鉆孔測斜儀、多點位移計等，根據滑坡體位移測值來評價邊坡的整體穩定狀態。而大量研究數據表明，滑坡體在滑移前，其坡體內部的位移值可能很小，而傳統的巖土監測設備受到隨機和系統誤差等因素的影響，往往不能識別出很小的位移閾值，難以滿足滑坡預警的精度要求。另一方面，從監測技術角度來考慮，當前邊坡監測技術大多使用電學類、振弦類等傳感器，與光纖傳感等新技術相比，其精度、穩定性以及實時性、集成性均處于劣勢。

光纖傳感技術具有靈敏度高、防腐蝕、抗電磁干擾、多參量監測等優點，能較為全面地監測邊坡體在內外動力地質作用下深部應變場、滲流場、位移場的變化過程。近年來，該技術逐漸開始被應用于邊坡穩定性監測，但成功的案例不多。國內外目前的應用多采用以光纖布拉格光柵為傳感元件的固定式測斜儀、沉降儀，或者將應變感測光纖沿豎向和水平向埋設于邊坡體中，監測精度、靈敏度受到安裝工藝和周圍環境變化的影響，不能充分發揮光纖傳感技術在探測滑動面、評估邊坡穩定性方面的長處。

本發明基于全光纖傳感網絡，提出了邊坡穩定性監測和滑坡預警預報方法，為邊坡穩定性科學評估、滑動面探測和滑前預報提供了一種新的技術方法。

技術實現要素：

本發明正是考慮到傳統邊坡監測方法在數據精度、穩定性、實時性等方面的不足，改進了基于光纖傳感的邊坡監測方法，采用一種全光纖傳感網絡的方式來監測邊坡的垂向應變、土壤含水率，從而獲取邊坡體內的變形和應力應變狀態，以此來實現邊坡穩定性的評估和滑動面的探測。

為實現上述目的，本發明的采取的技術方案是：一種基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測和滑坡預警預報施工方法，對巖土質邊坡采用全取芯方式進行鉆孔施工，在每個鉆孔中埋設一根全光纖綜合測管，通過數據傳輸光纜連接全光纖綜合測管和光纖解調儀、無線傳輸設備及計算機，共同組成一個邊坡穩定性監測和滑坡預警預報裝置；所述的全光纖綜合測管包括一段用于土壤含水率探測的溫度感測光纖、兩段用于滑動面剪切變形監測的應變感測光纖和一段溫度補償光纖，按照溫度感測光纖、一段應變感測光纖、溫度補償光纖再一段應變感測光纖的順序串聯，所述的溫度感測光纖在全光纖綜合測管的外部，兩段應變感測光纖分別固定在全光纖綜合測管的內壁兩側，中間為溫度補償光纖，四段光纖大體呈“W”型布置。

全光纖綜合測管埋設于所述邊坡坡頂和坡面不同位置處的鉆孔內，鉆孔直徑范圍是100-200mm，沿著與土質邊坡潛在滑動面或者順層巖質邊坡和巖土混合邊坡節理面、基巖面相垂直的方向。

所述的溫度感測光纖為碳纖維護套光纜用于土壤含水率監測，所述的應變感測光纖為緊包光纜，所述的溫度補償光纖為松套光纜。

所述的全光纖綜合測管的直徑為30-100mm，材料為PVC、ABS或鋁合金。

所述的溫度感測光纖的結構為：中間為0.9mm直徑的單模單芯溫度感測光纖，外面松套碳纖維絲和高分子護套，所述的溫度感測光纖的外徑為3-5mm，通過碳纖維絲對光纖均勻加熱，并通過散熱曲線間接測得土壤含水率。

所述應變感測光纖的結構為：中間為0.9mm直徑的單模單芯應變感測光纖，光纖外面緊包高分子護套，所述的應變感測光纖的外徑為1.5-4mm。

所述溫度補償光纖的結構為：中間為0.9mm直徑的單模單芯光纖，光纖外面松套Kevlar纖維或金屬管，所述的溫度補償光纖的外徑為2-5mm。

鉆孔深度為到達基巖層以下20-50cm。

基于所述的方法的滑坡預警預報方法，

第一步，監測獲取數據：按照上述施工完成后，對一定時期內邊坡的受力變形和含水率情況進行監測，然后結合極限平衡、有限元強度折減方法獲取該狀態下的邊坡安全系數；

第二步，建立應變數據庫：根據獲得的監測數據，將每個鉆孔中的測管兩側應變感測光纜的應變測值進行算術平均處理，并基于溫度補償光纜的讀數扣除溫度的影響，得到該鉆孔的實際應變數據庫；

第三步，選取垂向應變特征值：從鉆孔應變數據庫中選取邊坡垂向應變特征值，該特征值選取為邊坡所有垂向應變監測線上應變最大值的平均值，每個鉆孔中垂向應變值中的最大值，或者所有鉆孔中光纖垂向應變最大值的平均值；

第四步，建立模型得到安全系數：通過現場實測數據的積累，建立邊坡垂向應變特征值與邊坡安全系數的經驗關系；然后，根據實時應變監測值推算出此時邊坡的安全系數；當安全系數大于1.2時，邊坡處于安全狀態；當安全系數介于1.2-1.0之間時，處于預警狀態；當安全系數等于1.0時，處于臨界滑動狀態。

基于所述的方法的滑動面定位和滑動位移估算方法，每根全光纖綜合測管實時記錄應變數據，當滑坡體內部應力集中導致邊坡逐漸下滑時，應變數據在每個鉆孔的某些部位達到突變峰值，該突變峰值區域即對應于鉆孔和邊坡潛在滑動面的交點，應變感測光纜所測得的應變數據和該處滑坡面的剪切位移成正比，連接不同監測線上的應變突變峰值區域即得到該滑坡的臨界滑動面位置，根據光纖監測數據，能夠準確識別滑動面的孕育、發生和發展整個過程，并判斷多級潛在滑動面的位置。

該發明與傳統的邊坡位移監測法以及近年來提出的橫向應變監測法相比，有如下有益效果：

1.傳統的邊坡位移監測法通過鉆孔測斜儀等設備監測邊坡體內位移狀態存在因位移值較小而不易被測斜儀捕捉等問題，而全光纖綜合測管可捕捉低于1～10με的微小應變，可實時準確地獲取邊坡內部的變形和穩定狀態。

2.工程實踐中鉆孔很難橫向鉆進，通過在垂向鉆孔中布設光纖回路，可獲取邊坡體內部垂向應變狀態，提高監測靈敏度，對土質邊坡、順層巖質邊坡或巖土混合邊坡的滑動面進行高精度的定位。

3.本發明提供了一種全新的邊坡穩定性監測和滑坡預警預報方法。該發明通過建立垂向特征應變與安全系數的經驗關系，可準確地識別邊坡體的臨界安全狀態，實現了邊坡體內部垂向應變的測量，為邊坡穩定性評價提供了一種新的研究思路。

本發明給出了一種基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測和滑坡預警預報方法，下面將結合附圖做出進一步詳細的說明。

附圖說明

附圖1是基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測系統示意圖；

附圖2(a)是邊坡鉆孔中全光纖綜合測管縱向切面示意圖；

附圖2(b)是邊坡鉆孔中全光纖綜合測管橫向切面示意圖；

附圖3(a)是土質邊坡監測布設示意圖；

附圖3(b)是順層巖質邊坡監測布設示意圖；

附圖4是邊坡垂向應變特征值與安全系數關系圖。

其中，1是全光纖綜合測管，2是數據傳輸光纜，3是光纖解調儀，4是計算機，5是滑坡體，6是邊坡潛在滑動面，7是碳纖維護套光纜，8是應變感測光纜，9是溫度補償光纜，10是隔離溫度補償光纜的金屬管，11是鉆孔灌漿材料或回填土，12是鉆孔，13是垂向應變分布曲線，14是邊坡節理面。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明的基于邊坡分布式垂向應變狀態監測的預警方法作進一步的說明。

一種基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測和滑坡預警預報方法，由埋設于若干個鉆孔內的全光纖綜合測管、光纖解調儀、無線傳輸設備、計算機等部分組成，以此來監測邊坡不同位置處的垂向應變、土壤含水率。上述的全光纖綜合測管埋設于巖土質邊坡坡頂和坡面不同位置處的鉆孔內，鉆孔沿著與潛在滑動面(對于土質邊坡來說)或節理面、基巖面(對于順層巖質邊坡和巖土混合邊坡來說)相垂直的方向。在每個鉆孔中埋設一根全光纖綜合測管，并采用泥漿或細砂回填封孔。該測管上有一段用于土壤含水率探測的溫度感測光纜，兩段用于滑動面剪切變形監測的應變感測光纜，以及一段溫度補償光纜。各段光纜相互熔接，并與光纖解調儀連接，組成回路，基于DTS、BOTDA或FBG等光纖傳感技術讀數到電腦上，并實現數據無線傳輸，以上裝置共同組成一個邊坡穩定性監測和滑坡預警系統。同時，在早期監測結果的基礎上選取邊坡垂向應變特征值，再通過極限平衡、有限元強度折減等方法獲得邊坡的安全系數，從而掌握垂向應變特征值與安全系數的經驗關系。在一定時期內，可根據垂向應變特征值的實測結果推算邊坡的安全系數，實現邊坡失穩的預警預報。除此之外，基于光纖監測數據能夠準確識別邊坡潛在滑動面的孕育、發生、發展過程，以及多級潛在滑動面的位置。本發明為邊坡穩定性的在線分析和滑坡實時預警預報提供了一種新的方法。

邊坡上鉆孔的布置原則和步驟是：

首先根據區域內的大地構造、斷裂構造，進行地質勘探工作，確定可以布設鉆孔的大體區域。然后沿邊坡的走向和傾向各布設若干個鉆孔，使鉆孔盡可能地在坡體上形成監測網。

鉆孔鉆入角度的原則是：

1.對于土質邊坡，首先通過極限平衡、有限單元強度折減等方法，確定邊坡的潛在滑動面，緊接著將鉆孔沿著垂直于滑動面的方向鉆入邊坡中。

2.對于順層巖質邊坡或巖土混合邊坡，通過勘探法確定邊坡的產狀，然后按照垂直于邊坡節理面、基巖面的方向布設鉆孔。

全光纖綜合測管制作和布設的原則和步驟是：

每根全光纖綜合測管外部自上而下安裝一段具有碳纖維護套的光纜，再采用全黏貼方式將一段緊包光纜自下而上固定在測管一側管壁上，并串聯一段松套光纜由測管頂部繞回測管內部，延伸至管底后再串聯一段緊包光纜，緊緊黏貼在測管的另一側管壁上直至頂部，總體上使四段光纜在測管上呈“W”型連接。其中測管外部的一段碳纖維護套光纜為土壤含水率監測光纜，緊緊黏貼在測管管壁上的兩段緊包光纜為應變感測光纜，而測管內部的一段松套光纜為溫度補償光纜

作為優選，所述光纜依附的測管的規格為：直徑為30-100mm，材料為PVC、ABS等高分子材料，或者鋁合金等金屬材料。

作為優選，粘貼在測斜管上的感測光纜需要施加一定大小的預應力，使光纜有一定的初始應變。

作為優選，所述溫度補償光纜內部為0.9mm直徑的單模單芯光纖，光纖外面松套Kevlar纖維或金屬管，光纜外徑為2-5mm

作為優選，所述應變感測光纜內部為0.9mm直徑的單模單芯應變感測光纖，光纖外面緊包高分子護套材料，光纜外徑為1.5-4mm；

作為優選，所述碳纖維護套光纜內部為0.9mm直徑的單模單芯溫度感測光纖，光纖外面松套碳纖維絲和高分子護套材料，光纜外徑為3-5mm。通過碳纖維絲可以對光纜均勻加熱，并通過光纖各點的散熱曲線間接測得周圍土壤的含水率。

作為優選，所述垂向鉆孔的直徑范圍為100-200mm。

作為優選，鉆孔達到的深度到達基巖層以下20-50cm。

進一步地，本發明還提供了上述基于邊坡垂向應變狀態的預警方法，包括如下步驟：

按照上述監測系統的安裝和布設方法，對一定時期內邊坡的受力變形和含水率情況進行監測，然后結合極限平衡、有限元強度折減等方法獲取該狀態下的邊坡安全系數。根據獲得的監測數據，將每個鉆孔中的測管兩側應變感測光纜的應變測值進行算術平均處理，并基于溫度補償光纜的讀數扣除溫度的影響，得到該鉆孔的實際應變數據庫。從鉆孔應變數據庫中選取邊坡垂向應變特征值。該特征值可取為邊坡所有垂向應變監測線上應變最大值的平均值，每個鉆孔中垂向應變值中的最大值，或者所有鉆孔中光纖垂向應變最大值的平均值。通過現場實測數據的積累，建立邊坡垂向應變特征值與邊坡安全系數的經驗關系。在此基礎上，根據實時應變監測值可推算出此時邊坡的安全系數。當安全系數大于1.2時，邊坡處于安全狀態；當安全系數介于1.2(包括1.2)和1.0之間時，處于預警狀態；當安全系數等于1.0時，處于臨界滑動狀態。

除了上面所述的邊坡穩定性監測方法之外，本發明還提供了一種滑動面定位和滑動位移估算的思路。具體的實施方式如下：每根全光纖綜合測管會實時記錄應變數據，當滑坡體內部應力集中導致邊坡逐漸下滑時，應變數據會在每個鉆孔的某些部位達到突變峰值，該突變峰值區域即對應于鉆孔和邊坡潛在滑動面的交點。應變感測光纜所測得的應變數據和該處滑坡面的剪切位移成正比。連接不同監測線上的應變突變峰值區域即得到該滑坡的臨界滑動面位置。根據光纖監測數據，能夠準確識別滑動面的孕育、發生和發展整個過程，并判斷多級潛在滑動面的位置。

實施例

一種邊坡分布式垂向應變監測預警方法，首先包括全光纖綜合測管1、若干根數據傳輸光纜2、光纖解調儀3和計算機4等共同組成一個邊坡穩定性監測系統。所述全光纖綜合測管外部自上而下安裝一段具有碳纖維護套的光纜7，再采用全黏貼方式將一段緊包光纜自下而上固定在測管一側管壁上，并串聯一段松套光纜由測管頂部繞回測管內部，延伸至管底后再串聯一段緊包光纜，緊緊黏貼在測管的另一側管壁上直至頂部，總體上使四段光纜在測管上呈“W”型連接。其中測管外部的一段碳纖維護套光纜為土壤含水率監測光纜，緊緊黏貼在測管管壁上的兩段緊包光纜為應變感測光纜8，而測管內部的一段松套光纜為溫度補償光纜9，該光纜外套有金屬管10。

所述全光纖綜合測管埋設于巖土質邊坡坡頂和坡面不同位置處的鉆孔12內，鉆孔沿著與潛在滑動面(對于土質邊坡來說)或節理面、基巖面(對于順層巖質邊坡和巖土混合邊坡來說)相垂直的方向，并采用泥漿或細砂11回填封孔。

邊坡上鉆孔的布置原則和步驟是：

首先根據區域內的大地構造、斷裂構造，進行地質勘探工作，確定可以布設鉆孔的大體區域，并盡可能地布置在坡體頂部區域。然后沿邊坡的走向和傾向各布設若干個鉆孔，使鉆孔盡可能地在坡體上形成監測網。

鉆孔鉆入角度的原則是：

1.對于土質邊坡，首先通過極限平衡、有限單元強度折減等方法，確定邊坡的潛在滑動面，緊接著將鉆孔沿著垂直于滑動面的方向鉆入邊坡中。

2.對于順層巖質邊坡或巖土混合邊坡，通過勘探法確定邊坡的產狀，然后按照垂直于邊坡節理面、基巖面的方向布設鉆孔。因節理面的方向大體一致，因此鉆孔的布設方向基本平行。

圖1為基于全光纖傳感網絡的邊坡穩定性監測系統示意圖。對于一待監測的均質土坡，邊坡坡角為30度，該邊坡巖土材料設為級配良好砂，其物理力學指標均已知。

實例采用坡頂加載方式獲取邊坡體受力變形特性，坡頂荷載為分級施加，每級荷載下的邊坡安全系數K可通過極限平衡法計算得到。坡頂加載過程中，通過所述光纖解調儀3測量綜合測管1的光纖應變、溫度實測值，并實時傳輸至計算機4，構建一個鉆孔應變數據庫。

根據獲得的監測數據，將每個鉆孔中的測管兩側應變感測光纜的應變測值進行算術平均處理，并基于溫度補償光纜的讀數扣除溫度的影響，得到該鉆孔的實際應變數據庫。從鉆孔應變數據庫中選取邊坡垂向應變特征值該特征值可取為邊坡所有垂向應變監測線上應變最大值的平均值，或者每個鉆孔中垂向應變值中的最大值，亦或者所有鉆孔中光纖垂向應變最大值的平均值。通過現場實測數據的積累，建立邊坡垂向應變特征值與邊坡安全系數K的經驗關系即

以上關系可采用線性、雙曲線函數、指數函數、冪函數等進行擬合，獲得經驗關系式。在此基礎上，根據實時應變監測值可推算出此時邊坡的安全系數。當安全系數大于1.2時，邊坡處于安全狀態；當安全系數介于1.2(包括1.2)和1.0之間時，處于預警狀態；當安全系數等于1.0時，處于臨界滑動狀態。

以上結合附圖對本發明的實施方式做出詳細說明。除上述實施例外，本發明不局限于所描述的實施方式，還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或者等效變換方式形成的技術方案，均落入本發明要求的保護范圍。