JS 杂志上的传感器 1687 - 7268 1687 - 725 x Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/9496285 9496285 研究文章 基于BOTDR的内部变形监测边坡 http://orcid.org/0000 - 0003 - 3349 - 7343 太阳 杰出 1、2 http://orcid.org/0000 - 0002 - 5703 - 7176 史 本 3 http://orcid.org/0000 - 0002 - 5700 - 2969 张 丹 3 通 Hengjin 4 魏 Guangqing 4 徐 红中 1 朱 振华 1 交通科学与工程学院 南京理工大学 南京210009 中国 njtech.edu.cn 2 教育部重点实验室的地质力学和路堤工程 河海大学 南京210098 中国 hhu.edu.cn 3 地球科学与工程学院 南京大学 南京210023 中国 nju.edu.cn 4 苏州NanZee传感技术有限公司。 苏州215123 中国 nzsensing.com 2016年 24 8 2016年 2016年 01 04 2016年 16 06 2016年 12 07年 2016年 24 8 2016年 2016年 版权©2016年杰出太阳et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

为了克服常规边坡监测方法的缺点,本文提出了基于BOTDR的就地测斜仪(布里渊光时域反射计),被用来获得长期内部变形斜坡。光纤传感器的安装过程,介绍了其测量原理。分析的结果表明,误差在测量位移成比例的平方测斜仪长度和BOTDR的精密仪器,而测斜仪管的直径成反比。一个实际的领域也引入了边坡变形监测情况。结果表明,基于BOTDR的测斜仪与传统测斜仪具有良好的一致性。它可以有效地访问的内部变形斜坡,帮助发现潜在滑动面位置的准确。这项技术显示了一个高可靠性和实用性在边坡工程应用,将促进更深层次研究的未来。

 中国国家自然科学国家重点项目 41230636 41427801 江苏省自然科学基金 BK20160997 河海大学 201501年 江苏省大学科学研究项目 16 kjb410001 1。介绍

滑坡作为丰富的现象普遍存在在世界的许多地区。这种灾害直接威胁着人们的生活,造成重大经济损失 1]。然而,滑坡的发生有很大的不确定性考虑其形成机制,诱导因素、频率、时间、和后果。滑坡灾害的预警和预测与监测工作的理解可以得出滑坡活动条件和失效机理根据工程经验。

各种监测方法和传感器已被引入到滑坡监测领域。先进的空间观测技术,如GPS、特别行政区,InSAR [ 2- - - - - - 4),非常适合边坡地表移动探测地下滑动信息但不能访问。边坡的内部信息可以反映地质构造的变形如侧向位移、沉降和倾斜。它有助于发现潜在的滑动面起着重要的作用在研究边坡的稳定性和运动。传统的移动和固定的倾斜是常见的内部变形检测方法,已被用于许多斜坡和取得良好的成果,如Zhujiadian在三峡水库,中国( 5],Ivancich滑坡和白云石山脉Corvara滑坡,意大利( 6, 7]。然而,传统的移动倾斜计在每个深度需要进行手动测量效率低,无法实现在线监测,而固定测斜仪的问题,高昂的成本和有限数量的监视点。

在过去的几十年里,分布式光纤传感(柴油)技术的发展,包括光纤布拉格光栅,光时间/频域反射计(OTDR) / OFDR),布里渊光时域反射计(BOTDR /) /分析,和布里渊光频域反射计/分析[ 8, 9]。柴油技术分布式传感的优点,精度高、长途和术语,在线监测,从容安装传感器和建设传感网络显示领域的巨大潜力地球工程( 10- - - - - - 12]。

最近一些研究人员开始提倡这项技术在边坡监测。裴et al。 13马),和姚 14),Zhang et al。 15王,et al。 16)提出了基于光纤光栅的就地测斜仪和Zeni et al。 17)开发基于BOTDA就地测斜仪,它克服了传统测斜仪的缺点包括电磁干扰、重力依赖,可怜的耐用性和稳定性,长距离传输的信号丢失。然而,光纤光栅是一种quasi-distributed技术可能影响滑动面位置的准确性。BOTDA系统需要一个循环设置不方便工程应用。在作者的早期研究 18multifield传感系统,介绍了基于柴油技术及其监测结果真正的在三峡库区滑坡,中国进行了分析。然而,变形监测方法并没有进一步的细节进行了讨论。本文解释了关于小说的细节就地测斜仪基于BOTDR full-distributed和单头检测技术。其测量原理以及误差进一步讨论。一些新的传感数据收集与传统测斜仪的监测结果进行比较,验证了该方法的可靠性和实用性在确定的位置滑动面及其变形。

 2。基于BOTDR的内部变形监测边坡 2.1。BOTDR原则

BOTDR的测量原理是,当激光脉冲发射到一个光纤布里渊散射光将回到输入端测量和解释。布里渊散射光的入射光之间的非线性相互作用所引起的兴奋和光子在光传播媒介。这种散射光将由布里渊频移的变化 ν B ( ε , T ) 。人们已经发现,有一种布里渊频移之间的关系(BFS) ν B ( ε , T ) 和温度 T 或应变 ε ;的关系可以表示如下( 19, 20.]: (1) ν B ε , T = ν B 0 , T 0 + C 1 ε + C 2 T - - - - - - T 0 , 在哪里 ν B ( ε , T ) 是布里渊散射的频移在一定温度与压力 T , ν B ( 0 , T 0 ) 布里渊频移分散没有应变温度 T 0 , C 1 和 C 2 分别是应变系数和温度系数,然后呢 T 0 是初始温度。

 2.2。基于BOTDR的测斜仪的原理

图 1是一个基于BOTDR的测斜仪的原理图。它由两部分组成,试管和应变传感光纤。具体来说,四个光纤安装表面的试管在四个位置互相正交。管可以由金属、塑料(PPR, PVC等),和其他材料,只取决于工程条件。基于经典的欧拉梁理论,可以计算的侧向位移管与光纤应变数据。

基于BOTDR的测斜仪。

如图 2弯曲位移之间的关系,旋转角度和压力管可以表示为( 13, 21]: (2) ω z = ∫ d θ z d z + b , (3) θ z = ∫ ε u p z D / 2 d z + 一个 = ∫ - - - - - - ε d o w n z D / 2 d z + 一个 , 在哪里 ω ( z ) 和 θ ( z ) 是弯曲位移和旋转角位置 z 。 d θ ( z ) 的微分 θ z , d ω z 的微分 ω z 。 ε u p z 和 ε d o w n ( z ) 上下表面的应变值管的弯曲方向 Y 和 D 是管的外径。

位移的计算原则。

考虑到温度的变化将影响应变公式所示( 1),监测的光纤应变值的上、下表面管 ε u p z ¯ 和 ε d o w n z ¯ 不同于真正的应变值 ε u p z 和 ε d o w n z 。他们的关系可以表示为 (4) ε u p z ¯ = ε u p z + Δ ε T z , ε d o w n z ¯ = ε d o w n z + Δ ε T z , 在哪里 Δ ε T z 温度对应变的影响。纸的马和姚 14),获得间接用温度计测量温度可能不便甚至不切实际的实际项目中。在这里, Δ ε T ( z ) 将被消除,解决( 4): (5) ε u p z - - - - - - ε d o w n z = ε u p z ¯ - - - - - - ε d o w n z ¯ 。

解决( 3)和( 5), (6) θ z = ∫ ε u p z - - - - - - ε d o w n z D d z + 一个 = ∫ ε u p z ¯ - - - - - - ε d o w n z ¯ D d z + 一个 。

用( 6)( 2), (7) ω z = ∫ 0 z ∫ 0 z ε u p z ¯ - - - - - - ε d o w n z ¯ D d z d z + 一个 z + b 。

常数 一个 和 b 可以确定通过考虑已知或假设边界条件。

 2.3。错误分析

通常,它可以假定没有位移和旋转角底部的管,考虑到的测斜仪管嵌入的基石。因此,的价值 一个 和 b 在公式( 7)可以分配给零。管的底部被定义为坐标原点(图 2),每个监测点的位置沿轴管被标记为 z 我 ;例如,监测关键是底部 z 1 ,等于零。一般来说, z 我 可以表示为 (8) z 我 = 我 - - - - - - 1 h , 我 = 1 ~ n , 在哪里 n 监测点的总数和吗 h 是BOTDR仪器的空间采样间隔等于相邻测点的平均距离。公式( 7)可以用基于梯形集成的离散形式如下: (9) ω z n = h 2 4 D 2 n - - - - - - 3 ε u p z 1 ¯ - - - - - - ε d o w n z 1 ¯ + ε u p z n ¯ - - - - - - ε d o w n z n ¯ + 4 ∑ 我 = 2 n - - - - - - 1 n - - - - - - 我 ε u p z 我 ¯ - - - - - - ε d o w n z 我 ¯ , 我 = 1 ~ n , 在哪里 ε u p z 我 ¯ 和 ε d o w n z 我 ¯ 压力监测的光纤安装在上、下管的表面。

的测量误差 ε u p z 我 ¯ 和 ε d o w n z 我 ¯ 可以认为服从正态分布的标准偏差吗 δ ;根据测量误差传播的原理,误差估计 米 ω z n 的 ω z n 获得的是 (10) 米 ω z n = n - - - - - - 1 2 h 2 2 D δ = z n 2 2 D δ 。

公式( 10)表明,位移成正比的误差的平方长度和BOTDR的精密仪器,虽然它是管的直径成反比。可以有效地减少误差通过增加管的直径,提高仪器的精度,减少计算的长度。这表明错误的长度计算高度敏感。

图 3显示计算位移的增加误差与长度、直径的管设置为7.5厘米, δ 有10个 με,20 με,30 με,40 με,50 με,60 με,分别。一般来说, δ 商业BOTDR仪器是40 με。当计算的长度短于5 m,误差不超过1厘米。随着长度的增加而增加,误差,从理论上讲,它达到的值一样大15.8厘米在20米的长度。因此,它是很难获得准确的累积位移远离管的底部。然而,考虑到在滑动面滑动区通常不是很厚(几米)及其变形远远大于压倒性的身体的其他部分,相对位移的测量精度的滑动面可以保证。公式( 9)可以用来计算累积位移从底部到顶部的滑带土假设几乎没有旋转角底部的滑动区。

位移误差随长度的计算。

 3所示。应用程序 3.1。项目的介绍

块1的马家沟滑坡位于贵州镇秭归县三峡库区。它位于左岸扎西河体积为127.8 × 104米3。滑坡的平均斜率大约15°和主滑方向是290°。它主要由岩屑物质和残留沉积与松散结构和强透水性。的基石是石英砂岩和细砂岩和泥岩和粉砂质泥岩。获得压倒性的内部行为,6观察钻孔编号为B1, B2, B3, B4, B5, B6沿主滑方向测斜仪的设计在不同海拔高度(数字 4(一)和 4 (b))。

(一)地形图的斜率 18];(b)工程地质横截面。

分布式光纤应变传感由苏州NanZee传感有限公司,中国(类型:NZS-DSS-C07),用于基于BOTDR的测斜仪(图 5(一个))。它由一个光纤核心(250 μ米),内部聚合物涂料(0.9毫米),和一个外聚氨酯护套(2毫米)。BFS显示了良好的线性关系与轴向应变变化在室温(22°C)在图 5 (b)。

(一)应变传感光纤的横截面;(b) BFS和轴向应变之间的关系。

图 6显示了安装过程的详细信息。监控管是铝制的,直径7.5厘米。光学纤维预应力,然后固定在管表面的环氧树脂胶。胶水固化后,管子是用高强度胶带保护和收缩薄膜材料在安装过程中防止纤维损伤(图 6 (b))。在该测试中,传统的倾斜也安装比较和验证结果基于BOTDR的测斜仪测量的管。

(一)在钻孔分布的传感器;(2)基于BOTDR的测斜仪的安装。

基于BOTDR的监控系统完成8月24日,2012年。这个项目中使用的光纤应变数据分析仪是N8511 BOTDR由日本显著有限公司(图 7)。监控的数据在2012年9月8日,是集作为初始数据,减去从随后的监测数据获得边坡内部变形的变化。

BOTDR仪器:(a)读出单元;(b)软件。

 3.2。监测结果和讨论

在这里我们取钻孔B4的测量数据为例。图 8(一个)显示了传统测斜仪的测量结果。它给累积位移(相对于底部的位移)在不同钻孔的深度。图 8 (b)的弯曲应变分布监测使用BOTDR管。两个数字 8(一个)和 8 (b)显示两个引人注目的剪切区域的深度与厚度大约12米和35米2米左右,可以推断出滑动表面。之间的相对位移的上部和下部周围的岩石和土壤深层滑动面与纤维应变数据可以计算出基于节中介绍的方法 2.2。滑带土的相对位移约35米的深度与斜率的总累积位移在0米的深度。发现变形比例为67%,64%,74%,72%,77%,和67%,分别在不同的测量时间,表明滑坡的变形控制的滑动面。

(一)钻孔B4的累积水平位移概要文件;(b)光纤应变的时空分布;(c)的滑动面相对位移;(d)位移测斜仪和基于BOTDR的方法测量结果之间的区别。

图 8 (c)显示了随着时间的推移增加了滑带土的相对位移。基于BOTDR的监测结果与传统方法是类似的测斜仪的差异小于4毫米。结果表明,滑动表面的位移约7厘米到2014年3月,等于每天2毫米的变形率。

图 9揭示了边坡内部变形后考虑到监测结果的观察钻孔。这表明马家沟滑坡有两个主要的块1深层滑动平面,即1 - 1′,2′。第一个1 - 1′的平均深度约15米,第二个2 - 2′的平均深度约34米。应该注意的是,由于数量有限的钻孔滑动平面的分布模式可能不是非常准确;然而,它是一致的整体运动趋势斜率。

内部变形监测结果从所有的水井。

 4所示。结论

在这项研究中,作者开发了BOTDR测斜仪基于欧拉梁理论,这对传统的测斜仪是一个有用的补充。误差分析结果表明,测斜仪长度,BOTDR的精密仪器,管的直径确定测量误差的主要因素。这是安装在一个真正的滑坡,成功地确定了两个滑动表面。滑动面及其运动的相对位移随着时间的准确计算。数据监控与BOTDR光纤传感技术与传统的测斜仪的结果一致的滑动区差异小于4毫米,展示其高可靠性和适用性。这个新开发的滑坡监测技术将有广阔的前景。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者欣然承认提供的金融支持中国国家自然科学国家重点项目(41230636),中国国家自然科学国家重点项目(41427801)、江苏省自然科学基金(BK20160997),教育部重点实验室的地质力学和路基工程、河海大学(没有。201501)和江苏省大学科学研究项目(16 kjb410001),清局域网项目。作者感谢Ebrahim Nazarian本文对他的帮助。

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